王文軍 王煒凱 聶何婷 吳佳 肖萍 潘穎

水文監(jiān)測系統(tǒng)在水資源利用和防汛抗洪中起著重要作用，水文監(jiān)測傳感器布置在各地，采集到的水文參數(shù)通過無線通信和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行?，便于決策部門精準有效管理。本文設計的多點數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，利用了低功耗的微控制器STM32L151，負責每個地域的溫濕度、水位、降雨量的采集，通過基于NB-IoT通信協(xié)議的BC20無線通信模塊發(fā)送至通信基站，再通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)控制平臺顯示各地采集的水位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了實時監(jiān)測水文參數(shù)的目的。

水文監(jiān)測系統(tǒng)可以長期對河湖水渠的水位、水流、流速以及對當?shù)販貪穸?、降雨量進行采集，也可以對正在發(fā)生的汛情、災情進行實時動態(tài)監(jiān)測?；贜B-IoT技術水文采集系統(tǒng)，以STM32L151為微控制器的嵌入式系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)的采集，最終將采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT無線通信模塊傳送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，在屏幕上實時查看網(wǎng)頁顯示的各地監(jiān)測點水文監(jiān)測參數(shù)，可以準確判斷河流、湖泊、水庫、河渠等設施水文狀況，為決策層及時提供實時、有效的數(shù)據(jù)，深入掌握水源變化情況，為政府及時預警暴雨、山洪造成潰堤等災害，避免群眾生命財產(chǎn)損失等方面決策提供強有力的措施有著重大意義。

一、系統(tǒng)總體設計方案

基于NB-IoT通信技術、以STM32L151為控制核心的水文監(jiān)測要實現(xiàn)的主要功能是要通過降雨量傳感器、水位傳感器、溫濕度傳感器實時準確采集降雨量以及監(jiān)測河流、溝渠、湖面的水位變化，采集當?shù)氐臏囟葷穸鹊葦?shù)據(jù)，該系統(tǒng)可以根據(jù)不同需求增加風速、氣壓等傳感器采集相應數(shù)據(jù)。這些水文類傳感器布置在適當位置，STM32L151為控制核心的嵌入式系統(tǒng)不斷查詢接收的水文數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，通過采用了NB-IoT技術的BC20模塊將數(shù)據(jù)不斷發(fā)送到5G基站，基站接收數(shù)據(jù)并通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺顯示數(shù)據(jù)。平臺不斷刷新數(shù)據(jù)最終形成趨勢圖，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。整個電路控制核心采用意法半導體公司的STM32L151集成塊，水文類傳感器采用了SHT10溫濕度傳感器、光電紅外線雨量傳感器以及雷達水位傳感器，無線通信采用了模塊化設計的BC20模塊[1]。

本設計中水文數(shù)據(jù)采集點可以分布于全省各地以及布置了NB-IoT地區(qū)，作為試驗，本設計的監(jiān)測系統(tǒng)布置在峽江、靖安、南昌三地，每個監(jiān)測系統(tǒng)都由STM32L151作為核心控制器與水文類傳感器構成，負責采集水位、降雨量、溫濕度數(shù)據(jù)，然后各地采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT通信網(wǎng)絡傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)匯聚到阿里云，在物聯(lián)網(wǎng)控制臺中顯示采集數(shù)據(jù)。

二、系統(tǒng)硬件設計

監(jiān)測系統(tǒng)以微控器STM32L151為控制核心，配置了水文類傳感器模塊作為數(shù)據(jù)采集端，結合無線通信模塊、電源模塊共同組成水文數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分。傳感器模塊采用了溫度、濕度、水位、降雨量傳感器模塊，在微控制器協(xié)調下整體運行構成了水文監(jiān)測系統(tǒng)，每個各采集點都使用相同的硬件[2]。

（一）微控制器系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的控制器采用了STM32L151，該微控制器是STM32超低功耗系列產(chǎn)品。STM32系列的是法意半導體公司利用了ARM公司核心設計的高性能微控制器，采用該芯片可以保障水文監(jiān)測系統(tǒng)低功耗長期工作。

設計中要用到STM32中的串口UART2，與BC20無線通信模塊的RX、TX連接。數(shù)據(jù)采集接口方面，降雨量傳感器用到了GPIO口的PB5，它以中斷方式接收由降雨量傳感器傳輸來的脈沖信號。溫濕度傳感器用了GPIO中的PB8接口。水位傳感器用了GPIO中的接口PB4。具體接口說明如表1中所示。

