基于物联网及云平台的工厂环境远程监控系统*

亓晓彬，张晓东

（广州铁路职业技术学院，广州 510430）

0 引言

为了对工厂中各种有害、易燃、易爆的粉尘、气体等进行监测，减少类似事故的发生，设计本监控系统。传统工厂无环境监控或仅有现场集中监控，受到时间、空间的限制，作用效果不理想[1]。本文以最新低功耗广域物联网（LPWAN）LORA和NB-IOT技术为基础，利用机智云平台，设计出一种适用于大空间范围的环境监控系统，克服了时空的限制，随时随地进行访问，这样能及时发现问题并报警处理，可有效防止类似事故的发生。

1 物联网低功耗广域网技术

物联网（IOT,Internet of Things）即物与物相连的网络，传统物联网主要有蓝牙、ZigBee、WiFi等无线通信技术，但其有效距离短、功耗大，不适合远距离、低功耗的物联场合，严重限制了物联网的应用推广。于是，低功耗广域网技术（LPWAN，Low Power Wide Area Network）应运而生，它克服了传统物联网的缺点，并可实现海量连接，其两大主流技术为LORA和NB-IOT，已广泛应用于环境监测、物流、农畜牧业等场合[2]。

LoRa（Long Range Radio）是Semtech公司创建的低功耗广域无线网标准，采用1 GHz以下的免费频段、自组网通信，通过GFSK调制和扩频通信相结合，使其理想情况下的通信距离达到15 km，电池可用10年[3]，适合于远距离、低功耗的物联场合。窄带物联网NB-IOT（Narrow Band Internet of Things），是一种蜂窝移动网络技术，相较于传统的无线通信，具有覆盖广（相同频段下，比现有移动网络增益20 dB，等于提升了100倍的覆盖能力）、传输距离长（只要有手机信号的地方即可连接上网）、海量连接、低功耗等特点[4]，并且因为三大电信运营商的大范围商用部署，可通过NB-IOT模块（经由运营商基站）直接连接至物联网云平台[5]。

LORA技术成熟、可自组网、成本低（只需设备一次性投入），可用于远距离的局域网络连接；NB-IOT为国内各电信运营商部署推广，信号翻盖范围广，可直接连接上云，便捷可靠。两者各有特点和适用场合，必将长期共存[6]。设计LORA和NB-IOT相结合的工厂环境远程监控系统，恰好利用二者优势，事半功倍，具有广阔的应用前景和现实意义。

2 系统总体设计

如图1所示，本系统主要由LORA终端、LORA集中器、NB-IOT模块、机智云平台、PC主机及智能移动电话终端等组成。系统采用星型拓扑结构，具有结构简单和低功耗的特点[7]。

从功能上可将整个系统分为3层：感知层、传输层及应用层，如图2所示。感知层为安置在厂区各处的LORA终端系统，每个LORA终端包含了对应各环境参数的传感器组、STM32核心控制板、LORA无线通信模块、相关接口。传感器对各种环境信息进行采集后，STM32板将数据进行分析处理并通过LORA模块无线汇集到LORA集中器[8]。传输层主要包括LORA集中器组、NB-IOT模块和RS485总线等，负责感知层和应用层之间的远程信息交互。应用层包括机智云平台、智能终端、监控主机等，主要用于存储、分析、监控各环境数据。监控主机用于现场的监控；机智云平台和智能终端共同实现远程监控，突破了时间空间的限制。

图1 系统总体构成

图2 STM32控制板、LORA终端、LORA集中器的功能构成

2.1 感知层系统

感知层主要完成现场各环境参数的信息采集、处理、上传等任务，并执行云端或上位机下发的相关控制命令。该层由分布于监测空间各处的多个LORA终端系统组成，LORA终端以STM32控制板为核心，搭载传感器组、LORA通信模块。

2.1.1 传感器组

由各种环境参数对应的检测传感器组成，并可根据具体场合进行增减。主要由温湿度传感器、光照强度传感器、空气粉尘浓度传感器（检测空气中的灰尘烟尘和雾霾颗粒等）、可燃气体传感器、毒性气体（如CO、煤气、液化石油气等）传感器等[9]。各传感器的型号对应为：DHT22、BH1750FVI、GP2Y1010AU0F、MQ-5、MQ-9。

