基于NB-IoT与ZigBee双网融合的电化学水处理数据透传研究

倪峰 杨立志 金海峰

摘  要：电化学水处理是近期工业循环水处理的研究热点，对节能减排具有重要意义。针对电化学水处理过程中传感器数据的采集和传输需求，提出一种结合NB-IoT和ZigBee技术的传感器数据采集与透传方案。采集电导率、pH酸碱度、水温和水压等传感数据，通过ZStack协议栈实现传感网络数据传输与汇总后，由NB-IoT物联网络实现传感数据的广域传输，使用华为物联网云平台实现传感数据的网络承载。经运行测试，能实时准确地实现传感数据的采集、传输、解析任务。

关键词：NB-IoT;ZigBee;电化学水处理;华为云;ModBus;AT指令

中图分类号：TN929.5      文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）13-0166-04

Research on Data Transmission of Electrochemical Water Treatment Based on

NB-IoT and ZigBee Dual Network Integration

NI Feng， YANG Lizhi， JIN Haifeng

（Computer Science Department， Jiangyin Polytechnic College， Jiangyin  214405， China）

Abstract： Electrochemical water treatment is a research hotspot of industrial circulating water treatment recently， which is of great significance for energy conservation and emission reduction. According to the requirements of sensor data acquisition and transmission in the process of electrochemical water treatment， a sensor data acquisition and transmission scheme combining NB-IoT and ZigBee technology is proposed. After collecting the sensing data such as conductivity， pH value， water temperature and water pressure， and realizing the data transmission and summary of the sensing network through the ZStack protocol stack， ， the wide area transmission of the sensing data is realized by the NB-IoT network， and the network bearing of the sensing data is realized by using the Huawei internet of things cloud platform. After running test， it can realize the tasks of sensor data acquisition， transmission and analysis in real time and accurately.

Keywords： NB-IoT; ZigBee; electrochemical water treatment; Huawei cloud; ModBus; AT instruction

0  引  言

电力、冶金、化工等行业普遍使用水作为热交换介质，管道、阀门、水泵等设备内部结垢现象十分普遍，可能导致管道堵塞破裂、阀门卡死、锅炉变形等严重后果，也降低了余热的利用率。此外，循环水中所含嗜铁菌、药剂、氯离子等会造成设备腐蚀生锈[1]，对设备安全运转带来隐患。针对循环水杀菌除垢，传统的方法是添加化学药剂，但其成本较高，存在废水排放二次污染的问题。电化学水处理是一种新兴的循环水处理技术，有研究表明[2]通过在循环水中施加低压电场，使水在阴极附近电解出高浓度OH-，促进钙和镁等易成垢离子结垢析出，沉淀至处理器底部，定期清理即可有效降低水质硬度，防止设备内部结垢。同时在电解过程中，阳极产生大量强氧化性物质，对水中微生物有很好的杀灭和抑制作用。

降低电导率是电化学水处理的主要目标，要将电导率控制在300微西/厘米左右为佳。在直流电路中，当电压恒定时，电流与电导率成正比，且电导率=1/电阻，电导率高则说明水质中钙镁离子浓度高，易结垢。同时pH酸碱度也是检测水质的一项重要指标，要将pH酸碱度控制在6～8范围内为宜。温度传感器和压力传感器用于判断水温和水压，当水温过高，則表明水泵未正常工作，供水不足。水压过高则可能对设备造成损坏。

本文对电化学水处理所涉及的电导率、pH酸碱度、水温、水压、电流和电压等传感数据进行采集，通过ZigBee技术实现传感网络的数据采集与汇总，通过NB-IoT技术[4]将数据透传至华为物联网云端，方案综合考虑了系统鲁棒性和经济性，为循环水处理的远程控制和大数据分析提供数据支撑。

1  总体方案设计

如图1所示，本文研究的电化学水处理数据透传系统分为感知层、传输层、云服务层三个部分。从成本角度考虑，应减少NB-IoT模组的数量，提高NB-IoT模组的利用率，传感层采集数据汇总后再交由NB-IoT模组上传云端。

