一、研究背景

液位监测广泛用于河道水位、水塔、消防水池和储液罐等生活及生产环节中。液体液位的准确测量是实现生产过程可靠检测和实时控制的重要保障，也是实现安全生产的重要环节^[1]。传统的测量方法，如差位分布电极法，需要电极长时间地浸泡在液体中，特别容易被电解，腐蚀。为了解决这个问题，本课题采用一种非接触性的测量技术，即超声波传感技术进行液位监测^[2]。

从实际情况考虑，需要从远端来监测液位变化并进行阀门的控制，所以要求液位检测器能够通过无线网络实时地上传液位信息。GPRS网络是2G移动通信的数据传输技术，传输速率仅为56至114Kbps，模块启动电流较大，功耗较高，是目前应用最广泛的移动物联网解决方案，广泛应用于环境监测，电力公司输电线路检测，工程建筑质量监理等户外物联网应用场景。NB-IoT是一种符合3GPP标准的新型无线接入技术，能为物联网提供广域覆盖，在上行和下行传输数据时，最小只消耗180KHZ的系统带宽，可直接部署于GSM网络，UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本，实现网络的平滑升级，具有深度覆盖，海量连接，传输速率和功耗低，稳定可靠，成本低等优点^[3]。随着NB-IoT技术已经写入标准，三大运营商的基站逐步覆盖完善，把NB-IoT技术用于液位的监测、传输及控制系统中将大大提高数据传输稳定性，增加监测器寿命，实现多点监测。

二、国内外研究现状

自20世纪80年代开始，由于微电子计算机、光纤、超声波等高科技的迅猛发展，在液位自动检测领域出现了种类多样的测量手段，并且其功能越来越完善，理想性能指标越来越易于适应工业生产的要求，趋于自动化、智能化。随着现代工业对液位检测对非接触方式的青睐，超声波测距方式以其低成本高精度的优势占据着大量市场。在21世纪初，液位传感器产业发展仍存在不小的挑战。据悉，我国已有1700多家从事液位传感器生产和研发的企业，液位传感器年产量突破24亿只，产品达到10大类、42小类、6000多个品种，呈现出良好的发展态势，但在这些企业中，外资企业优势明显，比重达到67%，尤其是日本、美国、韩国和德国^[1]。近几年国内磁翻板液位传感器市场一直持续增长，速度超过10%，2010年我国液位传感器销售额达到905亿元。

传统上的物联网通信技术主要分为两类，一类是短距离通信方式，如Zigbee、Z-wave及蓝牙等通信方式，另一类则是传统3G/4G等长距离通信方式。短距离通信方式具有低功耗、低成本等优势，但由于其传输距离较短，导致长距离传输需要部署多个中继节点，因此网络拓扑复杂、稳定性较差；3G/4G通信方式则具有通信覆盖面广、传输速率高等优势，然而其对设备能量消耗大，不适合作为底层物联网通信技术^[4]。为解决现有物联网通信技术传输距离与能量消耗之间的矛盾，低功耗广域网(LPWA)通信技术营运而生^[5]。LPWA技术主要包括工作在非授权频段下的Sigfox及LoRa技术和工作在授权频段以华为为主导的NB-IoT技术，并得到了电信运营商的普遍支持，已成为LPWA通信技术的实施标准^[6]。

整体来看，全球物联网相关技术、标准、应用、服务还处于起步阶段，物联网核心技术持续发展，标准体系加快构建，产业体系处于建立和完善过程中。据预计，未来十年，全球物联网将实现大规模普及，年均符合增速将保持在20%左右，到2023年全球物联网市场规模有望达到2.8万亿美元左右。目前，中国三家基础电信企业都已启动NB-IoT网络建设，将逐步实现全国范围广泛覆盖，2017年全网基站规模超过40万站，一批省市已经开始了商用网络。江西鹰潭、福建福州等很多地方政府都支持NB-IoT发展，正在推进数十万台基于NB-IoT的智能水表部署；西藏正在尝试将NB-IoT网络引入到耗牛市场。作为物联网”金字塔”的最底层和最基础环节，液位传感器产业将从中直接受益。

本课题在了解液位检测及控制系统的结构和技术原理基础上开发一种基于NB-IoT协议传输的智能液位控制系统。这种系统由超声波测距原理对液位进行检测，并将数据实时传输到上位机，由上位机对液位情况进行监测并实施一定的控制。两点在于液位信息和控制指令的传输由NB-IoT网络完成，依托其深度覆盖、海量连接、高传输速率及低成本的优势，对新一代液位管理和多点监测方面有着重要的意义。

三、基于NB-IoT的液位监测、传输及控制系统的结构及工作原理

基于NB-IoT的液位监测、传输及控制系统由三部分组成：液位检测控制器、数据传输网络及远程调控设备。其中液位检测控制器利用超声波测距的原理计算出液面与传感器的距离并交由单片机处理，如果液位超过预警高度则发出警报声。单片机将计算所得的液位高度经过NB-IoT模块发送至PC终端显示。在PC终端能够实时显示液位信息，同时终端具备控制电磁阀的功能，以此来调整液位。上行的液位信息和下行的阀门控制指令都由数据传输网络传送，该网络使用NB-IoT协议，保证数据的稳定可靠传输。