基于NBIOT的桶装饮用水检测系统

王桥　曾家明　张仕均　李光双　丁丹丹

摘 要：基于NBIOT的桶装饮用水检测系统使用非接触方式检测桶装饮用水情况，采用非接触式传感器采集饮用水水量信息，通过低功耗ZigBee将饮用水信息发送给协调器。协调器通过NBIOT连接公网服务器，将信息发送给服务器，用户可登录WEB查看自己的饮用水信息，提出在线叫水服务。传统探针式检测存在明显缺陷，突出表现为检测设备长时间与水体接触，容易产生污垢和细菌。而采用超声波水位计进行非接触式水位检测，避免了传统探针式检测的技术缺陷，同时提高了饮用的安全性和水量检测的精确性。

关键词：非接触;物联网;智能检测;ZigBee;NBIOT

中图分类号：TU990.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）14-0011-03

The Detection System of Barreled Drinking Water Based on NBIOT

WANG Qiao ZENG Jiaming ZHANG Shijun LI Guangshuang DING Dandan

（Guizhou Education University，Guiyang Guizhou 550018）

Abstract： The NBIOT-based barreled drinking water detection system uses non-contact methods to detect barreled drinking water， uses non-contact sensors to collect drinking water information， and sends the drinking water information to the coordinator through low-power ZigBee. The coordinator connects to the public network server through NBIOT and sends the information to the server， users can log in to WEB to view their drinking water information and propose an online water service. There are obvious defects in the traditional probe detection， which is prominently manifested in that the detection equipment is in contact with the water for a long time， and it is easy to produce dirt and bacteria. The use of an ultrasonic water level gauge for non-contact water level detection avoids the technical deficiencies of traditional probe detection， while improving the safety of drinking and the accuracy of water volume detection.

Keywords： non-contact;Internet of Things;intelligent detection;ZigBee;NBIOT

非接觸式饮用水检测系统可以解决桶装水供应不及时、饮用水过期的问题，极大地为用户节省了等水、送水的时间，也有利于高效利用水站的配送人力资源，相当于为用户提供了永不缺水的“桶”。随着科技的不断进步，互联网迅猛发展，人们的生活水平日益提高，非接触式检测技术也逐渐受到人们的高度关注。非接触式饮用水检测系统服务大众，也推动了监测网络化、移动化的发展。

利用非接触式超声波测距原理来实现水位自动检测，如今已经被水文界公认为最好的检测方法之一[1-3]。但目前水文行业整体的现代化监测技术水平都很低，其原因主要有以下两点：一是饮用水的流量预报精确度较低，自动化水平不高，并且欠缺实时在线检测的设备，大多数测验仍然采用传统方法;二是水体监测系统实用性的软件有待完善开发，大多数资料依旧采用人工处理[4-6]。本文采用超声波水位计进行非接触式水位检测，避免了传统探针式检测存在的技术缺陷，即检测设备长时间与水体接触而产生污垢和细菌，同样也提高了饮用的安全性和检测水量的精确性。

1 系统结构

系统采用NBIOT的蜂窝组网技术进行ZigBee子节点与主节点间数据的传送，并将数据信息发送给协调器，通过中间协调器接收和处理信息，协调器通过NBIOT连接公网服务器，将相应信息发送给服务器，客户端可通过关注公众号访问服务器、登录网页等方式查看自己的饮用水信息，以此完成客户端对多个饮水点水量以及水质的实时检测，及时为缺水用户送水，为水量较少、水过期用户发送提示信息。NBIOT的桶装饮用水检测系统示意图如图1所示。

传感器与ZigBee子节点都是低功耗的，采用干电池供电即可，ZigBee之间采用组播的方式通信。其具有广播所具有的优点，也减少了协调器的负载。组建一个完整的ZigBee网络分为两步：网络初始化和节点加入网络。其中，节点加入网络主要通过与协调器连接入网或通过已有父节点入网。ZigBee无线组网的作用是通过无线方式将传感器传输的数据传送到协调器处。

如图2所示，将ZigBee协调器通过串口连接的方式接入微处理器STM32上，进行信息的处理。微处理器具有多个串口，可以再利用微处理器的串口与NBIOT连接起来，大大减少硬件设计的复杂程度，同时减少代码的编写难度，保证信息传输的可靠性。

对于ZigBee协调器而言，它只负责通过串口转发收到的数据，并不对数据进行处理，识别到网络数据包的到来，调用函数进行识别、处理，然后串口转发到STM32。微处理器STM32主要完成单片机初始化、外部设备的连接和对数据的处理。其过程是先对系统初始化，设置好设备之间的通信，然后将ZigBee协调器发来的数据进行处理并将处理后的数据发送到NBIOT。NBIOT主要作用是将STM32发来的数据再发送给服务器。其过程是初始化与STM32通信的串口，等待接收数据，接收数据并发射给服务器。

2 系统软件设计

2.1 数据库设计

服务器主要用来接收全部数据信息，包括水量、用水时间以及用户的基本信息，并将这些信息以网页的形式呈现，用户通过登录网页查看信息。服务器需要做到接收信息、储存信息以及用户界面的设计。用户界面要呈现水量信息、用水时间以及饮水地址。

根据功能需求，在MySQL中建立多个数据表和数据库用于不同的信息储存，包括水位数据表、用户数据表、订单数据表等，该系统在检测的过程中能对数据库中的数据表进行及时的添加、修改和删除。普通用户可以查看用水数据表，但无法修改和调用。管理员用户可以根据检测情况对用水数据表中的数据进行修改。由于登录信息数据表关系到整个系统的安全性，所以Web服务器可以根据不同的账户和密码限制访问权限。当然，管理员用户可以对普通用户数量进行增减。

数据库的设计不仅让Web页面的设计更加清晰和方便，也提高了整个系统的灵活性。

2.2 WEB页面设计

WEB頁面的设计需要为用户提供一个简洁方便的可视化操作界面，用户不仅可以实时了解用水信息，还应该根据用水情况及时决策。支持用户异地远程登录系统，支持页面与数据库的动态交互，如图3所示。

在用户登录界面中，用户可以选择以普通用户登陆或者是管理员用户登录。当用户输入账号和密码后，将会与数据表中的信息进行对比认证，通过后将进入用户管理界面，否则提示账户有误，极大地提高了系统的安全性。

用户管理界面中，根据用户身份信息的不同，可以提供不同的管理权限。普通用户可以查看用水信息以及用水健康提示，修改自己的账户信息等;管理员用户则可以对用水信息进行修改和调用，也可以对普通用户进行消息推送，如图4所示。

3 结语

水在日常生活中是不可或缺的，饮水安全对人体健康来说至关重要。在急需饮用水时，人们可能无法及时获得补给而产生焦虑心理，忽略水过期问题。利用基于NBIOT的桶装饮用水检测系统，用户可以随时随地通过访问网页页面实时了解用水情况，以便联系送水商，提前储备好水。该系统很重要的作用是实现用户和送水商之间的互利，送水商可以实时了解用户的用水情况，向用户发送送水提醒信息，以备不时之需;用户也可关注公众号了解水量信息，向送水商发送送水信息。

参考文献：

[1]万升云.超声波检测技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2017.

[2]王仲生.智能检测与控制技术[M].西安：西北工业大学出版社，2002.

[3]葛广英.ZigBee原理、实践及综合应用[M].北京：清华大学出版社，2015.

[4]胡汉辉.传感器技术及应用[M].北京：科学出版社，2009.

[5]吴细刚.NBIOT从原理到实践[M].北京：电子工业出版社，2017.

[6]李文仲.PIC单片机与ZigBee无线网络实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.