聶 琿，陳海峰，周 豪

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121）

隨著“十二五”規(guī)劃的穩(wěn)步推進(jìn)，“智慧城市”的建設(shè)也穩(wěn)中求進(jìn)。目前已經(jīng)迸發(fā)出大批智慧型產(chǎn)業(yè)，如智慧健康、智慧校園、智慧金融、智慧零售、智慧農(nóng)業(yè)等，這些產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起。其中窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正以迅猛的速度發(fā)展，相比3G網(wǎng)絡(luò)、4G 網(wǎng)絡(luò)、GPRS[1]、Wifi 技術(shù)、LoRa 技術(shù)[2]、Zigbee 技術(shù)等，它具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)[3-4]。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生[5]。

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)、分析、治理和保護(hù)環(huán)境質(zhì)量方面起著至關(guān)重要的作用，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決了環(huán)境監(jiān)測(cè)單一、布線復(fù)雜、傳輸能力差、耗時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)[6-7]。文獻(xiàn)[8]基于Zigbee 協(xié)議對(duì)工業(yè)環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，單純地采集溫濕度環(huán)境量，難以體現(xiàn)工業(yè)環(huán)境質(zhì)量的好壞；文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用主從收發(fā)方式對(duì)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輸出方式過于復(fù)雜；文獻(xiàn)[10]中使用Wifi 無線傳感器將采集到的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，限制了傳輸距離；文獻(xiàn)[11]使用GPRS技術(shù)來監(jiān)控農(nóng)田環(huán)境，很大程度上限制了數(shù)據(jù)上傳的速度，降低了系統(tǒng)的傳輸成功率。

通過對(duì)上述環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析和研究，本文設(shè)計(jì)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以STM32F103C8T6單片機(jī)為微控制器，其中溫度和濕度值通過單總線協(xié)議讀取，甲醛、TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)化合物）和粉塵含量則是通過串行端口收集，并配備OLED 液晶屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)；通信模塊采用中移物聯(lián)M5310A，采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過AT 命令使用LwM2M 協(xié)議上傳到OneNET 云平臺(tái)[12]；用戶通過手機(jī)APP（應(yīng)用程序）或網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)查看環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)體系

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的分層技術(shù)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層[13]，該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

其中感知層通過溫濕度、甲醛、TVOC、粉塵傳感器采集外部環(huán)境數(shù)據(jù)；傳輸層使用NB-IoT 技術(shù)通過基站為感知層和平臺(tái)層之間建立“橋梁”；平臺(tái)層通過OneNET 云平臺(tái)接收檢測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)使用手機(jī)APP 或網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)查看環(huán)境數(shù)據(jù)[14]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍電路[15]，溫濕度、甲醛、TVOC、粉塵數(shù)據(jù)采集電路，OLED 液晶顯示電路，閾值警報(bào)電路和NB-IoT 通信電路組成。硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

硬件電路工作原理是：主控制器STM32F103C8T6采用單總線協(xié)議讀取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，采用串口協(xié)議讀取甲醛、TVOC 和粉塵傳感器的數(shù)據(jù)，并用OLED液晶屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)；如果環(huán)境值超過標(biāo)準(zhǔn)，閾值警報(bào)電路將發(fā)揮作用；最后將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過NB-IoT 通信電路傳輸至OneNET 云平臺(tái)。

2.1 STM32 最小系統(tǒng)

STM32 系列32 位單片機(jī)具有高性能、低功耗、低成本的特性。STM32F103C8T6 程序存儲(chǔ)容量64 kB，電源電壓2～3.6 V，工作溫度-40～85℃。嵌入式單片機(jī)的最小系統(tǒng)由主控芯片、電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成。其最小系統(tǒng)如圖3 所示。

整個(gè)系統(tǒng)采用USB 接口供電，通過ASM117-3.3 正向低壓降穩(wěn)壓器將5V 電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能正常工作的電壓3.3V。