感知层使用CC2530作为主控芯片采集传感器数据，使用ZStack协议进行传感网络的构建与数据传输。主要采集电导率、pH酸碱度、水温、水压、电流、电压等数据，本文采用RMD-ISEC10型pH酸碱度传感器和RMD-ISET10型电导率传感器采集循环水pH酸碱度与电导率值，采用MIK-P202温度变送器和MIK-P300压力变送器采集循环水温度值和压力值，采用ZH-44243-14F2型直流电流电压采集器采集循环水电流和电压值。这几种工业传感器皆使用RS485通信协议，支持ModBus-RTU标准，通过RS485转TTL模块与ZigBee节点进行通信。ZigBee节点采集传感器数据后，通过ZStack协议将数据传输至协调器，协调器负责将数据通过NB-IoT模块传送至物联网云端。

传输层分为ZigBee传感网络[3]和窄带物联网络（NB-IoT）[4]两个部分。ZigBee网络具有自组网功能，网络构架灵活，支持Mesh组网多跳，国内一般使用2.4 GHz频段，共定义了16个信道，传输速率可达250 Kbit/s，传输距离约为50米，可在路由器之间通过多跳中继拓展传输距离，但无法满足广域物联网络的需求，故本文通过NB-IoT技术[5]，将感知层采集的传感数据上传到物联网云端，实现了网络的广覆盖，同时兼顾了运行成本。本文使用上海移远的BC95-B5模组进行NB-IoT数据传输，经由中国电信的NB-IoT Controller将数据传输至华为物联网云，实现业务数据的上下行传输。

云服务层选用华为物联网云平台，华为物联网云平台包含设备管理、产品开发、应用调试等功能，使用统一的API接口，网络传输采用CoAP/CoAPS协议，实现物联网设备的快速接入，各种终端的灵活适配、海量数据的分析采集，能满足本文研究内容的需要。华为物联网云平台提供RESTfull API接口，可通过HTTPS请求调用，第三方程序认证鉴权后可以通过指定的URL和HTTP方法获得平台数据并进行指令下发。

2  系统硬件设计

感知层使用CC2530作为主控芯片，CC2530是由TI公司推出的一款射频芯片，提供基于ZStack协议栈的ZigBee网络构建功能，由OSAL操作系统实现任务调度，提供API接口供调用。ZigBee网络由协调器、路由器、节点三部分组成，协调器负责网络的组建，路由器和节点自动加入与自身PANID和信道一致的ZigBee网络，实现自组网的功能。

如图2所示，ZigBee节点与传感器之间通过串口进行通信，通过TTL/485转换模块进行电平转换。节点采集传感数据后由ZigBee无线传感网络传输至协调器，协调器通过AT指令与NB-IoT模组通信，将传感数据转发云端。CC2530芯片提供2路UART，本文使用UART1的备用位置2（P1_6、P1_7）与外界通信，UART0的备用位置1用于PC端调试。

NB-IoT模组选用上海移远公司的BC95，BC95系列模组已通过国家无线电管理委员会SRRC强制认证要求，是可靠的工业级无线通信模组。BC95有多款型号，分别为BC95-B5（850 MHz），BC95-B8（900 MHz）、BC95-B20（800 MHz）、BC95-B3（1 800 MHz），本文使用中国电信的物联网网络，使用BC95-B5模组进行通信。

3  传感器数据采集

本文所使用的4种工业传感器均使用RS485接口与外部MCU进行通信，使用ModBus-RTU通信协议，使用主从查询模式进行数据通信。在本文中CC2530作为主设备，传感器作为从设备，CC2530通过RS485接口向传感器发送ModBus报文，查询从设备寄存器内容，从设备向主设备发送响应报文，主设备接收进行CRC校验，确认无误后从响应报文中提取数据。主从报文格式如表1、2所示。数据采集的频率由ZigBee节点的定时器进行控制。

4  ZigBee传感网络数据传输

如表3所示，本文设计了数据上报的报文格式，ZigBee节点采集到传感器数据后，通过ZStack协议将数据传送至ZigBee协调器，根据ZStack协议约定，协调器的网络地址为0x0000。

设备类型用于指定传感器类型，0x01为电导率，0x02为pH酸碱度，0x03为水温，0x04为水压。当存在多个相同型号传感器时，使用设备ID进行区分。网络地址为ZigBee节点的短地址，便于ZigBee协调器数据下行时实现点对点通信，ZigBee节点的网络短地址可通過ZStack协议uint16 NLME_GetShortAddr（void）函数获取。

ZigBee协调器接收到节点上报数据后，按照传感器类型的顺序将数据缓存，并按照BC95模组规定的报文格式拼接AT指令，通过串口发送给BC95模组上传云端。上传数据报文格式如表4所示。