（1）电路连接

因篇幅所限在此仅以温湿度传感器为例进行介绍。DHT22为含有已校准数字信号输出的温湿度复合型数字式传感器，其温湿度数据均为16 bit，采用单总线串口通信、单列4针脚封装，便于嵌入式系统集成。模块具有体积小、功耗低、传输距离长、稳定可靠等特点，非常适合本设计的需要[10]。DHT22供电电压为3.3～6 V，同时考虑其单总线双向通信的需要而选用STM32控制板通用双向IO口与之连接，如图3所示。

图3 DHT22连线图

（2）数据格式

图4 STM32板最小系统图

DHT22采用单总线数据格式。DATA引脚用来与微处理器进行同步和通信，一次通信时间5 ms左右，传输数据40 bit，高位在前，低位在后，具体格式为：16 bit湿度数据+16 bit温度数据+8 bit校验和，程序代码依据此格式进行时序控制与数据处理。其中，8 bit校验和为16 bit湿度数据和16 bit温度数据拆分为高、低4个字节，然后求和，取和的低8 bit。例如，湿度数据：0000 0011 1000 1100；湿度数据：0000 0001 1010 1110；则8bit校验和为0000 0011+1000 1100+0000 0001+1010 1110结果的低8 bit，为0011 1100；于是最终40 bit数据为：0000 0011 1000 1100 0000 0001 1010 1110 0011 1100。

（3）通信时序

DHT22为从机工作模式，空闲时总线为高电平，用户主机（STM32）发送一次低电平开始信号将DHT22从低功耗模式唤醒到高速模式。主机开始信号结束后，DHT22首先发送一个80 μs左右的低电平响应信号；随后拉高80 μs并进入40 bit的数据传送过程。每bit数据由50 μs的低电平和一个高电平组成，低电平代表数据位的开始，高电平长度代表数据位的值，较长的高电平代表1、较短的高电平代表0。

2.1.2 STM32控制板

STM32为LORA终端和集中器的控制核心，本设计选用ST公司Cortex-M3架构的32位主流ARM芯片STM32F103RCT6，其供电电压2～3.6 V，为64脚LQFP封装，内部集成256 kB的FLASH程序存储器和48 kB的RAM存储器，自带CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB等多种多个通信接口，非常适合与各类型传感器和通信模块的嵌入式连接[11]。

STM32板最小系统，包括电源、晶振、复位电路外，还需进行如下处理：（1）BOOT0和BOOT1经10 kΩ下拉电阻接地；（2）电池供电的BEAT引脚经100 μF电容上拉到3.3 V；（3）模拟量引脚VDDA和VSSA分别经0R磁珠与3.3 V和GND连接，并在两引脚间并联104电容。上电复位电路采用X5043芯片，同时用于数据的断电存储。如图4所示。

因为LORA终端系统需要用到基本的继电器输出，用于掉线、参数超标等的声光报警或向风扇、空调等发出控制信号，所以，设计其继电器输出电路如图5所示，该电路采用光电耦合器PC817进行内外电路系统的光电隔离，可大大提高系统的抗干扰能力。

图5 继电器输出电路

2.1.3 LORA通信模块

LORA终端的无线通信功能通过ATK-LORA-01模块来实现，该模块采用基于LORA技术的SX1278扩频芯片并集成32位高性能MCU，具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点。模块收发同体（模块可设置为发送或接收端），通过AT指令实现功能配置、通信控制和模式选择等；使用433 MHz免费工业频段，自组网通信，不会产生通信费用[12]。LORA终端与LORA集中器通过各自的ATK-LORA-01模块进行无线通信。ATK-LORA-01模块与STM32核心控制板的接口连接如图6所示。

图6 STM32板与ATK-LORA-01的接口连接

2.2 传输层系统

传输层主要功能为LORA本地系统内的信息无线收发，LORA集中器与现场主控电脑的通信，LORA集中器与云平台的连接等。具体系统为LORA集中器，如图2所示。包括STM32板与LORA模块的连接、STM32板与主控电脑的RS485接口设计、STM32板与物联网云平台间的NB-IOT连接设计等。因为传输距离、功能要求等不同，本系统有两种无线网络部署：本地各LORA终端、LORA集中器之间的LORA无线网，LORA集中器与云平台之间远程连接的NB-IOT网络。

