基于NB-IoT 的环境监测系统

聂 珲，陈海峰，周 豪

（西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121）

随着“十二五”规划的稳步推进，“智慧城市”的建设也稳中求进。目前已经迸发出大批智慧型产业，如智慧健康、智慧校园、智慧金融、智慧零售、智慧农业等，这些产业的出现得益于物联网技术的兴起。其中窄带物联网技术正以迅猛的速度发展，相比3G网络、4G 网络、GPRS[1]、Wifi 技术、LoRa 技术[2]、Zigbee 技术等，它具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点[3-4]。因此，基于物联网技术的环境监测系统也应运而生[5]。

环境监测系统在监测、分析、治理和保护环境质量方面起着至关重要的作用，基于物联网技术的环境监测系统解决了环境监测单一、布线复杂、传输能力差、耗时费力等缺点[6-7]。文献[8]基于Zigbee 协议对工业环境温湿度进行监测，单纯地采集温湿度环境量，难以体现工业环境质量的好坏；文献[9]中设计的室内环境监测系统使用星型网络结构，利用主从收发方式对室内环境数据进行监测，输出方式过于复杂；文献[10]中使用Wifi 无线传感器将采集到的农业监测数据上传到云平台，限制了传输距离；文献[11]使用GPRS技术来监控农田环境，很大程度上限制了数据上传的速度，降低了系统的传输成功率。

通过对上述环境监测系统的分析和研究，本文设计了一种基于窄带物联网的环境监测系统。以STM32F103C8T6单片机为微控制器，其中温度和湿度值通过单总线协议读取，甲醛、TVOC（总挥发性有机化合物）和粉尘含量则是通过串行端口收集，并配备OLED 液晶屏显示相关数据；通信模块采用中移物联M5310A，采集的环境数据通过AT 命令使用LwM2M 协议上传到OneNET 云平台[12]；用户通过手机APP（应用程序）或网页实时查看环境监测数据。

1 系统架构体系

根据物联网的分层技术，环境监测系统的总体架构分为感知层、传输层、平台层和应用层[13]，该系统总体架构如图1 所示。

图1 系统总体架构框图

其中感知层通过温湿度、甲醛、TVOC、粉尘传感器采集外部环境数据；传输层使用NB-IoT 技术通过基站为感知层和平台层之间建立“桥梁”；平台层通过OneNET 云平台接收检测到的环境数据；应用层实现使用手机APP 或网页实时查看环境数据[14]。

2 硬件系统设计

硬件系统主要由STM32 单片机最小系统及外围电路[15]，温湿度、甲醛、TVOC、粉尘数据采集电路，OLED 液晶显示电路，阈值警报电路和NB-IoT 通信电路组成。硬件系统框图如图2 所示。

图2 硬件系统框图

硬件电路工作原理是：主控制器STM32F103C8T6采用单总线协议读取温湿度传感器数据，采用串口协议读取甲醛、TVOC 和粉尘传感器的数据，并用OLED液晶屏显示相关数据；如果环境值超过标准，阈值警报电路将发挥作用；最后将采集到的环境数据通过NB-IoT 通信电路传输至OneNET 云平台。

2.1 STM32 最小系统

STM32 系列32 位单片机具有高性能、低功耗、低成本的特性。STM32F103C8T6 程序存储容量64 kB，电源电压2～3.6 V，工作温度-40～85℃。嵌入式单片机的最小系统由主控芯片、电源电路、时钟电路、复位电路组成。其最小系统如图3 所示。

整个系统采用USB 接口供电，通过ASM117-3.3 正向低压降稳压器将5V 电压转换成单片机能正常工作的电压3.3V。

2.2 温湿度采集电路

目前市场上的温湿度传感器种类繁多，通讯方式也各具特色。本文选用响应速度快、能耗超低、传输距离长、抗干扰能力强的DHT22 数字温湿度传感器，其内部包含电容式感湿元件和高精度测温元件，应用专用的数字模块采集技术在内部将模拟信号转换成数字信号输出，精度比DHT11 更高[16]。因为传感器采用标准数字单总线输出，所以只需将数据引脚外接5.1 kΩ上拉电阻即可。其中温湿度传感器实物图和采集电路如图4 所示。

2.3 甲醛采集电路

甲醛传感器选用电化学甲醛模组ZE08-CH2O，利用电化学原理检测空气中的CH2O，具有良好的选择性和稳定性，同时内部配置了温度传感器对温度进行补偿。该模组的主要特点是高灵敏度、低功耗、高分辨率、优秀的抗干扰能力和卓越的线性输出，其次它提供通用异步收发器、模拟电压信号、脉宽调制波形和其他输出模式。系统选用的是UART（通用异步收发器）输出模式，其通讯命令分为主动上传式和问答式两种，用户可以根据需求自行设置。甲醛传感器实物图和采集电路如图5 所示。传感器采用出厂默认的主动上传通信方式发送数据位，所以电路图中只使用了一根传输线。

