摘 要：為了促進太湖片區鱸魚養殖產業信息化發展，對魚塘水質進行更優的遠程監測，文章設計了一種基于窄帶物聯網養殖遠程水質監測系統，實現了遠程數據采集、水質監測和管理功能。該系統選用MKL36Z64VLH4為微控制器，以ME3616通信模塊實現無線傳輸功能，實現魚塘水質遠程實時監測功能。
關鍵詞：窄帶物聯網;水質;監測
近年來，太湖地區鱸魚養殖業快速發展，是該地區漁業的支柱產業之一，也是 漁民的主要收入來源。由于養殖過程中水質監測不到位，經常會導致鱸魚大量死亡，經濟損失嚴重，鱸魚對溫度、含氧量、pH值等水體因子比較敏感，因此，設計和應用水質實時監測系統變得尤為重要，也為提高產量、科學養殖提供基礎保障。研究人員結合ZigBee和WiFi技術，利用4G-DTU無線傳輸等方式進行水質的遠程監測，這些監測系統都各有特點，大多采用GPRS與外網連接，功耗比較高。近年來，窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)由于低功耗、低成本、覆蓋廣等優點得到迅速發展[1]。
1 系統體系結構
基于窄帶物聯網的養殖遠程水質監測系統主要包括感知層、傳輸層、平臺層和應用層。(1)感知層，主要包括微控制單元(Micro Control Unit，MCU)、電源模塊、水質傳感器模塊等。(2)傳輸層，主要作用是通過感知層的NB-IoT模塊物理連接到核心網和通信基站。(3)平臺層，主要是云服務器負責匯聚接入網得到IoT相關數據，并將數據發送給偵聽程序進行相應處理。(4)應用層，主要在平臺提供的偵聽及相應的開放接口利用Web端、手機APP端等應用程序對數據進行實時監測管理。該系統總體結構如圖1所示。
2 系統硬件構成
遠程水質監測系統的硬件部分主要集中在感知層，主要包含傳感器模塊(溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器)，MCU和NB-IoT通信模塊。水質參數通過相應傳感器進行采集的模擬信號，經過A/D轉換通過MCU進行數據處理成數字信號，傳至NB-IoT通信模塊。
2.1 水質參數采集模塊
溶解氧參數采集模塊采用的是原電池溶解氧電極的原理測定水中氧的變化。電池溶解氧傳感器性能高、重復性好、響應時間短、抗干擾強、殘余電流低，不需要換透氣膜，也不需要換電解液。該模塊測量范圍為0～20 mg/L，溫度適用范圍為﹣5～40 ℃，最小分度值為0.01 mg/L，內置溫度補償。傳感器測量時電流變化量比較微弱，因此，將傳感器電極連接在電壓變送模塊，可以將微弱的電流變換量轉化為0～5 V的電壓變化。
pH采集傳感器模塊采用的帶有串口輸出的酸堿度采集模塊，可通過串口助手直接測試、校正、獲取pH值，之后可以利用串口與MCU相連獲取pH值。檢測濃度范圍為0～14，響應時間短、功耗低。
溫度采集傳感器選取的是DS18B20，由于該傳感器獨特的單總線接口方式[2]，使得傳感器與微處理器連接時僅需要一條線即可實現雙向通信，有效提高了系統的抗干擾性。并且測試范圍高達125 ℃，低至﹣55 ℃，精度為±0.5 ℃，滿足整個系統設計的要求，而且使用時不需要任何外圍組件，減少硬件的復雜度。
2.2 嵌入式主控板模塊
嵌入式主控板設計模塊中，MCU采用MKL36Z64VLH4，該MCU采用ARM Cortex-M0+內核，具備超低功耗的性能，采用3.3 V工作電壓，其工作頻率為48 MHz，I2C，ADC，UART等相關外設也比較豐富，適合消費電子、工業計量等應用，滿足本系統的設計要求，框架如圖2所示。
2.3 通信模塊
通信模塊主要負責對數據進行接收和轉發，將主控芯片監測到的數據通過該模塊發送出去，通信模塊電路由模塊本身、電源、串口和eSIM卡等組成。通信模塊需要使用串口與主控芯片進行數據通信，本文采用的是ME3616的NB-IoT的通信模塊[3]，該模塊是一款支持NB-IoT通信標準的窄帶蜂窩物聯網的通信模塊，可以提供最大66 Kbps上行速率和34 Kbps下行速率，具有低功耗、遠距離、海量連接等特點。本系統通信模塊與主控板芯片通過UART1串口相連，采集到的傳感器數據經過主控芯片處理后通過串口傳送給通信模塊。對于具有通信模塊的通信終端，天線匹配也十分重要，會直接影響終端設備的信號質量和傳輸成功率，因此，本系統也配備了相應的匹配天線。
2.4 硬件模塊主要執行流程
硬件程序模塊主要是微控制器MKL36Z64VLH4各個主要構件的初始化、中斷優先級分配初始化，主要針對DS18B20初始化和溫度轉換函數、pH值讀取初始化及串口讀取初始化、溶解氧讀取初始化及模數轉換函數初始化，然后微處理器讀取和處理傳感器傳來的水質參數，并顯示與LCD顯示屏，通過URAT1傳送給ME3616無線通信模塊，微控制器通過異步串行通信向ME3616無線通信模塊發送一系列AT指令進行連接和通信。硬件模塊主要執行流程如圖3所示。
3 系統軟件應用
3.1 ME3616模塊通信設計
根據窄帶物聯網的應用架構可知，采用的是IP+IMSI號的方式識別不同的終端設備[4]，IMSI號是SIM卡唯一的國際移動用戶標識符，在有效的數據報中加入IP地址是為了數據報能夠到達目的設備并能及時響應。為了提高數據傳輸的準確性和降低丟包率等，通信數據報一幀數據采用了幀頭、IMSI號、有效數據、幀尾組成，一幀數據的長度為42個字節，具體的幀格式如表1所示。
數據通過ME3616無線通信模塊進入傳輸層，由傳輸層的核心網發送至附近電信基站，進入平臺層進行處理，平臺層主要負責處理、存儲無線傳輸過來檢測到的水溫等數據。
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