基于NB-IoT和OneNet云平台的环境监测系统

蔡友宏

摘要

STM32 MCU接收GY-BME2 8 0三合一传感器测得的温湿度、气压参数和MAX44009光照强度传感器测得的光照强度参数，通过WH-NB7 3 NB-IoT模块上传至OneNet云平台，PC端通过浏览器或移动端通过APP可实时查看环境参数，以图形的方式直观的显示。

【关键词】NB-IoT OneNet 环境监测 STM32

NB-IoT是窄带物联网（Narrow BandIntemet of Things）的简写，是基于蜂窝移动通信网络的一种物联网技术，目前中国的三大运营商都己展开了商用。NB-IoT相比于传统的移动通信网络，具有覆盖广、海量连接、功耗低等多个优点;相比于蓝牙、ZigBee、WiFi等短距离无线通信技术，具有传输距离长、功耗更低、能直接连接运营商网络等优点。随着NB-IoT商用部署的不断推进和相应通讯模块价格的不断降低，基于NB-IoT的物联网应用将广泛应用于人们的生产生活当中。

OneNet是中国移动物联网有限公司面向公共服务推出的开放云平台，能助力各类终端设备方便、快捷的接入互联网。为各种跨平台物联网应用、行业解决方案提供简便的海量连接、云端存储、消息分发和大数据分析等优质服务。

本设计利用NB-IoT和OneNet，选用合适的传感器、MCU和通讯模块，设计了一环境监测系统，仅需使用2节AA或AAA电池供电，可适用于各种室内外环境，特别是农田、牧场、林地等野外需要远距离无人监测的场合，也可以作为便携式移动气象监测站使用。

1系统设计

本系统选择温度、湿度、气压参数三合一传感器、光照强度傳感器通过I2C通信接口上传环境参数至STM32 MCU，MCU通过NB-IoT通讯模块将参数上传至OneNet云平台，通过PC端浏览器、移动端APP查看参数。图1为系统总体图。

2硬件设计

2.1 GY-BME280三合一传感器电路

GY-BME28是一款温度、湿度、气压参数三合一传感器，具有8个引脚，可以通过I2C或SPI通信模式与MCU进行数据通信。本设计采用I2C通信模式，GY-BME280传感器与STM32MCU相连，电路图如图2所示。其中VDD是传感器内部模拟电路电源端;VIO传感器内部数字电路电源端;SCL、SDA分别是12C通信模式时钟信号、数据信号;SDO是传感器地址控制位，接GND时I2C中器件地址为11101100，接高电平为11101101，本设计该引脚接低电平。CSB是SPI通信模式下用到的引脚，本设计未使用，故悬空。

2.2 MAX44009光照强度传感器电路

MAX44009光照强度传感器具有6个引脚，工作在1.7V至3.6V供电电压范围，器件工作电流小于1uA，且提供I2C数字输出，非常适合于NB-IoT应用场景。图3是MAX44009与STM32MCU通过I2C总线连接的电路图。其中AO为地址选择端，高电平时选择地址lOOlOllx，低电平时选择地址lOOlOlOx，本设计该引脚接地即低电平;INT为中断输出，由于本设计采用STM32 MCU周期性读取数据的方式，故没有使用该引脚。

2.3 WH-NB7 3-B8通讯模块电路

本设计采用WH-NB73-B8是一款透传版NB-IoT通讯模块，适用于中国电信、中国移动、中国联通三家运营商的NB-IoT网络，支持3GPP标准指令、UDP指令传输、CoAP指令传输、云服务、UDP透传、CoAP透传、心跳包、DTLS加密等。该模块内置了天线和SIM卡，可通过USART串口与STM32 MCU相连，进行数据传输。

2.4 STM32主控电路

本设计采用STM32最小系统板，主芯片采用STM32L151C8，该MCU是ST公司出品的高性能低功耗系列MCU之一，供电电压范围1.65V-3.6V，采用超低漏电工艺技术，使得MCU的运行速度和功耗与其供电无关;具有48个引脚、128kB程序Flash、lOkBRAM、8个16位定时器、2路USART、2路SPI、2路I2C和1路USB通信接口;内置16MHz和38kHzRC振荡器，使得电路无需外部晶振也能正常运行。该系列MCU可长时间运行在低功耗状态，具有周期性唤醒功能，快速唤醒时间低至4us，非常适合电池供电，且数据量较小、数据传输间隔周期较大，需要长时间（以年计）不更换电池的应用场合，例如本设计的环境监测系统。

为了尽可能降低功耗，本设计未使用外部晶振，而使用内部16MHz的MSI RC振荡器作为系统主时钟源，经160分频成lOOkHz供I2C外设使用，I2C采用低速率，可以稳定传输且降低功耗。MCU长时间处于停止状态，内部除RTC实时时钟（采用内部LSI 40kHzRC振荡器，低于luF电流）外，其余定时器全部停止计数，RTC实时时钟每隔30秒唤醒MCU，内部16MHz RC振荡器开始工作，主控程序正常运行，读取传感器参数，并上传至OneNet云平台。

为了进一步降低功耗，最小系统板上电后，IO端口全部初始化为无上拉的模拟输入模式，以降低漏电电流;USART的Rxd引脚设置成模拟输入模式，Txd引脚设置成开漏无上下拉输出模式;关闭中断源;MCU停止前关闭USART、I2C等所有外设，然后进入停止状态;当RTC时钟周期性唤醒MCU后重新初始化之前配置的10和外设设置。

图5是STM32主控电路图，采用最小系统板，其中VBAT为系统电源，使用2节AA或AAA电池供电;BOOTO和BOOT1引脚都接地，系统上电后默认从用户Flash启动。STM32L151C8通过I2C接口连接GY-BME280温湿度传感器、MAX44009光照强度传感器;通过USART串口连接WH-NB73-B8 NB-IoT模块。

3软件设计

3.1 0neNet接入流程

本设计采用中国移动物联网有限公司的OneNer方案，OneNet接入流程如图6所示。其中账号注册、创建产品、添加设备3个步骤需要用户在https：//open.iot.10086.cn/页面上进行操作，过程比较简单。账号注册时填写用户的个人信息;创建产品时，产品信息的联网方式须选择“NB-IoT”，协议须选择“LWM2M”;添加设备时填写“环境监测系统”，并添加WH-NB73-B8模块上的IMEI和IMSI号码;STM32主控程序完成接入流程中的上报数据步骤，将传感器参数上传至OneNet云平台;通过浏览器或中国移动的“和物”APP可以查看展示数据。

3.2上报数据

STM32主控程序完成接入流程中的上报数据步骤，其流程如图7所示。

4测试

完成上述开发后，编写相应程序，下载至STM32最小系统板，运行后成功将传感器测得的环境参数数据上传至OneNet云平台;通过浏览器或中国移动的“和物”APP可以查看展示数据，如图8所示。

参考文献

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