2.2 溫濕度采集電路

目前市場(chǎng)上的溫濕度傳感器種類繁多，通訊方式也各具特色。本文選用響應(yīng)速度快、能耗超低、傳輸距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)的DHT22 數(shù)字溫濕度傳感器，其內(nèi)部包含電容式感濕元件和高精度測(cè)溫元件，應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)在內(nèi)部將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，精度比DHT11 更高[16]。因?yàn)閭鞲衅鞑捎脴?biāo)準(zhǔn)數(shù)字單總線輸出，所以只需將數(shù)據(jù)引腳外接5.1 kΩ上拉電阻即可。其中溫濕度傳感器實(shí)物圖和采集電路如圖4 所示。

2.3 甲醛采集電路

甲醛傳感器選用電化學(xué)甲醛模組ZE08-CH2O，利用電化學(xué)原理檢測(cè)空氣中的CH2O，具有良好的選擇性和穩(wěn)定性，同時(shí)內(nèi)部配置了溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。該模組的主要特點(diǎn)是高靈敏度、低功耗、高分辨率、優(yōu)秀的抗干擾能力和卓越的線性輸出，其次它提供通用異步收發(fā)器、模擬電壓信號(hào)、脈寬調(diào)制波形和其他輸出模式。系統(tǒng)選用的是UART（通用異步收發(fā)器）輸出模式，其通訊命令分為主動(dòng)上傳式和問答式兩種，用戶可以根據(jù)需求自行設(shè)置。甲醛傳感器實(shí)物圖和采集電路如圖5 所示。傳感器采用出廠默認(rèn)的主動(dòng)上傳通信方式發(fā)送數(shù)據(jù)位，所以電路圖中只使用了一根傳輸線。

圖3 STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)

圖4 溫濕度傳感器實(shí)物圖和采集電路

圖5 甲醛傳感器實(shí)物圖和采集電路

2.4 TVOC 采集電路

TVOC 傳感器選用型號(hào)為KQM2800A 的高性能、低功耗模塊，內(nèi)部集成12 位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)置良好的傅立葉變換和分類算法，出色地抑制了各種因素引起的傳感器漂移。此模塊具備實(shí)時(shí)零點(diǎn)標(biāo)定、自動(dòng)溫濕度補(bǔ)償?shù)裙δ?，其中?shù)據(jù)輸出方式有UART通信方式和I/O(輸入、輸出)口分級(jí)輸出方式。系統(tǒng)選用UART 通信方式對(duì)TVOC 數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)物圖和采集電路如圖6 所示。

圖6 TVOC 傳感器實(shí)物圖和采集電路

2.5 粉塵采集電路

選用ZPH01 粉塵傳感器，它采用先進(jìn)的PM2.5(細(xì)顆粒物)檢測(cè)機(jī)理，內(nèi)部檢測(cè)單元運(yùn)用粒子技術(shù)原理，可靈敏檢測(cè)到直徑為1 μm 以上的粉塵顆粒物。通信方式同樣為UART，實(shí)物圖和采集電路如圖7 所示。

圖7 粉塵傳感器實(shí)物圖和采集電路

2.6 NB-IoT 通訊電路

NB-IoT 通訊電路由中移物聯(lián)M5310A 模塊、電源電路、天線插座電路、復(fù)位電路及SIM 卡座電路組成。采用電源芯片LD39200 為M5310A 提供穩(wěn)定的發(fā)射電流，防止因電流供應(yīng)不足導(dǎo)致設(shè)備離線。其通信方式為UART，并添加手動(dòng)復(fù)位電路，電路設(shè)計(jì)如圖8 所示。

圖8 NB-IoT 通訊電路

2.7 串口數(shù)據(jù)采集電路

STM32F103C8T6 單片機(jī)共有3 個(gè)UART 串口，其中UART1 用作打印輸出，為系統(tǒng)提供檢查糾錯(cuò)的功能；UART3 用于與NB-IoT 模塊進(jìn)行通信，使設(shè)備能夠注冊(cè)上線、上傳數(shù)據(jù)、下發(fā)指令和注銷下線等；因此UART2 需要用來接收甲醛、TVOC 和粉塵傳感器的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用八選一數(shù)選器74HC151 對(duì)串口進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)電路如圖9 所示。

