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基于NB-IoT的水质监测系统的设计旨在实现对目标水域水质指标的实时监测和预测。系统架构分为三个主要层次：数据采集层、数据传输层和数据处理层。每个层次各自负责特定的功能，以确保系统的高效性和可靠性。

在数据采集层，水质监测终端通过多个传感器实时获取水质指标信息，包括温度、酸碱度、氧化还原电位和总溶解固体（TDS）。这些传感器通过主控模块进行数据处理，然后将采集的数据传输至数据传输层。在数据传输层，系统采用窄带物联网（NB-IoT）技术，通过无线通信模块将数据上传至云平台。这一层的设计确保了数据传输的稳定性和实时性，使得水质数据能够快速到达监管者的手中。

在数据处理层，接收到的数据不仅用于实时监控，还会进行后续分析和处理。通过采用WD-ARIMA-GRU组合预测模型，系统能够对未来水质指标的变化趋势进行预测，从而为水质管理和决策提供支持。

2. 水质监测终端设计

水质监测终端是整个系统的核心，负责对水质指标的采集。硬件部分包括主控模块、各类水质传感器、LCD显示模块和NB-IoT数据传输模块。主控模块选用STM32F103ZET6微控制器，这款芯片以其强大的功能和多种低功耗模式而著称，适合在物联网应用中使用。

温度采集模块采用DS18B20传感器，这是一款体积小、精度高且具有良好抗干扰能力的数字温度传感器。酸碱度的采集使用E-201pH复合电极，通过精密的双路运算放大器将电极输出的毫伏级电压进行放大，以确保测量的准确性。总溶解固体的测量则使用TDS探针，通过电导原理实现对水质的监测。氧化还原电位的采集模块结合了ORP复合电极与信号转换模块，确保单片机能够准确获取到相关数据。

在传感器的数据采集过程中，所有模块均通过I2C或UART接口与STM32主控模块连接，实现数据的集成处理。各个传感器的选型和布局经过精心设计，以保证数据采集的准确性和系统的稳定性。

3. 数据传输模块

数据传输模块负责将监测到的水质数据通过NB-IoT技术上传至云平台。该模块选用BC26通信模块，具有超低功耗和高灵敏度，能够在广泛的频段内实现稳定的无线通信。BC26模块的特点使其非常适合在远距离监测场景下使用。

在具体实现中，主控模块通过AT指令集与BC26模块进行通信，完成设备入网和数据上传。通过指令的发送，监测数据能够及时传输至云平台，确保监管者能够第一时间获取最新的水质信息。

4. 物联网云平台

云平台是系统的数据处理与管理中心，负责接收来自NB-IoT模块的数据并进行存储和处理。通过云平台，用户可以实时查看水质监测数据，并进行历史查询。云平台的设计采用了RESTful API架构，使得数据的交互更加灵活和高效。

在数据上传至云平台后，系统会对接收到的数据进行初步处理，包括数据格式的转换和异常值的检测。当监测数据达到设定的阈值时，云平台会自动发出警报，通知相关监管人员进行处理。这一功能确保了水质问题能够在第一时间得到响应和解决。

5. 数据处理与预测模型

在数据处理层，系统通过WD-ARIMA-GRU组合预测模型对水质指标变化趋势进行预测。首先，接收的数据经过预处理，包括去噪声、平滑处理和特征提取，以便于后续的建模。

WD-ARIMA-GRU模型结合了小波分解（Wavelet Decomposition）和自回归积分滑动平均（ARIMA）模型，利用GRU（Gated Recurrent Unit）网络对时间序列数据进行深度学习。小波分解将时间序列信号分解为不同频率的成分，使得模型能够更好地捕捉到水质数据的变化趋势。通过历史数据的学习，模型可以对未来的水质变化进行准确预测，为水质管理提供数据支持。

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "bc26.h" // NB-IoT模块
#include "ds18b20.h" // 温度传感器
#include "ph_sensor.h" // 酸碱度传感器
#include "orp_sensor.h" // 氧化还原电位传感器
#include "tds_sensor.h" // TDS传感器

#define DATA_SEND_INTERVAL 60000 // 数据发送间隔（毫秒）

void SystemClock_Config(void);
void Error_Handler(void);
void initSensors(void);
void readSensors(float* temperature, float* phValue, float* orpValue, float* tdsValue);
void sendDataToCloud(float temperature, float phValue, float orpValue, float tdsValue);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    initSensors();
    BC26_Init();

    while (1) {
        float temperature, phValue, orpValue, tdsValue;
        readSensors(&temperature, &phValue, &orpValue, &tdsValue);
        sendDataToCloud(temperature, phValue, orpValue, tdsValue);
        HAL_Delay(DATA_SEND_INTERVAL); // 延时发送数据
    }
}

void initSensors(void) {
    DS18B20_Init(); // 初始化温度传感器
    PH_Sensor_Init(); // 初始化pH传感器
    ORP_Sensor_Init(); // 初始化ORP传感器
    TDS_Sensor_Init(); // 初始化TDS传感器
}

void readSensors(float* temperature, float* phValue, float* orpValue, float* tdsValue) {
    *temperature = DS18B20_Read_Temperature();
    *phValue = PH_Sensor_Read();
    *orpValue = ORP_Sensor_Read();
    *tdsValue = TDS_Sensor_Read();
}

void sendDataToCloud(float temperature, float phValue, float orpValue, float tdsValue) {
    char buffer[256];
    sprintf(buffer, "AT+SENDDATA=%f,%f,%f,%f", temperature, phValue, orpValue, tdsValue);
    BC26_SendData(buffer);
}

void Error_Handler(void) {
    // 错误处理代码
}