NB-IoT温度监测系统设计

罗天舒 李源潮

（1.常州工学院计算机信息工程学院 江苏省常州市 213001）

（2.苏州科技大学电子与信息工程学院 江苏省苏州市 215009）

1 引言

在生产和生活中，温度对人们的影响很大，也是工业生产和社会生活中非常重要的一个基本工艺参数。温度监测是常见的需求。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即窄带物联网，在万物互联网络的浪潮中，NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，具备低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，只需要消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。借助其多种优势可以广泛应用于多种垂直行业，在家居安防、卫生医疗、工农业生产、交通管理、环境监测、智能监控等领域物联网均可得到了广泛应用。

2 系统总体设计

基于NB-IoT的温度监测系统由终端设备和物联网云平台组成，终端设备分为主控制器模块、温度采集模块和NBIoT通信模块三个部分，终端设备将温度信息处理，使用NB-IoT模块将数据通过LWM2M协议传输到物联网云平台，实现数据的实时传输。搭配本系统使用的物联网云平台为中国电信CTWing云平台，借助中国电信CTWing云平台的能力实现对温度信息采集的控制，实现终端设备与平台之间的数据传输，并通过平台创建手机应用程序，真正实现实时的温度监测功能。系统整体结构如图1所示。

图1：系统整体结构

3 系统硬件设计

3.1 主控芯片

本系统使用赛元SC95F8617单片机作为主控芯片，具有超高速1T8051 CPU内核，运行频率高达32MHz，集成有超级丰富的硬件资源，具有非常优异的抗干扰性能、高可靠性、大资源、多接口、低功耗、高效率等特点，非常适合应用于智能家电、工业控制、物联网(IoT) 、医疗、可穿戴设备、消费品等应用领域。

3.2 温度采集模块

本系统使用NTC热敏电阻作为测温组件，NTC热敏电阻器是一种以过渡金属氧化物为主要原材料，采用电子陶瓷工艺制成的热敏陶瓷组件。其电阻值随温度的升高而降低，根据这个特性可用来作为测温组件。将NTC热敏电阻串联在电路中，使用ADC采集其两端电压值，并根据其转化关系表得到最终温度值。因其体积小，不带引线，响应速度快，装入电子设备中所占空间小。本系统使用NTC热敏电阻测温范围-15~84℃，温度采集电路如图2。

图2：温度采集电路

3.3 NB-IoT通信模块

本系统选用的NB-IoT通信模块是上海移远公司的基于联发科MT2625芯片平台的BC26，它可同时支持全球频段，支持2.1V~3.63V的低供电电压，BC26模块使用LCC贴片封装，并具超小尺寸，其小尺寸可以很好的封装或安装连接到其他终端设备上。BC26有丰富可靠的外部接口，可以与其他设备使用串口连接，还有支持多种协议TCP/MQTT/LwM2M等，BC26具有广连接性，支持多家物联网平台的接入，支持中国移动、中国电信、华为、阿里等的物联网平台，在物联网应用中很受欢迎。

4 系统软件设计

4.1 系统主程序设计

系统主程序实现对软件复位，完成系统和各模块的初始化，协调各模块之间的工作，通过采集程序设定好温度传感器采集数据的周期和频率，采集到的数据通过NB-IoT模块上传到云平台。最后根据其设定的基础温度对比当前温度，判断当前温度是否超过设定温度，如果超过则进行声光警示。程序流程如图3所示。

图3：主程序流程图

4.2 温度采集模块程序设计

NTC热敏电阻与主控芯片ADC引脚相接，在使用ADC进行采样时，当NTC热敏电阻的阻值随温度改变时，ADC所采集的数据亦随之改变，由热敏电阻的温度特性可通过当前ADC采集的数值求得当前的温度值。首先需要将ADC进行初始化，接着多次进行ADC采样，然后进行A/D转化去掉最大最小值取其平均数，最后读取最终结果。