圖9 串口數(shù)據(jù)采集電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于NB-IoT 的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為傳感器數(shù)據(jù)采集程序和NB-IoT 模塊數(shù)據(jù)發(fā)送程序兩部分，采用的都是串口中斷服務(wù)。軟件主要是對(duì)各傳感器進(jìn)行初始化并將它們的數(shù)據(jù)通過NB-IoT 模塊上傳至OneNET 云平臺(tái)，總體流程如圖10 所示。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)闇貪穸葌鞲衅魇褂脝慰偩€協(xié)議，所以使用I/O口設(shè)置相關(guān)程序。程序的關(guān)鍵是讀取數(shù)據(jù)時(shí)把數(shù)據(jù)總線SDA 拉低的時(shí)間必須符合傳感器響應(yīng)的時(shí)間，其軟件設(shè)計(jì)流程如圖11 所示。

圖10 軟件設(shè)計(jì)總體流程圖

圖11 DHT22 程序流程圖

甲醛、TVOC、粉塵傳感器都是采用UART 通信方式，主要區(qū)別就是數(shù)據(jù)位所在的比特位不同，所以統(tǒng)一設(shè)計(jì)它們的程序流程，如圖12 所示。

圖12 串口數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.2 NB-IoT 模塊軟件設(shè)計(jì)

中移物聯(lián)M5310A 模塊采用LwM2M 協(xié)議將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)OneNET，其中設(shè)備注冊(cè)上線、數(shù)據(jù)上傳、指令下發(fā)和設(shè)備注銷都是通過串口發(fā)送AT 指令控制。串口中斷采用DMA(直接存儲(chǔ)器訪問)方式，目的是為了減輕CPU 的負(fù)擔(dān)，提升系統(tǒng)的運(yùn)行速度，具體流程如圖13 所示。

圖13 NB-IoT 模塊程序流程圖

3.3 OneNET 云平臺(tái)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用中國(guó)移動(dòng)OneNET 云平臺(tái)，它為用戶提供多種傳輸協(xié)議、各類硬件終端的快速接入方案和設(shè)備管理服務(wù)、豐富的API 和數(shù)據(jù)分發(fā)能力。目標(biāo)是在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和真實(shí)設(shè)備之間建立一個(gè)高效、穩(wěn)定和安全的應(yīng)用平臺(tái)。其中每個(gè)NB-IoT 模塊都需要配備一塊SIM 卡，通過IMEI 號(hào)注冊(cè)相關(guān)設(shè)備，建立設(shè)備和云平臺(tái)之間的連接。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證此環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和上傳數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)上電后對(duì)比OLED液晶屏顯示的數(shù)據(jù)和OneNET 云平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)是否傳輸一致。其中OLED 液晶屏顯示數(shù)據(jù)如圖14 所示，OneNET 云平臺(tái)數(shù)據(jù)如圖15 所示。

圖14 OLED 液晶屏數(shù)據(jù)

圖15 OneNET 云平臺(tái)數(shù)據(jù)

通過測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和上傳功能實(shí)現(xiàn)正常。通過觀察發(fā)現(xiàn)OneNET 云平臺(tái)顯示數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間間隔在2 s 之內(nèi)，說明NB-IoT 模塊和OneNET 云平臺(tái)之間通信正常。其中網(wǎng)頁(yè)版和手機(jī)APP 顯示的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別如圖16 和17 所示。

圖16 網(wǎng)頁(yè)版數(shù)據(jù)顯示

圖17 手機(jī)APP 數(shù)據(jù)顯示

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于 NB-IoT 的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以STM32F103C8T6 微控制器為核心，搭載中移物聯(lián)的低功耗、高性能M5310A 通信模塊。主控制芯片采用單總線協(xié)議和UART 協(xié)議采集溫濕度、甲醛、TVOC、粉塵傳感器數(shù)據(jù)。收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過串口控制M5310A 經(jīng)基站上傳到OneNET 云平臺(tái)。用戶可以通過網(wǎng)頁(yè)客戶端和手機(jī)APP 實(shí)時(shí)查看相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，及時(shí)了解當(dāng)前的環(huán)境質(zhì)量。該系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)方式復(fù)雜、傳輸距離短、覆蓋面極低、功耗高的缺點(diǎn)，為基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展提供了參考。