云南云天化股份有限公司，云南昆明
摘要：当前我国水污染问题日渐严重，解决该问题的前提是要有一种行之有效的方法对水污染情况进行准确监测。传统的人工取样监测效率太低，水污染监测系统成本又太高，鉴于此，本文提出了一种基于NB-IoT(Narrow Band Internet of Things) 技术的低成本的水污染监测系统。首先对该水污染系统的架构做了准备工作，在该系统架构中有不同的技术模块对水质数据进行监测、传输、处理和上传；其次为了保证该系统能够稳定运行，在软硬件设计上对程序进行了优化；最后为了保证该系统能够行之有效，对该系统中的各个模块进行了模拟测试和实验监测。研究结果表明，该技术在提高水污染监测效率的同时又大大降低了成本。不仅对水质污染情况的监测起到了积极作用，也对其他生活必须资源的保护提供了相应的参考。 关键词：NB-IoT技术；水污染监测；物联网技术；信息感知
1. 绪论
随着工业发展与现代化进程的发展，作为本就缺水的国家，我国的水污染问题变得更加严峻，由于城市生活污水、农业污水以及工业废水的大量产生与排放，导致其他健康水质受到了严重的污染，这样大面积的水污染问题不仅影响着自然环境，同时也对我国居民的日常生活和身心健康提出了较大的挑战，水污染问题不容忽视，水质能否得到精确有效的监测是解决水污染问题的先决条件。我国在水污染和水质监测方面的研究起步较晚，市场上自主研发的监测方法和监测系统也大大落后于国际水平。依赖于价格高昂的进口监测设备大大提高了水质监测的成本，而国产的价格低廉的监测设备在精度和适用条件上尚且存在一定的限制[1]。国产的监测设备大多依靠有线的方式进行数据的传输，这就对传输距离提出了比较严苛的要求，也就导致了对于远程的水质无法及时监测和捕捉信息的问题。如何把现代化的高新技术应用进水质监测工作中去，是当前我国面临水污染问题工作的重中之重，由于近年来技术不断发展，有研究尝试将通信和传感网络技术运用进新型的监测设备，从而实现对水质数据的自动采集[2]。
国际上关于水质监测系统和方法的研究开展较早，因此在技术上一直处于领先地位。其中比较典型的系统有：全球海洋观测系统GOOS、Smart Coast监测系统、HABSOS系统、Lake NET系统。这些系统使用了卫星通信技术和声学技术、嵌入式系统和网络通信技术以
及无线通信技术等，不仅能够监测到湖泊水质中的金属离子含量，还能够收集湖泊中的水位与水质温度有关信息，在监测中能够有效保证数据的准确性和实时性，并且由于克服了传输距离的问题，从而大大减少系统的能耗以降低成本[3]。
反观国内对于水质监测系统和方法的研究相对落后很多，目前仍旧处于初级阶段。由原始的人工采集水质样本监测到自动采集水质样本的转变也将我国水质监测向自动化与智能化方向转变，但是技术上仍然存在很多需要进一步优化的地方。目前，国内对于水质监测方法的主流是：水生物监测法以及嵌入式监测系统自动监测法。其中，水生物监测法指的是通过观察水质中生活的生物，来对水质进行评价，但是这种方法很明显存在耗时长、工作量大、不实时等显著缺点。而嵌入式监测系统自动监测法由于包含传感、通信、计算、分析等多个技术模块，在效率上有所提高。国内的水质监测系统主要有：巢湖流域无线传感器网络监测系统、太湖流域的天地一体化监测体系以及长江与黄河流域水质监测系统[4,5]等。
随着技术的不断发展，NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技术应用于水质监测和水污染治理将会越来越普及，因此对于目前NB-IoT技术的关键问题解决是至关重要的。期望
本研究能够对水质污染情况的监测起到积极作用，并对其他生活必须资源的保护提供方向。
2. 概念与技术方法
2.1 NB-IoT技术概述
NB-IoT技术其实指的是一种物联网技术。由于监测系统中常用到无线通信技术，而无线通信技术又可以分为短距离通信技术与低功耗通信技术。其中，低功耗通信技术又称为LPWAN技术，LPWAN技术又可以根据是否授权频段分为非授权频段的技术和授权频段的技术，即非3GPP(3rd Generation Partnership Project)技术和3GPP技术。非3GPP技术大多是非标，而3GPP技术包含了NB-IoT技术、EC-GSM(Extended Coverage-GSM)技术、WCDMA(Wideband CDMA)技术和LTE-M(LTE-Machine-to-Machine)技术等，其中NB-IoT技术本质上是一种窄带物联网技术，该种技术是在蜂窝网络上构建，消耗带宽仅180kHz。作为一种新型的无线接入网络技术，由于它本身可以用于移动通信系统、全球移动通信系统或长期演进系统等，因此该技术在覆盖面、功耗和成本等方面的优势更加明显[6]。
