摘 要

此篇文章主要介绍应用NB-IoT技术的湖泊水质远程监测终端的设计思路以及方法。水是人类用以生存的不可或缺的资源，随着水质污染的不断加重，对水质进行监测和实时数据分析具有非常现实的意义和需求。目前，水质监测虽已有无线监测方法即GPRS无线传输技术，但相比于的NB-IoT技术，容量小，功耗较大，成本较高，可持续性低。相比之下，NB-IoT更适应当今快速发展的社会和经济的要求。它的信号穿透性强、能耗低，适合远程数据传输，是一种多终端的物联网通信技术。配合基于STM32的嵌入式开发技术，使得窄带物联网技术在水质监测方面的应用有很宽广的前景。本文主要研究内容：

（1）通过对水质监测的需求和实际应用场景的分析，确定了水质监测所需要的传感器，对传感器的结构原理、实际应用等进行了分析；

（2）基于不同的水质监测需求，设计了基于以Cotex-M3为内核的STM32的嵌入式开发的水质数据采集终端，可以完成基于现实需求的多任务水质数据采集的工作，从而实现了水质信息准确、实时、灵活的采集；

（3）针对远程传输数据的要求，采用NB-IoT模块来实现，能实现水质数据信号的有线到无线转换，从而实现水质数据监测终端与监测后台之间的信息通信。

本论文所设计的基于NB-IoT的湖泊水质监测终端能够做到水质信息的采集、数据相互转换和通信，系统具有稳定性好、可靠性高、灵活性强等特点，并且针对故障可能提出具体分析并且给出部分解决方案，有一定的实际应用价值。

关键词：嵌入式开发；NB-IoT；端口连接；水质监测

Abstract

This article mainly introduces the design ideas and methods of lake water quality remote monitoring terminal using NB-IoT technology .Water is an indispensable resource for human survival. With the increasing pollution of water quality, monitoring and real-time data analysis of water quality has very practical significance and needs.At present, although water quality monitoring has a wireless monitoring method, namely GPRS wireless transmission, compared with the NB-IoT technology used in this paper, the capacity is small, the power consumption is large, the cost is high, and the sustainability is low, in contrast, NB -IoT is more responsive to today's rapidly evolving social and economic requirements.It has strong signal penetration and low energy consumption, and is suitable for remote data transmission. It is a multi-terminal IoT communication technology. With the embedded development of STM32 technology, the application of narrow-band IoT technology in water quality monitoring has broad prospects.The main research content of this paper:

(1) Through the analysis of the requirements of water quality monitoring and the actual application scenarios, the sensors required for water quality monitoring are determined, and the structural principle and practical application of the sensors are analyzed.

(2) Based on different water quality monitoring requirements, a water quality data acquisition terminal based on embedded development of STM32 with Cotex-M3 as the core is designed, which can complete multi-task water quality data collection based on actual demand, thus achieving water quality. Accurate, real-time, and flexible collection of information;

(3) For the requirements of remote transmission of data, the NB-IoT module can realize the wired-to-wireless conversion of water quality data signals, thereby realizing water quality data monitoring. Information communication between the terminal and the monitoring background.

The NB-IoT-based lake water quality monitoring terminal designed in this thesis can achieve water quality information collection, data conversion and communication. The system has the characteristics of good stability, high reliability and flexibility, and can be specific to the fault. Analyze and give partial solutions, which have certain practical application value.

Keywords: embedded development; NB-IoT; port connection; water quality monitoring.

