基于NB-IoT的智能控制器设计

吴旦钧 孟莉莉

摘要：为了实现分布式污水处理设备的联网管理，本文设计开发了基于NB-IoT的物联网智能控制器。该控制器适用于分布式污水处理设备的运行控制，物联网平台的接入，可便捷实现分布式污水处理设备信息系统的构建，对提升生活污水的运维工作有着十分积极的意义。

关键词：NB-IoT;STM32;智能控制器;物联网

中图分类号：TP273 文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

0引言

NB-IoT（Narrow Band Internet of Thing）窄带宽物联网是基于3GPP（3rd Generation Partnership Project）规范的网络通信技术，相比传统的移动网络（2G/3G/4G），具有覆盖面广、海量连接、低功耗、安全性高等多种优点，在智能水表、智能路灯和智能烟感等分布式监控行业已经有成功应用的经验，非常适用于分布式的污水处理设备的联网管理。

本文设计的基于NB-IoT技术智能控制器，采用国内运营商商业化的物联网平台，以STM32 ARM控制器为内核，实现污水处理设备的运行控制、传感器数据和设备运行状态数据的采集，并通过应用程序调用物联网平台的数据，实现污水处理终端的联网管理。

1系统整体架构组成

基于NB-IoT的智能控制器系统主要包括底层设备层，平台层和应用层。其中底层设备层主要包括智能控制器和与其相连接的设备、传感器;平台层主要包括可供设备的接入的NB-IoT基站和物联网平台;应用层主要包括在电脑终端或者手机终端运行的应用程序。基于NB-IoT的智能控制器系统网络架构如图1所示。

智能控制器控制水处理设备的运行，并采集传感器和设备的状态，通过NB-IoT的基站上传到物联网平台层;物联网平台通过订阅的方式将数据提供给用户，用户可以通过电脑端或者手机端的应用程序进行数据的监控。同时平台也可以进行控制指令的下发， 实现应用程序对设备的远程控制。

2智能控制器硬件设计

2.1 智能控制器硬件功能设计

智能控制器由电源模块、控制器、传感器接口、NB-IoT模组、设备驱动模块组成。控制器设计框图如图2所示。

系统电源采用三级设计，由家用220V电源供电。初级电源采用AC-DC模块LDB2405将220V交流电源转换为24V直流电源，且该模块具有较好的EMC性能，可以实现EMC EN55032 CLASS B标准。后级通过78L05和LM1117-3.3分别实现24V转5V、5V转3.3V，为控制器各功能模块工作提供电源。

2.2 主控制器电路设计

主控制器采用意法半导体公司STM32F1系列单片机，处理器基于ARM COTEX-M3的处理器，工作电压3.3V，工作主频可达到72MHz，同时具有串口、ADC、GPIO等丰富的外设，工作性能稳定。主控制器原理图如图3所示。

2.3 NB-IoT接入网络设计

NB-IoT接入网络设计包括NB-IoT模块、USIM卡和天线组成。系统采用利尔达NB-IoT模块NB86-G设计，采用3.3V供电，支持3GPP标准，支持多频段IoT接入，内嵌CoAP、UDP和IP等网络协议。NB-IoT模块NB86-G和主控制器MCU通过USART接口连接，并要求配有USIM卡和射频天线。NB-IoT网络接入电路如图4所示。

2.4设备接入电路设计

设备接入电路设计主要包括固态继电器、隔离光耦两个部件。主控器MCU的IO控制信号通过光耦TLP521-1进行隔离，并驱动固态继电器HF32FA-G工作开启设备，单路设备驱动能力可以达到2A。

2.5 采样接口电路设计

采样电路包括液位开关量信号的采样和流量计模拟量信号采样。其中液位开关量信号采用TLP521光耦隔离器隔离后连接至MCU的数字输入接口采样;流量计模拟量信号则通过分压采样电阻连接到MCU的ADC端口进行采样，采样电阻精度必须到达千分之一。

3系统软件设计

智能控制器通过MCU实现全局的控制。控制器通过定期采集传感器数据实现设备的自动化控制，并定期上传数据到物联网平台。控制器工作流程如图5所示。

智能控制器上电后进行外设的初始化和NB-IoT模块的初始化，控制器循环周期采集一次传感器数据，通过数据分析计算来进行处理设备的控制，其中水泵的开启根据进水水位高低进行判断，并要求当日进水流量小于污水处理设备的设计处理能力;风机和加药装置采用时段工作，满足工藝运行的要求。系统每15分钟向平台传送一次控制器的状态和传感器数据，其中NB-IoT模块工作于eDRX工作模式，可以用较少的心跳帧来实现设备长时间在线，单次心跳可实现24小时在线。

4 平台应用的开发

平台采用MVC（Model View Controller）思想设计，用户通过权鉴登陆平台应用和物联网平台进行通信。系统可以实现控制器数据的查询、设备的控制和设备控制命令的下发。应用程序主控界面如图6所示。

将智能控制器接入流量计和污水处理的各类设备，连接到物联网平台，通过7天时间的平台观察和操作实验。发现控制器控制功能完善、监测数据准确，运行稳定，满足分布式污水处理监控的要求。

5结语

本文设计的智能控制器设计合理，采用合适的物联网通信技术，非常贴合分布式污水处理使用，已经在浙江等地进行了项目应用。

参考文献

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收稿日期：2019-06-28

作者简介：吴旦钧（1984—），男，浙江嘉兴人，本科，中级工程师，研究方向：物联网应用。

：铁道运输。