节点和协调器均运行ZStack协议栈，由OSAL操作系统实现任务的调度。OSAL中由tasksEvents[]数组维护任务事件列表，由tasksArr[]数组维护任务事件处理函数入口地址列表。定义用户任务事件和相应的处理函数后，放入对应列表，OSAL操作系统将自动调度执行。

5  NB-IoT窄带物联网数据传输

ZigBee协调器与BC95模组间通过AT指令进行通信，BC95模组开机入网后需通过相应的AT指令进行初始化和参数设置后方能正常工作，BC95初始化过程如图3所示。

BC95模组初始化完毕后，即可进行数据的上行与下行。数据上行报文格式为“AT+NMGS=<length>，<data>”，其中length为data的十进制消息长度，data为十六进制消息体，消息体的长度和内容需与华为云平台模型定义匹配，中间可能包含云平台定义的MessageID等控制信息，华为云平台将根据用户项目中定义的模型对上报数据进行解析。若BC95模组已设置新消息提示功能（AT+NNMI=1），BC95模组收到CDP的下行数据时会自动通过串口输出，主控芯片捕捉串口中断即可接收下行数据。由于低功耗的需求，模组进入PSM工作状态时下行数据会缓存在模组的buffer中，模组需要上报数据时被唤醒，数据从串口输出。也可按需要通过AT+NMGR指令手动获取CDP下行数据，模组以FIFO的方式从缓存中提取数据并转发串口输出。

6  云平台开发与数据获取

本文使用华为物联网云平台，华为云目前提供CoAP/CoAPS、MQTT/MQTTS、HTTPS等接入方式，接入地址以域名方式提供。由于BC95模组需要CDP的IP地址参数信息，故先对云平台接入域名地址进行域名解析得到IP地址，使用AT+NCDP=<IP>，[<port>]指令设置云平台地址。BC95模组附着电信NB-IoT网络后，通过CoAP协议接入，云平台接入地址为119.3.250.80，端口号5683。

华为云平台提供NBIoT设备上行与下行数据的承载，通过开放API和系列化Agent实现上下游产品的无缝连接。在BC95模组上报数据前，需要先对云平台进行portal开发，定义产品的数据模型，并进行插件开发实现上报数据的解析。华为云平台提供图形化开发工具，产品的数据模型以JSON格式保存，也可自定义数据模型并上传华为云。根据本文采集的传感器数据类型，设备模型的定义如表5所示。

应用层数据采用二进制格式，云平台根据插件定义解析数据后，会转换成JSON格式，便于应用服务器调用。为实现二进制消息与JSON数据格式的转换，需要对华为云平台项目进行编解码插件开发。华为云平台提供图形化工具，可快速实现模型中的属性与插件消息的关联。完成云平台开发后，即可实现BC95模组与华为物联网云平台间的数据上下行，BC95模組通过其全球唯一的IMEI码与云平台产品对接，截取部分云平台接收数据如表6所示。

7  结  论

本文采用CC2530芯片结合ZStack协议栈完成传感器数据的采集与传感网络的数据传输，采用NB-IoT技术和华为物联网云平台实现传感数据的广域传输，实现了电化学水处理中关键传感器数据的上云服务。由于本文中传感器数据量较小，且中国电信物联网络和华为物联网云平台之间无缝对接，本文中的传感数据传输延时较小，实时性较强，鲁棒性高，还可通过华为物联网云平台提供的API，实现数据的访问和迁移。对传感数据的大数据分析和远程设备控制提供了数据支撑，具有很高研究价值。

参考文献：

[1] 刘延财，王奋中，曹国玉，等.循环水电化学除垢技术在化工企业的研究与应用 [J].中国氯碱，2021（4）：20-23.

[2] 李佳宾，李福勤，唐佳伟，等.电化学法处理钢厂循环冷却水的中试研究 [J].工业用水与废水，2021，52（2）：55-59.

[3] 陈万培，杨钦榕，高绅，等.基于Zigbee传输方式的分布式节点设计与实现 [J].电子技术，2021，50（5）：1-2.

[4] SONG Y H，LIN J，TANG M，et al. An Internet of Energy Things Based on Wireless LPWAN [J].Engineering，2017，3（4）：460-466.

[5] 杨观止，陈鹏飞，崔新凯，等.NB-IoT综述及性能测试 [J].计算机工程，2020，46（1）：1-14.

作者简介：倪峰（1981.07—），男，汉族，江苏张家港人，讲师，硕士研究生，研究方向：物联网技术与应用，嵌入式系统开发。