整個監(jiān)測系統(tǒng)由4節(jié)鋰電池供電，電壓在14.8-16.8V之間，通過降壓模塊給各功能模塊供電，其中給微控制器模塊（含BC20通信模塊）采用了+3.3V電壓，一體化溫濕度傳感器供電為+5V，降雨量傳感器和雷達水位傳感器模塊供電范圍較寬，在設計中使用了+12V。

（二）水位傳感器

河道、河湖、水渠的水位有很多方法測量，其中利用超聲波測距原理是應用比較廣泛的方法。工作原理是通過超聲波發(fā)射到再接收的時間來計算出發(fā)射點到發(fā)射面之間的距離。本設計采用了A12雷達傳感器，測量輸出接口采用了PWM脈沖輸出模式，由STM32L151的PB4發(fā)出一個不少于10us以上高電平脈沖觸發(fā)信號給傳感器模塊，傳感器模塊開始工作，發(fā)出8個40kHz周期電平并檢測回波。當檢測到有反射信號時，模塊的輸出引腳就輸出高電平直到?jīng)]有反射信號變?yōu)榈碗娖綖橹埂TM32L151從接收到模塊傳來的高電平開始計時直到低電平計時結束，這個脈沖寬度與所測的距離成正比。因此，時間乘以超聲波在空氣中傳播的速度就可以得到水面與發(fā)射點的距離，進而推算出當前水位[3]。

（三）降雨量傳感器

常見的降雨量傳感器主要有機械翻斗式、壓電式雨量傳感器以及紅外線式等雨量傳感器等。翻斗式使用比較廣泛，但是也存在著體積大，安裝不方便的缺點，故本設計采用了光學即紅外感應式雨量傳感器。它采用光學感應原理測量降雨量，體積更小、更靈敏可靠，更智能，易維護。這種傳感器工作原理是依靠發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過透鏡系統(tǒng)調整后，成平行光狀態(tài)照射到玻璃上;當玻璃干燥時、光線將發(fā)生全反射，并經(jīng)過透鏡系統(tǒng)成平行光狀態(tài)被接收器件接收，輸出最大值100%;當傳感器玻璃上有雨水、雨滴時，由于玻璃表面的折射率受水的影響而發(fā)生了改變，完全的全反射現(xiàn)象不復存在，只有沒有受到表面水滴影響的地方才能發(fā)生部分反射，這時紅外接收管收到信號就是一部分了，通過發(fā)生全反射與部分發(fā)射的百分率比值能夠確定出降雨量大小。

實際設計中降雨量傳感器輸出脈沖信號，一個脈沖對應了0.1mm的降雨量，將輸出信號接入到微控制器中的PB4中，控制系統(tǒng)計算出脈沖數(shù)即可得到降雨量了。

（四）溫濕度傳感器

一體化溫濕度傳感器是一種常見的傳感器，能夠方便地測量出溫度和濕度量。本設計采用了精度較高的溫濕度傳感器SHT10，該傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，數(shù)字通信引腳僅僅一個就可以完成命令傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，體積和功耗小，測量快速、精度適中，應用于當?shù)氐臏囟群蜐穸戎档臏y量方便可靠，本設計中只利用了STM32L151的PB8連接到STH10的輸入輸出總線上完成溫度和濕度的同時測量。CD079D0D-BA75-4BE1-A69E-368CA3B19AB7

（五）BC20通信模塊

BC20是移遠公司開發(fā)的一款高性能的NB-IoT和GNSS引擎的無線通信模塊，它采用了低功耗技術，其中GSM部分內嵌了TCP/UDP、HTTP、MQTT等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，內嵌了AT命令方便軟件開發(fā)。通過NB-IoT無線電通信協(xié)議，BC20模塊可與網(wǎng)絡運營商的基礎設備建立通信，支持三大運營商，能滿足所有M2M領域的應用需求，包括水文數(shù)據(jù)采集監(jiān)測應用。設計中BC20模塊的通信接口與STM32L151的串口連接，STM32L151采集的數(shù)據(jù)通過串口傳給BC20，該模塊通過無線通信基站將數(shù)據(jù)發(fā)送遠端，再通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至阿里云。