图3 STM32F103C8T6 最小系统

图4 温湿度传感器实物图和采集电路

图5 甲醛传感器实物图和采集电路

2.4 TVOC 采集电路

TVOC 传感器选用型号为KQM2800A 的高性能、低功耗模块，内部集成12 位高精度模数转换芯片，内置良好的傅立叶变换和分类算法，出色地抑制了各种因素引起的传感器漂移。此模块具备实时零点标定、自动温湿度补偿等功能，其中数据输出方式有UART通信方式和I/O(输入、输出)口分级输出方式。系统选用UART 通信方式对TVOC 数据进行采集，实物图和采集电路如图6 所示。

图6 TVOC 传感器实物图和采集电路

2.5 粉尘采集电路

选用ZPH01 粉尘传感器，它采用先进的PM2.5(细颗粒物)检测机理，内部检测单元运用粒子技术原理，可灵敏检测到直径为1 μm 以上的粉尘颗粒物。通信方式同样为UART，实物图和采集电路如图7 所示。

图7 粉尘传感器实物图和采集电路

2.6 NB-IoT 通讯电路

NB-IoT 通讯电路由中移物联M5310A 模块、电源电路、天线插座电路、复位电路及SIM 卡座电路组成。采用电源芯片LD39200 为M5310A 提供稳定的发射电流，防止因电流供应不足导致设备离线。其通信方式为UART，并添加手动复位电路，电路设计如图8 所示。

图8 NB-IoT 通讯电路

2.7 串口数据采集电路

STM32F103C8T6 单片机共有3 个UART 串口，其中UART1 用作打印输出，为系统提供检查纠错的功能；UART3 用于与NB-IoT 模块进行通信，使设备能够注册上线、上传数据、下发指令和注销下线等；因此UART2 需要用来接收甲醛、TVOC 和粉尘传感器的数据。系统使用八选一数选器74HC151 对串口进行扩展，设计电路如图9 所示。

图9 串口数据采集电路

3 软件系统设计

基于NB-IoT 的环境监测系统软件设计主要分为传感器数据采集程序和NB-IoT 模块数据发送程序两部分，采用的都是串口中断服务。软件主要是对各传感器进行初始化并将它们的数据通过NB-IoT 模块上传至OneNET 云平台，总体流程如图10 所示。

3.1 传感器数据采集软件设计

因为温湿度传感器使用单总线协议，所以使用I/O口设置相关程序。程序的关键是读取数据时把数据总线SDA 拉低的时间必须符合传感器响应的时间，其软件设计流程如图11 所示。

图10 软件设计总体流程图

图11 DHT22 程序流程图

甲醛、TVOC、粉尘传感器都是采用UART 通信方式，主要区别就是数据位所在的比特位不同，所以统一设计它们的程序流程，如图12 所示。

图12 串口数据采集程序流程图

3.2 NB-IoT 模块软件设计

中移物联M5310A 模块采用LwM2M 协议将环境数据上传至中国移动物联网云平台OneNET，其中设备注册上线、数据上传、指令下发和设备注销都是通过串口发送AT 指令控制。串口中断采用DMA(直接存储器访问)方式，目的是为了减轻CPU 的负担，提升系统的运行速度，具体流程如图13 所示。

图13 NB-IoT 模块程序流程图

3.3 OneNET 云平台

环境监测系统使用中国移动OneNET 云平台，它为用户提供多种传输协议、各类硬件终端的快速接入方案和设备管理服务、丰富的API 和数据分发能力。目标是在物联网应用和真实设备之间建立一个高效、稳定和安全的应用平台。其中每个NB-IoT 模块都需要配备一块SIM 卡，通过IMEI 号注册相关设备，建立设备和云平台之间的连接。

4 系统实验结果

为了验证此环境监测系统采集数据的准确性和上传数据的稳定性，将设计好的系统上电后对比OLED液晶屏显示的数据和OneNET 云平台接收到的数据，观察数据是否传输一致。其中OLED 液晶屏显示数据如图14 所示，OneNET 云平台数据如图15 所示。

图14 OLED 液晶屏数据

图15 OneNET 云平台数据

通过测试数据比对，环境监测系统的数据采集和上传功能实现正常。通过观察发现OneNET 云平台显示数据上传的时间间隔在2 s 之内，说明NB-IoT 模块和OneNET 云平台之间通信正常。其中网页版和手机APP 显示的环境监测数据分别如图16 和17 所示。

图16 网页版数据显示

图17 手机APP 数据显示

5 结语

本文设计的基于 NB-IoT 的环境监测系统以STM32F103C8T6 微控制器为核心，搭载中移物联的低功耗、高性能M5310A 通信模块。主控制芯片采用单总线协议和UART 协议采集温湿度、甲醛、TVOC、粉尘传感器数据。收集到的环境数据通过串口控制M5310A 经基站上传到OneNET 云平台。用户可以通过网页客户端和手机APP 实时查看相关环境数据，及时了解当前的环境质量。该系统改善了传统环境监测系统组网方式复杂、传输距离短、覆盖面极低、功耗高的缺点，为基于物联网的环境监测系统的发展提供了参考。