NB-IoT技术与其他通信技术的优缺点对比，如表1所示：
表1 NB-IoT技术与其他通讯技术的比较
通讯技术 | 直流变换器优点 | 缺点 |
LoRa技术 | 低功耗、高覆盖 | 成本相对较高 |
Zigbee技术 | 低功耗、低延时、低成本 | 信号穿透力弱、传输距离短 |
蓝牙技术人物画报 | 低成本、低功耗、安全性高 | 传输距离短、组网能力差 |
WiFi技术 | 数据传输速度高 | 信号穿透力弱、组网能力较差、传输距离短、成本高 |
北京地质仪器厂NB-IoT技术 | 802.1x低功耗、低成本、高覆盖 | 缺乏一个统一的开放产业平台 |
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2.2 碧桂园ERP水质传感技术概述
水质传感器是一种用于水质数据收集的硬件设备，在数模转换器的作用下，水质传感器将收集到的水质数据信息以某种方式转换为数字信号，但是一般使用的水质传感器收集到的
水质数据信息非常弱，因此需要对该数据进行进一步的放大处理。目前主流的水质传感器有：物理传感器、压力传感器和红外传感器。
2.3 信息感知技术概述
物联网技术依赖于感知层来对对象物体进行识别，并从对象中采集数据信息。其中又包含了光学感知技术、电化学感知技术。
光学感知技术：光损耗波传感器的优点非常明显，其中包括耐腐蚀性强、结构智能化、抗电磁干扰性强、成本相对低廉等，与此同时也适用于对水中多种参数的在线检测和监测。然而，该类传感器也具有比较明显的缺点，比如：灵敏度较低、选择性较差、检测时存在限高等问题。
传统的传感系统监测参数单一，缺乏现场监测能力，而电化学传感器涉及水质参数的转换，将化学信号转化为电信号，可有效解决这一问题。相比于电化学传感器，光学传感器本身不存在与被检测物质之间发生化学反应，同样也不会发生电极表面钝化、中毒以及电极膜污染的问题，与此同时此类传感器重复性与稳定性虽然良好，但是灵敏度和选择性与
电化学相比来说感知能力较差。目前对于该类传感器的研究重点要侧重于如何在降低成本的同时又能有效提高敏感度，如此就可以做到连续监测被污染水质中的信息参数。基于电化学、光学、电学的传感器，侧重于感知机理与硬件工艺的改善，同时注意组合不同机理的优势，研发多参数、多途径的传感器[7, 8]。
电脑设备之间如果想要交换信息，互相传递信息，就必须要通过某一种“语言”来充当载体介质，我们把这种“语言”称为“协议”。协议按照不同标准和工作任务分为很多类，其中用于给资料传输规格界定定义的协议被称为通信协议。
NB-IoT设备与MCU(Multi Control Unit)通信都是直接采用串口通信。但是NB-IoT设备与物联网云平台之间的通信需要在具有通信协议的前提下才被允许进行通信，NB-IoT网络通信协议有很多类型，比如：HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)协议、CoAP(Constrained Application Protocol)协议、MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)协议。
其中，应用最为广泛普遍的是HTTP协议。HTTP协议凭借TCP(Transmission Control Prot
ocol)，即传输控制协议进行信息的交换，但是在该过程中使用到的报文格式比较复杂，且具有更加庞大的数据量，所以一般使用在较大型设备中，小型设备一般不使用HTTP协议。
CoAP协议是一种最小数据只有4个字节的非常短小的应用层协议，建立在UDP(User Datagram Protocol)协议之上。CoAP协议在某些地方与HTTP协议具有共同点，但是与HTTP协议相比CoAP协议更方便快捷的地方在于，它可以直接通过CoAP信息来对信息进行交换。然而，由于CoAP协议使用的是无连接响应式通信，因而CoAP协议的及时性不如MQTT协议，且由于CoAP协议不支持服务质量等级自动重发装置，所以CoAP协议同样不适合做设备的实时性反向控制。
与CoAP协议相比，MQTT协议可以运用在小型设备间的传输，因而网络流量使用量很低。但是，客户端可以与Broker之间保持TCP长连接，这种情况在NAT(Network Address Translation)环境中也并没有造成问题。但是如果使用CoAP协议，则需要先采取一些NAT穿透性手段，这样过程会更加麻烦。而且与HTTP协议、CoAP协议相比，MQTT协议在实时性控制方面更加具有优势。美国爱车宝
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