三、軟件設計

（一）采集端軟件設計

軟件編程中首先要對各個不同的傳感器進行初始化，在代碼中設置好監(jiān)測系統(tǒng)中設備和產(chǎn)品的密鑰，然后編制MQTT通信協(xié)議，實現(xiàn)與阿里云的鏈接，溫濕度、水位、降雨量傳感器采集到數(shù)據(jù)送到STM32L151中，經(jīng)過控制器處理后通過USART2將數(shù)據(jù)傳給BC20，由BC20發(fā)送給NB-IoT基站。軟件流程圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程

（二）物聯(lián)網(wǎng)界面設計

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示終端沒有專門開發(fā)上位機或者網(wǎng)頁，而是利用了阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。該平臺給客戶提供了一站式的設備接入、設備管理、監(jiān)控運維、數(shù)據(jù)流轉、數(shù)據(jù)存儲等服務。本設計利用了阿里云物聯(lián)網(wǎng)免費平臺。阿里云物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議采用MQTT協(xié)議，下位機軟件中編寫通信協(xié)議軟件，阿里云平臺接收到協(xié)議數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)后在相應的設備中顯示采集的數(shù)據(jù)[4]。

設計中關鍵是新建水文監(jiān)測系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)中的產(chǎn)品，在產(chǎn)品中新增數(shù)據(jù)采集設備并給布置在不同地區(qū)的采集點編號，物聯(lián)網(wǎng)平臺將自動生成產(chǎn)品以及設備的編號和密鑰，將產(chǎn)品編號和密鑰添加到監(jiān)測系統(tǒng)下位機的軟件中，運行后，下位機不斷發(fā)送數(shù)據(jù)包，阿里云接收到數(shù)據(jù)并解析，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與阿里云物聯(lián)網(wǎng)通信。而后，監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不斷通過BC20發(fā)送到基站，再傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)中，最終在阿里云的“物模型數(shù)據(jù)”中實時顯示出各地傳輸過來的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)。

四、實驗測試

由于資金及研究條件等限制，設計制作的水文監(jiān)測系統(tǒng)每個地區(qū)只使用了三組傳感器，分別監(jiān)測溫濕度、水位和降雨量，在省內的峽江、靖安、南昌地區(qū)布置了三個監(jiān)測點進行觀察和研究。

將各地布置點的監(jiān)測系統(tǒng)連接電源運行，在南昌地區(qū)通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺觀察數(shù)據(jù)傳輸情況。三個地點監(jiān)測系統(tǒng)的3種傳感器分別傳輸了溫度、濕度、水位、降雨量共12類數(shù)據(jù)，顯示器能夠實時顯示各地的數(shù)據(jù)并根據(jù)設置刷新數(shù)據(jù)，長時間接收的數(shù)據(jù)可以形成圖表和表格便于觀察。表2是傳輸顯示的數(shù)據(jù)，其中降雨量是一段時間累計的結果，其他數(shù)據(jù)均為實時采集的數(shù)據(jù)。

五、總結

本設計是基于NB-IoT的水文監(jiān)測系統(tǒng)，采用了模塊化NB-IoT技術的BC20無線通信模塊，運用了低功耗嵌入式微控制器STM32L151，采用了穩(wěn)定可靠、性價比高的體積小巧的一體化溫濕度傳感器、安裝使用方便的光學雨量傳感器以及超聲波傳感器組成水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結合阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺顯示數(shù)據(jù)，構成了多地多點、低成本的水文監(jiān)測系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)價格低廉，傳輸穩(wěn)定、可靠、實時，實現(xiàn)多點水文數(shù)據(jù)的監(jiān)測功能。

參考文獻：

[1]楊英，高嘉暉，潘明毅，等.基于NB-IoT的漂浮式污水監(jiān)控器設計[J].水利信息化，2020（4）：49-54，72.

[2]張鑫，許曉平.基于STM32的花園遠程智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)[J].信息技術，2020（8）：89-92，97.

[3]梅鹍.水文監(jiān)測設備在城市內澇預警中的應用[J].湖南水利水電，2018（6）：83-85.

[4]袁園.基于NB-IoT技術的智慧水利系統(tǒng)[J].電子技術與軟件工程，2019（1）：252.

基金項目：江西省教育廳科技課題（編號：GJJ206004）。

作者簡介：王文軍（1967-），男，碩士研究生，教授，研究方向：電子信息。王煒凱（1996-），男，技術員，研究方向：軟件工程。聶何婷（1991-），女，高職講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應用技術。吳佳（1985-），女，高職講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應用技術。肖萍（1985-），女，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應用技術。潘穎（1990-），女，高職講師，研究方向：職業(yè)教育。CD079D0D-BA75-4BE1-A69E-368CA3B19AB7