目 录

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究情况 2

1.3 本文主要研究工作 4

第二章 总体设计方案 5

2.1 终端功能需求分析 5

2.2 NB-IoT原理简介 5

2.3 水质监测终端方案设计 8

2.4 嵌入式芯片选型 10

2.5本章小结 11

第三章 水质监测终端硬件设计 12

3.1 常用水质传感器 12

3.1.1 ORP传感器 12

3.1.2 pH传感器 13

3.1.3 浊度传感器 14

3.1.4 TOC传感器 15

3.1.5 温度传感器 16

3.2 传感器选择 16

3.3 NB-IoT模块选择 17

3.4 电路连接设计 19

3.5 本章小结 22

第四章 水质监测终端功能程序设计 23

4.1 程序设计依据 23

4.2 功能程序 24

4.3 故障分析 26

4.4本章小结 28

第五章 总结与展望 29

参考文献 30

附录 31

致谢 42

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

水是一种常见而又特殊的资源，它是人类社会的宝贵财富，同时也是不可或缺的战略型资源，在整个人类的生存和国家发展上有至关重要的地位。水在人们日常生活、农业生产发展及工业制造中均起着不可替代的作用。水资源在地球上总量为1.37×10⁹m³，其中海水约占97.3%，淡水仅占2.7%，淡水所占比例小，且大部分分布于地球南北极的冰川、冰盖中，可利用的淡水资源只有河流、淡水湖和地下水的一部分，不到总量的1%^[1]。下图1-1可清楚看出地球的水资源分布。

图1-1 地球水资源分布占比图

随着时代变迁，科技迅速发展，人口也不断增长，人类对于水的需求变得越来越大，同时人类对水资源的污染程度也在不断加深。人类身体健康已经受到水污染所引发的诸多疾病的威胁；每年都有几十亿吨的人类制造的垃圾、污水、工业废水等排入海洋，它们污染着整个地球的水质环境和生态系统，所以对于水资源危机以及水资源污染问题的处理和解决具有紧迫性与必要性。对水质的监测是必要手段，水质监测可以进行污染预警、持续性的污染监测和水质有效治理等工作。水质监测已成为当前水资源开发利用、水资源与环境保护和项目建设中的重要研究内容，是世界各国研究的热点之一。

从环保监测技术的发展趋势和国际最新技术经验看，水质的远程监测已经成为当前水利部门及时准确获得监测数据的主要手段^[2]。通过传感器对水质数据采集，水源地的水质数据通过无线信号就可发送到后台分析中心的服务器中。一旦观察到有某种水质数据发生异常变化或者某种污染物的浓度异常升高，环境监管部门就可以立刻采取应对的措施，派遣人员去现场取样具体分析，这就很大程度上节省了完成监测需要的人力物力。当成功的应用窄带物联网的这项技术后，我们可以更加便捷准确地获取所需要的水质数据。基于NB-IoT的水质在线监测终端除了可准确并且方便地获得水质监测数据，在此过程中最大的优势便在于能耗的节约，也就是对应的成本的控制。基于NB-IoT的远程水质监测终端的应用，将有助于环保水利部门在大范围内建立监测网络来收集监测数据，从而确定目标监测区域的水质污染状况和发展趋势，从而能更好地更快地对污染处做出及时的控制措施，使社会的人力物力得到节省^[3]。

1.2 国内外研究情况

在水质监测技术的应用方面美国、日本、德国等发达国家一直走在我国前面，他们在上世纪70年代起就相继开发了水质在线监测系统。美国在1975年就建立了国家级、州级以及部分地区的水质监测网络，在18条主要河流河段设立共近13000个监测站，从而形成了庞大的水质自动监测网络。他们所采用两种监测方法，其一是水质在线监测，其二是水质间歇监测，水质监测的项目有水温、溶解氧、浊度、氧化还原电位、氨氮、电导率等水质基本参数。目前，美国的水利监测系统主要采用通信卫星的方式，能够实现对监测的水质数据进行大范围、长远距离的传输，水质监测信息可实时上传至地质调查局信息管理数据库中。

