基于NB-IoT的環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐仲 孫先松

摘 要：文中介紹了窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一套基于NB-IoT技術(shù)的環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將STM32微控制器作為核心，搭配N(xiāo)B-IoT模組和溫濕度傳感器，并選用中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)工作云平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫濕度采集并上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能。經(jīng)測(cè)試，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在成功上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后可以折線(xiàn)圖的形式展示。該系統(tǒng)可為利用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)提供參考。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;STM32;溫濕度;OneNET;可視化;網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2020）02-00-03

0 引 言

作為一門(mén)新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT正廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要有如下四點(diǎn)。

（1）通信范圍廣。具體體現(xiàn)在終端網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和信號(hào)的深度覆蓋兩方面[1]。NB-IoT終端網(wǎng)絡(luò)擁有保護(hù)帶、LTE帶內(nèi)部署以及獨(dú)立部署3種部署方式[2]，終端網(wǎng)絡(luò)可包含已有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。NB終端發(fā)射功率有所提升，信號(hào)的穿透能力增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的深度覆蓋。

（2）終端可移動(dòng)工作。NB-IoT技術(shù)以蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，通信方式符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)[3]，3GPP協(xié)議支持NB終端在不同通信基站間進(jìn)行連接切換，所以終端可移動(dòng)工作。

（3）系統(tǒng)功耗低。NB-IoT引入了PSM和eDRX等非持續(xù)連接模式，使物聯(lián)網(wǎng)終端在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，以達(dá)到降低終端功耗的目的[4]。

（4）目前，有多種物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)支持NB-IoT模塊工作。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)不僅功能強(qiáng)大，還可以減少開(kāi)發(fā)人員的工作量，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)兩部分組成。其中，監(jiān)測(cè)終端由三個(gè)模塊構(gòu)成，分別為微控制器模塊、傳感器模塊和NB-IoT模塊（含發(fā)射天線(xiàn)）。系統(tǒng)搭配的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT的典型網(wǎng)絡(luò)由行業(yè)終端+NB-IoT模塊、NB-IoT基站、核心網(wǎng)、IoT平臺(tái)構(gòu)成[5]，本系統(tǒng)遵循該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

監(jiān)測(cè)終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，通過(guò)空口連接到NB-IoT基站。當(dāng)終端開(kāi)機(jī)或進(jìn)入覆蓋區(qū)域后，通過(guò)讀取系統(tǒng)消息獲得公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)列表并完成注冊(cè)[6]，最終附網(wǎng)成功。NB-IoT基站匯聚終端上傳的數(shù)據(jù)，并通過(guò)S1接口連接到NB-IoT核心網(wǎng)。現(xiàn)有的核心網(wǎng)主要面向人與人之間的通信，與物聯(lián)網(wǎng)的要求差異很大[7]。NB-IoT核心網(wǎng)由MME，S-GW，P-GW，SCEF四部分組成，其功能是將不同種類(lèi)的數(shù)據(jù)分配到不同路徑處理。OneNET云平臺(tái)是PaaS物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)NB終端與平臺(tái)間的數(shù)據(jù)上傳和下發(fā)功能。OneNET云平臺(tái)采用基于NB-IoT的LWM2M協(xié)議和CoAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)NB終端與平臺(tái)間的通信。LWM2M和CoAP都是NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋[8]。

3 系統(tǒng)硬件組成

3.1 微控制器模塊

本系統(tǒng)選用的微控制器為STM32F1系列單片機(jī)，其內(nèi)核為32位的Cortex-M3，配備的外部高速時(shí)鐘（HSE）為12 MHz。外圍電路包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、JTAG下載調(diào)試電路[9]。

3.2 溫濕度傳感器模塊

本系統(tǒng)選用的溫濕度傳感器型號(hào)為SHT20。模塊采用I2C協(xié)議與微控制器通信，測(cè)量精度由用戶(hù)編程設(shè)置。SHT20所測(cè)得的濕度值為國(guó)際定義的基于液態(tài)水的相對(duì)濕度。SHT20溫度測(cè)量范圍為-40～125 ℃，濕度測(cè)量范圍為0～100%RH。SHT20模塊引腳接線(xiàn)如圖2所示。

3.3 NB-IoT模塊

系統(tǒng)選用的NB-IoT模塊為中國(guó)移動(dòng)M5310模組，該模組采用華為海思Hi2110芯片，內(nèi)置CoAP/LWM2M等協(xié)議以及擴(kuò)展的AT指令。模組工作的上行頻率為880～915 MHz。

模組在使用時(shí)需要購(gòu)買(mǎi)電信運(yùn)營(yíng)商的NB流量卡，每張NB流量卡具有唯一的IMSI號(hào)，NB-IoT核心網(wǎng)通過(guò)IMSI號(hào)對(duì)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別[10]。NB-IoT模塊接線(xiàn)如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 SHT20模塊編程

SHT20模塊程序代碼函數(shù)：

溫度測(cè)量函數(shù)和濕度測(cè)量函數(shù)均包含啟動(dòng)測(cè)量、讀取測(cè)量結(jié)果和計(jì)算測(cè)量數(shù)值三個(gè)部分，經(jīng)計(jì)算后，溫度的單位為攝氏度，濕度值以百分?jǐn)?shù)形式表示，計(jì)算結(jié)果均取一位小數(shù)。

上述4個(gè)函數(shù)在運(yùn)行時(shí)需調(diào)用已寫(xiě)好的模擬I2C時(shí)序函數(shù)族和延時(shí)函數(shù)。模擬I2C時(shí)序函數(shù)族包括I2C初始化函數(shù)、I2C啟動(dòng)、I2C停止、應(yīng)答信號(hào)、非應(yīng)答信號(hào)、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)共7個(gè)函數(shù)。延時(shí)函數(shù)采用SysTick系統(tǒng)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，可進(jìn)行微秒級(jí)和毫秒級(jí)延時(shí)。

4.2 NB-IoT模塊編程

NB-IoT模塊的工作過(guò)程為單片機(jī)通過(guò)串口向模塊發(fā)送AT指令，模塊接收指令后執(zhí)行相應(yīng)操作。模塊正確執(zhí)行操作后，會(huì)通過(guò)串口向單片機(jī)返回字符串“OK”，否則返回“ERROR”。單條AT指令的發(fā)送和模塊返回信息的處理流程如圖4所示。

4.3 OneNET平臺(tái)配置

在本系統(tǒng)中，OneNET平臺(tái)若要實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)的可視化，則需要完成創(chuàng)建監(jiān)測(cè)界面和組件設(shè)置。OneNET平臺(tái)操作流程如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)工作時(shí)，終端所測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列傳輸，最終接入OneNET云平臺(tái)。由于監(jiān)測(cè)界面的曲線(xiàn)圖關(guān)聯(lián)了相應(yīng)數(shù)據(jù)流，平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)后臺(tái)處理，上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可在監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖上更新展示。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)溫度曲線(xiàn)如圖7所示，濕度曲線(xiàn)如圖8所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于NB-IoT技術(shù)的環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)成本低廉，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于起居室、車(chē)間、溫室大棚等場(chǎng)所。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的多功能探測(cè)，對(duì)于某些特殊場(chǎng)合，可以增加手機(jī)短信報(bào)警服務(wù)，預(yù)防危險(xiǎn)發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)

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