基于NB-IOT的室内环境监测和报警系统

谭汶易

（武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070）

1 引言

在现在的智能家居市场中，大部分智能家居系统只能实现检测功能，且检测数据也有较大的误差。本系统以NB-IOT为核心，解决数据传输云端的问题，以较低的成本实现了更加完善的功能。为解决一些安全隐患，本系统配置的报警系统在检测到有害气体浓度超标时，能够及时提醒用户。在最易发生事故的厨房，配备了检测和自动关闭天然气阀门的装置，同时用户可以通过云平台下发指令，远程关闭天然气阀门，降低火灾发生的概率。

2 总体设计

本设计主要由传感器采集系统、数据处理与传输系统、电源控制系统、无线通信系统、报警系统、自动关阀系统组成。数据处理与传输系统主要由Zigbee模块控制，电源控制系统采用自制的降压电路控制板，无线通信系统指NB-IOT模块和云端互传数据，报警系统主要包括声光报警和短信报警两部分，自动关阀系统通过步进电机来执行。

3 系统硬件设计

3.1 传感器控制部分

传感器主要用于实时监测室内情况，为单片机提供及时、准确的信息，使其做出最优判断。

温湿度采集部分使用STM8L051F3芯片和SHT20芯片控制的高精度传感器。温度测量精度0.3℃，湿度测量精度可达3%RH，单片机串口采集其输出的TTL电平，经过内部转换处理后可得测量的温湿度值。

气体传感器部分由DS-HCHO甲醛传感器、MQ-135传感器、天然气检测传感器、烟雾传感器组成。STM32F4单片机自带12位ADC接口，可以检测气体传感器输出的电压信号，气体浓度的大小与输出的电压值成正比关系，通过单片机内部计算后得到气体浓度。

为提高检测速度和精度，使用DMA传输方式采集电压。ADC采集并转换后的数值被保存到一个16位的规则通道数据寄存器中，通过DMA将其值读取并传输到通信模块，无需通过CPU进行传输，极大提高了检测效率。

3.2 Zigbee数据传输

Zigbee模块相较于蓝牙模块、wife模块，传输速率更快，价格更低。因此在本系统中，单片机通过串口与Zigbee连接实现数据互传。

3.3 电源和执行机构设计

为了避免因断电而致使设备无法使用的情况发生，本系统采用220 V交流电和12 V备用电池的双电源方案。通过开关电源将220 V电压转换为12 V电压输出，将锂电池供电部分接到备用接口，电源转换通过继电器控制，从而实现24 h不间断工作，增强了系统的稳定性。

由于本系统中所用传感器核心主控板的供电电压为3.3V、5 V。设计以TPS54360芯片、AMS1117芯片为核心电源控制板。

步进电机具有扭矩大，反应快速、精准的特点。步进电机的转向控制端与单片机的IO口连接，通过输出高低电平来实现其正反转。同时将单片机的PWM输出口与步进电机相连，通过改变输出的TTL电平来控制其转动的距离。

3.4 无线通信系统

在本系统中，以移远NB-IOT BC26模块作为通信模块，其具有超低功耗、安全性强、稳定可靠、低成本的优势，使用MQTT协议与云端互传数据。MQTT是一个基于客户端与服务器的用于发布和订阅消息的传输协议。传输数据稳定、快速，能适应低宽带、低开销的情况。

通过该模块与阿里云物联网平台连接，单片机通过串口与其互传数据。单片机通过发送AT指令建立和BC26模块间的通信，同时将卡号发送给模块，同时发送激活网络的指令，等待应答成功后，查询并保存当前的激活状态。等待模块网络激活成功，配置前景场景并激活，此时单片机发送指令控制BC26模块从MQTT服务器断开一个客户端，并将其网络关闭，同时将阿里云平台上配置的设备参数发送给模块，完成模块和云端的连接后，将MQTT客户端网络打开。此时，单片机向BC26模块发送传感器检测的数据，模块通过建立的MQTT协议将数据传输传送到云平台。

3.5 报警系统

3.5.1 声光报警

声光报警的设计部分主要由LED灯和语音播放模块两部分组成。当报警功能启动时，单片机控制LED快速闪烁，同时串口发送指令到语音模块，播放存放在SD卡中的录音。

3.5.2 短信报警

短信报警的设计部分主要由GPRS模块控制短信的发送。在本系统中，采用SIM800C模块，附着GPRS网络传输数据，具有传输距离远、传输速度快的特点。单片机与模块连接成功后，通过发送AT指令来实现控制。短信报警功能启动时，串口发送AT指令初始化SIM800C模块的短消息模式，设置短信为text模式，单片机将短信内容转成Unicode字符串存放到数组中。此时，单片机等待SIM800C模块应答，应答成功后，串口发送指令设置接收方电话号码和短信中心号码，将设置的短信发送出去。

4 系统软件设计

系统以STM32芯片为载体，通过keil软件编写程序。每次进入主程序时，通过接收各种传感器数据并进行处理，将数据通过MQTT协议传到用户操作的云平台。采集的数据与设定值进行比对分析，若检测的数据超过设定值，就会触发系统的两种报警方式，提醒用户。软件系统工作流程如图1所示。

图1 软件系统工作流程图

5 测试结果

测试系统工作的稳定性。各传感器正常工作，两块单片之间数据传输稳定，NB-IOT模块成功与阿里云物联网平台通信，实时传输数据。

6 结语

本系统以STM32F407、NB-IOT模块为核心，实现数据与云端的互传，配置多种传感器同时检测，使用Zigbee模块实现单片机之间近距离传输数据，供电方式采用双电源供电，实现24 h不间断运作，同时配备报警系统，解决用户居住的一些安全隐患。登录云平台，可以远程监控室内环境，支持查询历史数据。

随着智能家居行业的飞速发展，本系统成本低、可操作性强，可以在其基础上添加更多的功能，为保障人们生活的舒适、安全和便利提供一些新的发展方向。