日本在上个世纪中叶，将基础设施建设作为国家发展建设的重心，在水利工程建设上投入了大量的科学研究与资金。1972年竣工的日本最大的水利工程温井水库上，其水质监测系统采用了当时最先进的水质监测技术，在水库监测范围内配备有最先进的传感器系统，用来采集水位、水质、水压等信息，再通过有线传输方式把水质数据传送到水库防汛监测站。如今日本在传感通信领域的研究已经相当发达，在其全国范围内已发展形成了完善而成熟的水质监测系统网络。据统计，日本在其面积不到四十万平方公里的国土上，建设了26个雷达雨量站和 2100个水利监测站，建立了全方位无线智能监测水质信息的监测系统，可在很短的时间内完成全国水质监测信息的更新。

我国的水资源现状存在以下问题：人均占有量低、地区分布不均、水土资源不相匹配、水体污染日益加重、城市缺水情况凸显等问题^[4]。科技的不断发展带动了经济的发展和大城市的崛起，这无疑加重了局部水资源的负荷，因此我国前些年启动了“南水北调”这个宏大的项目，把水资源较为丰富的地区的水运输到北方缺水城市及地区，如北京、河南、河北、天津等地。用水的需求增加，同时也加剧了城市地下水的污染，各种废水、污水排入湖泊河流，致使地下水出现了富营养化、有毒有害物质浓度过高、重金属含量超标等问题。据2018年统计，我国各方为水资源分布量如图1-2所示：

图1-2 我国各地区水资源分布量

我国在水污染监测方面开始的比较晚，自上世纪80年代国家开始意识到水环境对国民健康和国家社会发展的重要性。那时主要通过参考和引进国外比较先进的水质监测技术，再结合地域实际应用加以改进，形成还不太完善的水质监测系统。由于工业的迅速发展，我国从1999年开始，在重要河流如黄河、长江、淮河、珠江等流域部署水质自动监测站，用来监测水质的污染情况，并防止流域性水质污染事故的发生。典型的案例是位于湖北省十堰市境内的黄龙滩水电站监测系统的建设，是我国自己的科研团队结合国外的监测技术建立的发电大坝水域监测系统，这在当时具有重大的时代意义。

随着通信技术的不断进步，20世纪以来，国内外普遍采用了Zigbee无线通信和基于GSM网络的通用分组无线服务技术即GPRS技术（General Packet Radio Service）来进行信号的无线传输，在传输速度和覆盖范围上均较上世纪要提高很多，并且需要一定的组网技术，图1-3就是当前基于GPRS技术的野外水质监测终端。近年来窄带物联网（NB-IoT：Narrow Band-Internet of Things）迅速崛起，并以其功耗低、覆盖广、传送精确而越发受到人们关注，它更加符合当今时代信息快速交流的主题，于是也有越来越多的人想把这项技术应用到水质监测的项目中，并且在许多研究学者的努力下，这也逐渐变为现实。

图1-3 GPRS水质监测应用实物

总体来说，我国的水质监测技术与欧美、日本等发达国家相比，起步相对较晚，水质监测系统的自动化与信息化程度与之相比还存在一定的差距，其中包括使用的测量仪器设备、测量技术以及分析处理方法等方面。由于地区原因，有些偏远地区仍然需要依靠人工进行统计监测甚至是没有监测，这类传统的环境水质监测工作主要还是以人工采样、实验室分析为主，比如长江、黄河的上游段受到了污染情况，就需要人工去采集试验。虽然在实验室中分析手段完备，但现代的水质监测较传统人工统计的方法在精确度、智能化以及实时性等方面都具有更高的水平。环保水利部门希望能在数公里甚至上百公里以外的地方对湖泊或者河段实施全天候、全时段的动态监控，以便随时掌握其水质情况或者变化趋势，从而控制污染程度或者预防污染发生。面对这样的现状，基于NB-IoT的远程水质监测终端的应用才有了实际意义，也是基于这样的现实情况，才有本文的研究目标和任务。

