徐仲 孫先松

摘 要：文中介紹了窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的優(yōu)勢和網(wǎng)絡架構(gòu)，并設計了一套基于NB-IoT技術(shù)的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將STM32微控制器作為核心，搭配NB-IoT模組和溫濕度傳感器，并選用中國移動OneNET平臺作為物聯(lián)網(wǎng)工作云平臺，最終實現(xiàn)了環(huán)境溫濕度采集并上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行監(jiān)測的功能。經(jīng)測試，監(jiān)測數(shù)據(jù)在成功上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺后可以折線圖的形式展示。該系統(tǒng)可為利用NB-IoT技術(shù)進行環(huán)境監(jiān)測提供參考。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;STM32;溫濕度;OneNET;可視化;網(wǎng)絡架構(gòu)

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2020）02-00-03

0 引 言

作為一門新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT正廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢主要有如下四點。

（1）通信范圍廣。具體體現(xiàn)在終端網(wǎng)絡的覆蓋范圍和信號的深度覆蓋兩方面[1]。NB-IoT終端網(wǎng)絡擁有保護帶、LTE帶內(nèi)部署以及獨立部署3種部署方式[2]，終端網(wǎng)絡可包含已有的移動通信網(wǎng)絡。NB終端發(fā)射功率有所提升，信號的穿透能力增強，實現(xiàn)了信號的深度覆蓋。

（2）終端可移動工作。NB-IoT技術(shù)以蜂窩網(wǎng)絡技術(shù)為基礎，通信方式符合3GPP標準[3]，3GPP協(xié)議支持NB終端在不同通信基站間進行連接切換，所以終端可移動工作。

（3）系統(tǒng)功耗低。NB-IoT引入了PSM和eDRX等非持續(xù)連接模式，使物聯(lián)網(wǎng)終端在不發(fā)送數(shù)據(jù)時處于休眠狀態(tài)，以達到降低終端功耗的目的[4]。

（4）目前，有多種物聯(lián)網(wǎng)云平臺支持NB-IoT模塊工作。物聯(lián)網(wǎng)云平臺不僅功能強大，還可以減少開發(fā)人員的工作量，縮短產(chǎn)品的設計周期。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)由監(jiān)測終端和物聯(lián)網(wǎng)云平臺兩部分組成。其中，監(jiān)測終端由三個模塊構(gòu)成，分別為微控制器模塊、傳感器模塊和NB-IoT模塊（含發(fā)射天線）。系統(tǒng)搭配的物聯(lián)網(wǎng)云平臺為中國移動OneNET云平臺。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 NB-IoT的網(wǎng)絡架構(gòu)

NB-IoT的典型網(wǎng)絡由行業(yè)終端+NB-IoT模塊、NB-IoT基站、核心網(wǎng)、IoT平臺構(gòu)成[5]，本系統(tǒng)遵循該網(wǎng)絡架構(gòu)。

監(jiān)測終端負責數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，通過空口連接到NB-IoT基站。當終端開機或進入覆蓋區(qū)域后，通過讀取系統(tǒng)消息獲得公共陸地移動網(wǎng)絡列表并完成注冊[6]，最終附網(wǎng)成功。NB-IoT基站匯聚終端上傳的數(shù)據(jù)，并通過S1接口連接到NB-IoT核心網(wǎng)。現(xiàn)有的核心網(wǎng)主要面向人與人之間的通信，與物聯(lián)網(wǎng)的要求差異很大[7]。NB-IoT核心網(wǎng)由MME，S-GW，P-GW，SCEF四部分組成，其功能是將不同種類的數(shù)據(jù)分配到不同路徑處理。OneNET云平臺是PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)NB終端與平臺間的數(shù)據(jù)上傳和下發(fā)功能。OneNET云平臺采用基于NB-IoT的LWM2M協(xié)議和CoAP協(xié)議實現(xiàn)NB終端與平臺間的通信。LWM2M和CoAP都是NB-IoT的標準協(xié)議，可以實現(xiàn)非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋[8]。

3 系統(tǒng)硬件組成

3.1 微控制器模塊

本系統(tǒng)選用的微控制器為STM32F1系列單片機，其內(nèi)核為32位的Cortex-M3，配備的外部高速時鐘（HSE）為12 MHz。外圍電路包括時鐘電路、復位電路、電源電路、JTAG下載調(diào)試電路[9]。

3.2 溫濕度傳感器模塊

本系統(tǒng)選用的溫濕度傳感器型號為SHT20。模塊采用I2C協(xié)議與微控制器通信，測量精度由用戶編程設置。SHT20所測得的濕度值為國際定義的基于液態(tài)水的相對濕度。SHT20溫度測量范圍為-40～125 ℃，濕度測量范圍為0～100%RH。SHT20模塊引腳接線如圖2所示。

3.3 NB-IoT模塊

系統(tǒng)選用的NB-IoT模塊為中國移動M5310模組，該模組采用華為海思Hi2110芯片，內(nèi)置CoAP/LWM2M等協(xié)議以及擴展的AT指令。模組工作的上行頻率為880～915 MHz。

模組在使用時需要購買電信運營商的NB流量卡，每張NB流量卡具有唯一的IMSI號，NB-IoT核心網(wǎng)通過IMSI號對監(jiān)控節(jié)點進行識別[10]。NB-IoT模塊接線如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 SHT20模塊編程

SHT20模塊程序代碼函數(shù)：

溫度測量函數(shù)和濕度測量函數(shù)均包含啟動測量、讀取測量結(jié)果和計算測量數(shù)值三個部分，經(jīng)計算后，溫度的單位為攝氏度，濕度值以百分數(shù)形式表示，計算結(jié)果均取一位小數(shù)。

上述4個函數(shù)在運行時需調(diào)用已寫好的模擬I2C時序函數(shù)族和延時函數(shù)。模擬I2C時序函數(shù)族包括I2C初始化函數(shù)、I2C啟動、I2C停止、應答信號、非應答信號、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)共7個函數(shù)。延時函數(shù)采用SysTick系統(tǒng)定時器實現(xiàn)，可進行微秒級和毫秒級延時。

4.2 NB-IoT模塊編程

NB-IoT模塊的工作過程為單片機通過串口向模塊發(fā)送AT指令，模塊接收指令后執(zhí)行相應操作。模塊正確執(zhí)行操作后，會通過串口向單片機返回字符串“OK”，否則返回“ERROR”。單條AT指令的發(fā)送和模塊返回信息的處理流程如圖4所示。

4.3 OneNET平臺配置

在本系統(tǒng)中，OneNET平臺若要實現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)的可視化，則需要完成創(chuàng)建監(jiān)測界面和組件設置。OneNET平臺操作流程如圖6所示。

5 實驗結(jié)果

系統(tǒng)工作時，終端所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列傳輸，最終接入OneNET云平臺。由于監(jiān)測界面的曲線圖關(guān)聯(lián)了相應數(shù)據(jù)流，平臺接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過后臺處理，上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)即可在監(jiān)測曲線圖上更新展示。系統(tǒng)監(jiān)測溫度曲線如圖7所示，濕度曲線如圖8所示。

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于NB-IoT技術(shù)的環(huán)境溫濕度監(jiān)測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設計成本低廉，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，適用于起居室、車間、溫室大棚等場所。在本系統(tǒng)的基礎上增加傳感器，可以實現(xiàn)對環(huán)境的多功能探測，對于某些特殊場合，可以增加手機短信報警服務，預防危險發(fā)生。

參 考 文 獻

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