ADC转化完成需要等待中断标志位为1，手动清除标志位，先高位后低位的从ADCVH、ADCVL获得12位数据，一次转换完成。重复10次，去掉最大值和最小值取平均值。

SC95F8617有12位高精度的ADC，12位无符号数取值范围0~4095，而ADC引脚采集NTC与电阻R8之间电压，在程序中定义ADCValueToTemp数组，通过该数组将ADC值转化为温度值。ADCValueToTemp数组用表1表示。

表1：ADCValueToTemp表（-15~84℃）

4.3 NB-IoT模块程序设计

BC26使用LWM2M协议接入电信物联网平台。LWM2M协议栈结构如图4所示，是OMA定义的一种物联网协议，主要用于资源有限的窄带物联网终端。LwM2M将设备上的服务抽象为对象和资源，并在XML文件中定义各种对象的属性和功能。CoAP是IETF定义的Constrained Application Protocol，用来做LwM2M的传输层，下层可以是UDP或者SMS，UDP是必须支持的，SMS可选。DTLS用来保证客户端和服务器间的安全性。

图4：LwM2M协议栈

终端设备要与电信云物联网平台进行数据交互，首先要完成NB-IoT模块的初始化，并插入AT指令封装，通过调用AT指令，检查BC26的状态（卡号、激活网络、获取网络状态等）。接着对BC26进行平台注册，让终端设备在平台注册才可以进行数据交互。平台注册同样是插入AT指令封装，通过调用AT指令，让BC26在电信云物联网平台注册。主要获取BC26的IMEI号，填入IMEI号，因为LWM2M协议要求填入IMEI信息，开启连接，设置上下数据格式。在程序工作中BC26要在每段时间内将温度信息上传，发送到云平台。BC26在接收指令并执行相关操作后，会通过串口返回反馈字符，方便查看BC26执行指令情况。主要使用的AT指令如表2所示。

表2：AT指令

4.4 电信物联网平台

中国电信物联网开放平台是中国电信倾力打造的，聚集了智能终端管理、应用开发和运行服务、在线应用模板等服务提供。电信物联网开放平台降低了终端设备接入和应用开发的门栏，提供了终端设备以及物联网应用的管理，并且提供许多解决方案，为终端开发商、个人开发商等提供服务和技术支持。用户在注册并成功登录平台，进入控制台创建产品完成设备的接入，以及后续的应用开发。基于中国电信物联网开放平台的开发流程如图5所示。

图5：平台开发流程

5 系统测试

硬件设备参数配置完成，并且将设备入网，登录电信物联网平台查看设备状态，查看设备是否在线，在电信物联网平台还可以查看设备的ID、设备状态、设备认证信息等。

终端设备成功入网，BC26模块初始化成功接收AT指令，终端设备会按照事先设定好的指令工作，主控芯片会将ADC采集的温度信息通过串口发送给NB通信模块，然后将数据上传到电信物联网平台。用户登录平台进入数据查看页面，可以查看数据详情。平台数据查看页面会显示实时上报的温度数据如图6所示。

图6：温度数据

在终端设备一步一步测试完成之后，将进行设备与手机应用的联合调试，手机应用部署在AEP平台中，可以方便调用平台的能力。将设备重新连接，并重新检查一下线路是否由松动，检查完毕之后，打开手机应用同时打开平台提供的虚拟设备测试服务，对照试验，检查终端和虚拟设备端上传数据和接收指令是否不一致。调试结果如图7所示。

图7：联合调试

6 总结

NB-IoT技术是物联网技术的一个重要分支，近几年物联网行业主要研究方向和重点就是在这，凭借着其低功耗、低成本、广覆盖、多连接等优点在各个领域脱颖而出。本系统将NB-IoT技术应用于温度监测，使其具有实时监测的能力，得益于与物联网平台连接，借助平台能力开发手机应用程序，方便人们使用。本系统设计结构简单，设计成本低廉，系统运行温度可靠，后续可以通过软硬件结合向其添加更多功能，实现更多的环境监测。