基于NB-IoT的大氣污染物無(wú)線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)計(jì)

侯凡博 張修太 王丹丹 王凱

摘 要：文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的大氣主要污染物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器、設(shè)備管理服務(wù)器、云端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、NB-IoT無(wú)線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等組成。文中主要討論了NB-IoT無(wú)線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其采用ARM Cortex-M3內(nèi)核主流單片機(jī)STM32F103作為主控制器，采用SIM7000C NB-IoT通信模塊進(jìn)行設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通信。利用高精度電化學(xué)大氣有害氣體傳感器和先進(jìn)的激光散射粒子計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)大氣主要污染物進(jìn)行采樣，并通過(guò)NB-IoT實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)器并記錄和發(fā)布。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)便于專家學(xué)者對(duì)環(huán)境污染信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利于國(guó)家環(huán)保機(jī)構(gòu)對(duì)大氣污染治理現(xiàn)狀的精準(zhǔn)把控。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;無(wú)線監(jiān)測(cè);大氣污染;單片機(jī);傳感器;STM32F103

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）10-000-03

0 引 言

大氣污染的治理一直以來(lái)都是世界性難題。伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)大氣污染現(xiàn)狀越來(lái)越受到全社會(huì)的關(guān)注[1]。若要解決和治理大氣污染問(wèn)題，就必須建立起一套實(shí)時(shí)、高效、可靠的大氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。受當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的啟發(fā)和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的普及，文中設(shè)計(jì)了一種大氣主要污染物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以改善和提高現(xiàn)有大氣污染監(jiān)測(cè)設(shè)備的擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、靈活性、可靠性和便利性。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器、設(shè)備管理服務(wù)器、云端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、NB-IoT無(wú)線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等組成。本文主要討論無(wú)線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，采用高精度電化學(xué)有害氣體傳感器對(duì)大氣中的主要有害氣體（SO2，NO2，O3，CO）進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，通過(guò)擴(kuò)展異步串行接口將采樣數(shù)據(jù)送至STM32單片機(jī);采用激光散射粒子計(jì)數(shù)設(shè)備對(duì)大氣中的可吸入顆粒物（PM10，PM2.5，PM1）進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并將采樣數(shù)據(jù)通過(guò)SPI同步串行口傳輸至單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波后，經(jīng)由NB-IoT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將收集的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到云端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)大氣污染數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 193—2005），適用于環(huán)保部門對(duì)大氣污染的監(jiān)測(cè)和管控[2]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)是一套涵蓋網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大型分布式大氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)大氣中的主要有害氣體、可吸入顆粒物以及環(huán)境溫濕度等信息進(jìn)行采集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和發(fā)布。其中NB-IoT無(wú)線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)是本項(xiàng)目的功能核心，具有對(duì)大氣污染物的濃度采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)上傳功能。站點(diǎn)具有布設(shè)便利、通信可靠、采樣準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，以保證站點(diǎn)設(shè)備在投入使用后無(wú)需人為干涉即可穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和上傳。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上文制定的方案，NB-IoT無(wú)線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的硬件設(shè)備應(yīng)具備以下功能：

（1）可對(duì)大氣中主要?dú)怏w污染物的濃度進(jìn)行檢測(cè)，包括二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）和臭氧（O3）等;

（2）可對(duì)大氣中可吸入顆粒物的濃度進(jìn)行檢測(cè)，包括粒徑小于10 μm的顆粒物（PM10）和粒徑小于2.5 μm的顆粒物（PM2.5）;

（3）可控制風(fēng)機(jī)等設(shè)備對(duì)檢測(cè)站檢測(cè)設(shè)備腔體內(nèi)的樣本氣體進(jìn)行更新;

（4）可通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器;

（5）具備儲(chǔ)存能力，可在網(wǎng)絡(luò)不好的條件下保存數(shù)據(jù)，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后向服務(wù)器上傳;

（6）具備穩(wěn)定的電源供電能力，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 氣體污染物濃度傳感器選型

系統(tǒng)使用氣體傳感器對(duì)氣體污染物如二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）和臭氧（O3）進(jìn)行濃度采樣。氣體傳感器是將特定氣體的濃度信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)的傳感器件。本系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)某公司出產(chǎn)的通用型電化學(xué)大氣監(jiān)測(cè)傳感器模組，利用電化學(xué)原理對(duì)NO2，CO，SO2，O3氣體進(jìn)行探測(cè)，具有良好的選擇性和穩(wěn)定性。內(nèi)部集成有溫度傳感器，可自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。同時(shí)具備數(shù)字輸出接口以及模擬電壓輸出接口，方便用戶使用。該傳感器主要應(yīng)用于城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、企業(yè)污染氣體排放監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)部門對(duì)城市空氣監(jiān)測(cè)、便攜式儀器儀表和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的生產(chǎn)制造、智能家居設(shè)備的研發(fā)等[3]。通用型電化學(xué)大氣監(jiān)測(cè)傳感器模組的數(shù)字輸出端口采用通用異步收發(fā)傳輸接口（UART）。