1.3 本文主要研究工作

全文一共分为五章，各章主要内容如下：

第一章主要指明水质监测终端的研究背景及意义，并对国内外相关的技术领域研究现状进行调查研究。

第二章对此次设计应用的背景环境与系统的功能需求进行分析，并对NB-IoT技术简要介绍，制定合适的水质监测系统终端方案，并给出基于NB-IoT无线通信技术来设计框架，确定嵌入式控制核心STM32芯片。

第三章主要介绍了对水质监测终端的硬件设计，包括了水质监测传感器的功能特性、结构原理以及选择型号，NB-IoT模块的选择介绍，总体电路的设计。

第四章主要是对所设计终端的功能程序的设计，包括功能分析，程序流程，具体编程等，也对可能出现的故障问题进行了分析。

第五章是对全文所做的工作进行总结，指出本次设计中软件、硬件中的不足之处以及未考虑周全之处，并大致说明本系统的未来发展方向。

第二章 总体设计方案

水质监测终端一般部署在需要完成监测任务的河流、湖泊或者水库等应用场合，设计背景以及功能任务也不尽相同，那么对应设计出来的监测终端也不会相同。由课题所给的，本章是针对湖泊的水质数据监测的需求，并且在使用NB-IoT技术的基础上，设计实现水质数据远距离无线传输的终端总体方案。

2.1 终端功能需求分析

此次设计是为了完成湖泊的水质信息的采集，并将水质传感器采集的信息数据转换为满足NB-IoT传输的信号，稳定、可靠地传输到远端的监测服务平台的监测终端，故考虑场景、功能和成本的需求则有以下三种：

（1）由于选择了NB-IoT传输技术，这是个刚兴起的新技术，对于基站的部署可能不够全面，因此对于某些偏远或者未部署地区可能仍然使用不了。那对于已经部署了网络基站的地区，在监测区域的范围内 NB-IoT网络信号相对比较稳定，并且其覆盖范围较大，最为关键的是此技术的功耗很低，电池寿命很长，在成本上大大的节省，并且传输功能可以得到满足。伴随着时间的推移，其基站的部署只会越来越广泛，其应用前景非常广阔。

（2）水利监测站与监测湖泊地处偏僻，周边的自然环境较为复杂。监测站与需要监测的湖泊之间的距离较远，且中间存在较多的障碍物形成干扰，在设备供电方面，若架设有线供电线路，实施的难度较大、投入成本较高；而采用电池供电的方式，不仅使得采集终端在监测河段中放置更加灵活、便利，因此监测终端通过电池供电的方式更加合适。考虑到湖泊可以选择太阳能电池延长使用寿命，避免频繁更换电池。

（3）监测湖泊水质复杂，包含各种有机物、无机盐、大颗粒等，传感器的选择要选择小巧简洁的，并且传感器要具备多种功能，能检测多种参数，最为重要的是防止水质对传感器本身的消耗影响，传感器最好能够附带自清洁功能，避免频繁更换或清洗而消耗人力。其次，周边的自然风化和灾害容易对传输信号造成干扰和传输线造成损坏，因此在选择时尽量避免长距离的有线传输，并且对于传输线路也要做好保护与防干扰。

2.2 NB-IoT原理简介

由于本文题目所设通信方式为NB-IoT，因此有必要对这项新技术进行简要介绍，了解其主要原理，以便下文中直接选用设计。

近年来，物联网（IoT）的概念逐渐兴起，其主要特点是物与物之间的互联互通。现有的通信标准协议无法完全满足低功耗、低成本、广覆盖和大容量的需求，其他一些的低功耗标准协议，如Lora、Wifi在信息安全、移动性方面存在缺陷^[5]。因此，当前物联网的扩展需要改进通信平台，以支持广泛的低能耗领域。第三代合作伙伴关系项目（3GPP）引入了窄带物联网作为物联网通信解决方案。NB-IoT，即窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）是万物互联网络的一个重要分支。 NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络^[6]。图2-1为NB-IoT的应用场景。

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