2.2.1 集中器的LORA模块

集中器的LORA模块主要负责与各LORA终端进行通信，收集各终端设备采集的环境数据并发送相关控制信号。具体为STM32板与ATK-LORA-01模块的连接和控制，如图6所示。其中STM32板、ATK-LORA-01模块及其相互连接与LORA终端设计相同，只是STM32程序和ATK-LORA-01模块的控制逻辑根据具体功能而不同[13]。

2.2.2 RS485总线接口

图7 集中器的RS-485接口

LORA集中器通过RS-485总线（差分信号传输、抗干扰能力强）将各终端数据上传给现场监控主机，并接收主机下发的相关指令。STM32板的RS-485总线接口如图7所示。

2.2.3 NB-IOT模块的接口电路

窄带物联网NB-IOT受到国内三大电信运营商的大力推广和全面部署，其信号覆盖范围甚至超过了手机信号，它的出现使物联网通信得以突破空间的限制，有信号覆盖的任何地方都可以通过NB-IOT模块与物联网云平台进行数据传输，并可通过远程网络终端进行监控[14]。在此选用NB-IOT模块型号为WH-NB73，具有资料详实、接口简单（WH-NB73模块与STM32板之间通过串口和AT指令进行连接）、稳定可靠等特点[15]，模块及串口连接电路如图8所示。

图8 WH-NB73模块电路及与STM32板的串口连接电路

2.3 应用层系统

应用层主要包括工厂环境的现场监控和远程监控两部分。其中，现场监控系统采用LabView设计功能界面，监控主机经USB-485转换模块与LORA集中器的RS-485总线接口连接进行监测数据和控制信号的传输，从而实现工业现场的环境监控。而工厂环境的远程监控则通过物联网云平台及智能终端APP联合实现。

2.3.1机智云平台应用

随着物联网技术的飞速发展，各种物联网云平台不断涌现，但它们的功能强弱有别、使用门槛高低不同，具体应根据实际情况选择，本设计采用机智云平台。

机智云是同时面向企业和个人开发者的、从智能硬件接入到应用管理的全生命周期的物联网云服务平台。平台能自动生成已封装设定协议的MCU代码（只需进行数据节点和相关逻辑的编写），提供APP开发的SDK代码或APP成品Demo，提供直连机智云的相关通信模组固件，如此大大降低了物联网应用的技术门槛，并使开发效率得到极大提高[16]。

2.3.2 智能终端APP

智能终端用来实现整个工厂环境的远程监控，其基本工作流程如下。（1）APP接收现场数据：设备上报数据—运营商IOT平台—机智云平台VAPP智能终端。（2）APP下发控制数据：APP智能终端—机智云平台—运营商IOT平台—现场设备。

在此以4盏LED灯的远程监控（LED1-LED4最终控制为亮亮灭亮）为例，具体开发步骤：注册并登陆机智云—进入开发者中心—创建产品—创建所需数据点（图9）—生成并下载MCU代码—生成APP（APP的SDK代码或直接用其Demo APP）—在下载的MCU代码中添加数据处理及逻辑代码—智能终端安装APP并联网—系统调试。

其中，系统调试可分段进行，首先是手机APP与机智云平台的数据交互，如图10所示；然后是移动电话对实物电路板的控制，如图11所示；最后是整个系统的功能调试。

图9 机智云平台中创建数据点

图10 移动电话AAP通过移动网络与机智云平台数据交互

图11 智能硬件至移动电话终端APP的完整系统监控示例

3 结束语

本文设计了一种基于LORA、NB-IOT技术与机智云平台的工厂环境远程监控系统，给出了系统的整体结构，分别对感知层、传输层和应用层进行了设计，包括各种传感器、STM32控制板、LORA通信、NB-IOT通信、机智云物联网平台、智能终端APP等。系统设计合理，功能稳定可靠，充分利用了当前新技术新理念，实用性和可推广性强，通过实际测试能够达到实用要求。