2.2 可吸入顆粒物濃度傳感器選型

目前世界上主要使用激光粉塵儀對(duì)可吸入顆粒物進(jìn)行自動(dòng)化取樣檢測(cè)。激光粉塵儀采用光散射法對(duì)大氣中的粉塵等顆粒物進(jìn)行濃度檢測(cè)。本系統(tǒng)采用國(guó)外某廠家生產(chǎn)的激光散射粒子計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)可吸入顆粒物濃度進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器使用輕便，具有先進(jìn)的光學(xué)粒子檢測(cè)系統(tǒng)以及精密的電子電路，可以實(shí)現(xiàn)高速且精確的粒子計(jì)數(shù)和粒徑分布計(jì)數(shù)。其使用粒子計(jì)數(shù)算法，并結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)、激光檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等技術(shù)進(jìn)行綜合研究，測(cè)量精度精準(zhǔn)，可將大氣中的粒子細(xì)分為16個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試，且性能穩(wěn)定、響應(yīng)快速。該激光散射粒子計(jì)數(shù)系統(tǒng)通過(guò)四線高速同步串行外設(shè)接口（SPI）與主控制器相連接，可提供高速、穩(wěn)定、多功能的通信接口。

2.3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模組選型

目前常見(jiàn)的NB-IoT模組主要為上海移遠(yuǎn)（Quectel）BC-95模組、利爾達(dá)科技（Lierda）NB05-01模組和芯訊通（Simcom）SIM7000C模組。前兩者的技術(shù)方案來(lái)自華為公司，而后者SIM7000C模組的技術(shù)方案來(lái)自高通公司。本系統(tǒng)采用SIM7000C模組，它是一款多頻LTE-FDD及雙頻GPRS/EDGE無(wú)線模塊，支持NB-IoT，CAT-M1（eMTC），GSM和GPRS/EDGE通信。SIM7000C提供了廣泛的外部接口，為客戶應(yīng)用提供了極大便利，其中硬件接口包括UART，USB 2.0，PCM等，軟件接口包括TCP，HTTP，HTTPS，SMS等。采用NB-IoT無(wú)線模組的優(yōu)勢(shì)在于功耗低、覆蓋面廣、支持多模、性能穩(wěn)定。本系統(tǒng)中，MCU與SIM7600C模組的連接主要通過(guò)UART異步串行口實(shí)現(xiàn)。

2.4 電平轉(zhuǎn)換芯片選型

由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模組SIM7000C-PCIE的I/O接口電平為1.8 V，但常見(jiàn)的微控制器GPIO引腳輸出TTL電平為3.3 V或5 V。本系統(tǒng)微控制器選用STM32F103型MCU，其GPIO端口輸出電平為3.3 V，為了使MCU和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模組能夠正常通信，應(yīng)在其接口之間增加電平轉(zhuǎn)換電路，保證通信的穩(wěn)定性，以確保NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模組能夠正常工作。本系統(tǒng)采用德州儀器（TI）公司出產(chǎn)的TXB0108電平轉(zhuǎn)換芯片，該芯片是具有自動(dòng)方向感應(yīng)和±15 kV ESD（靜電釋放）保護(hù)的8位雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器。

2.5 串口擴(kuò)展芯片選型

由于本系統(tǒng)需要連接大量的UART異步串行通信接口設(shè)備，如4個(gè)采用UART異步串行接口的氣體污染物濃度傳感器、NB-IoT通信模組和開(kāi)發(fā)調(diào)試串行接口。但目前多數(shù)微控制器（MCU）缺少足夠的內(nèi)部UART通信接口，所以應(yīng)在硬件上設(shè)計(jì)串行口擴(kuò)展芯片來(lái)拓展MCU的通信能力。

本系統(tǒng)采用成都國(guó)騰微電子有限公司出品的GM8125串行口擴(kuò)展芯片。該芯片可將全雙工串行接口擴(kuò)展為5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)UART串口，且能夠通過(guò)外部引腳控制串行口的擴(kuò)展方式，實(shí)現(xiàn)單通道工作模式和多通道工作模式[4]。本系統(tǒng)采用單通道模式，使用主串口分時(shí)對(duì)子串口進(jìn)行控制，從而控制5個(gè)子串口與氣體污染物濃度傳感器通信。

2.6 片外E2PROM儲(chǔ)存芯片選型

考慮到設(shè)備在運(yùn)行情況下有可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不佳的情況，所以在設(shè)備中加入片外E2PROM儲(chǔ)存芯片以儲(chǔ)存當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用Atmel公司的AT24C08 I2C總線及E2PROM儲(chǔ)存器，其具有1 024 B儲(chǔ)存空間，可儲(chǔ)存約100條臨時(shí)采樣數(shù)據(jù)。當(dāng)采樣周期為15 min時(shí)，100條數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存能力可儲(chǔ)存25 h的采樣數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)已非常穩(wěn)定，出現(xiàn)通信異常的概率極小，異常時(shí)間極其短暫，因此該容量的儲(chǔ)存芯片足以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存狀況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。系統(tǒng)上電時(shí)，首先應(yīng)對(duì)MCU片內(nèi)外設(shè)進(jìn)行初始化，依次為系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、GPIO接口初始化、SPI接口初始化、定時(shí)器初始化、UART接口初始化[5]。然后對(duì)片外設(shè)備進(jìn)行初始化，依次為GM8125串口擴(kuò)展芯片初始化并設(shè)置其為單通道模式;激光散射粒子計(jì)數(shù)系統(tǒng)初始化并將其設(shè)置為空閑模式;氣體污染物濃度傳感器初始化并設(shè)置其為被動(dòng)查詢模式;NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模塊初始化并等待網(wǎng)絡(luò)連接成功。

網(wǎng)絡(luò)連接成功后，設(shè)備將與服務(wù)器進(jìn)行第一次通信，使用約定好的GetPubkey服務(wù)器API接口，獲取用于安全通信的隨機(jī)公鑰和服務(wù)器當(dāng)前時(shí)間戳，借助服務(wù)器時(shí)間戳初始化檢測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，為隨后的定時(shí)任務(wù)做準(zhǔn)備。由于電化學(xué)氣體污染物濃度檢測(cè)傳感器的電化學(xué)原理特性，接下來(lái)需要系統(tǒng)延時(shí)約5 min進(jìn)行預(yù)熱，以保證測(cè)量值的準(zhǔn)確性。

待一切初始化程序運(yùn)行完畢便開(kāi)始數(shù)據(jù)采集和上傳工作。數(shù)據(jù)采集和上傳由固定的定時(shí)器溢出時(shí)間標(biāo)志位來(lái)觸發(fā)，以實(shí)現(xiàn)固定的采樣周期。當(dāng)一次采樣周期到來(lái)后，系統(tǒng)首先打開(kāi)監(jiān)測(cè)站機(jī)殼的風(fēng)扇，更新設(shè)備腔體內(nèi)的樣本氣體。通風(fēng)時(shí)間到后，進(jìn)行可吸入顆粒物濃度的采集;首先打開(kāi)激光散射粒子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的激光和風(fēng)扇，等待固定的采樣周期，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和儲(chǔ)存;之后連續(xù)循環(huán)此程序，得到若干采樣結(jié)果，對(duì)其求平均值，以避免隨機(jī)誤差，得到準(zhǔn)確的可吸入顆粒物（PM10，PM2.5）數(shù)據(jù);通過(guò)GM8125串口擴(kuò)展芯片，以輪流詢問(wèn)的方式對(duì)4個(gè)氣體污染物濃度傳感器進(jìn)行采樣，連續(xù)進(jìn)行若干次后取平均值，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù);所需數(shù)據(jù)采樣完畢后，使用本機(jī)UUID與之前通信獲取的公鑰運(yùn)算出的驗(yàn)證密匙、當(dāng)前監(jiān)測(cè)站時(shí)間戳以及采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)特定格式的Json編碼后，通過(guò)PostData服務(wù)器API接口將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器（若服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)上傳失敗，則重新進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，若上傳成功，則判斷服務(wù)器返回的最新配置信息版本號(hào)，若服務(wù)器上的配置信息版本比監(jiān)測(cè)站本地的配置信息版本高，則通過(guò)GetConfig服務(wù)器API接口獲取最新的配置信息）;待一個(gè)采樣上傳流程完成后，則等待下一次采樣周期的到來(lái)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)參考、分析中國(guó)當(dāng)下大氣污染監(jiān)測(cè)的方式方法和技術(shù)手段，結(jié)合空氣顆粒物連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求，提出并設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的大氣污染物無(wú)線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。其通過(guò)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)將各傳感器采集的信息實(shí)時(shí)上傳至云端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，并儲(chǔ)存于系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)庫(kù)中。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中啟用了3臺(tái)NB-IoT無(wú)線監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，3個(gè)站點(diǎn)各司其職，互不干擾，以各自的節(jié)律運(yùn)行。服務(wù)器同時(shí)接收多臺(tái)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)未出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵、網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)等情況，一切運(yùn)行良好。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、高效性、穩(wěn)定性以及可擴(kuò)展性特點(diǎn)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，均滿足設(shè)計(jì)要求。

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