基于NB-IoT技術的低功耗空氣質量監測系統

2020-08-31 14:40:43王亞磊胡佳銘樓繼鋮劉南燕周琪潘庭龍

物聯網技術 2020年8期

王亞磊胡佳銘樓繼鋮劉南燕周琪潘庭龍

摘要：目前市場上廣泛應用的空氣質量監測系統大多以短距離通信技術為基礎，該類系統通信距離短、功耗大。鑒于此，文中以STM32為核心，基于傳感器檢測、NB-IoT無線傳輸、APP遠程監控等技術，研發了一種基于NB-IoT技術的低功耗空氣質量監測系統。該系統由空氣質量監測終端、APP組成。系統中各傳感器負責搜集信息，通過NB-IoT模組上發至云平臺。APP從云平臺獲取數據，處理后在APP界面顯示，并通過APP向系統發送控制命令，以實現空氣質量的遠程監測和顯示功能。

關鍵詞：NB-IoT;空氣質量;遠程監測;云平臺;STM32;智能感知

0 引言

空氣是人類和其他生物賴以生存的基礎。但如今工業高度發展，交通運輸行業日漸壯大，每時每刻都在向空氣中排放大量的污染氣體，使得原有空氣的正常組成發生變化，進而對人們的身體健康產生不利影響。因此對空氣質量進行及時檢測，對污染氣體采取有效措施迫在眉睫[1]。

目前，國內空氣質量監測市場主要為基于ZigBee的室內環境監測系統[2]，基于WSN的室內環境監測系統[3]和基于ARM技術設計研發的室內環境監測系統[4]。這些系統通信距離短，功耗大，無法運用到信號較弱的地區。相比藍牙，WiFi，ZigBee等短距離通信技術，NB-IoT具備廣覆蓋，可支撐海量連接，更低功耗，更低成本等突出優勢[5]。在對空氣質量越發重視的今日，基于NB-IoT技術的空氣質量監測系統具有廣闊的市場前景。

1 系統總體方案設計

本文設計的系統主要能夠實現對室內環境中各項指標的定時采集。包含溫濕度采集、PM2.5含量采集、甲醛含量采集、天然氣含量檢測，并將上述采集到的信息經過處理后傳送給手機APP，從而實現在手機上實時遠程監控空氣質量。該系統由空氣質量監測終端、APP監測端組成?？諝赓|量監測終端由DHT11傳感器、GP2Y1014AU粉塵傳感器、ZE08-CH2O甲醛模組模塊、MQ-4環境信息傳感器、BC35-G無線傳輸模塊、微處理器模塊STM32等構成。APP監測端由一款Android軟件構成，待STM32搜集信息后通過BC35-G將搜集的信息上傳到云平臺，之后將處理的信息上傳至手機APP，使用戶可以通過手機APP對室內環境進行實時遠程監測。系統組成如圖1所示。

1.1 數據采集模塊

1.1.1 溫濕度采集

本文采用DHT11傳感器進行溫濕度采集，其連接原理如圖2所示。DATA用于微處理器與 DHT11之間的通信和同步，采用單總線數據格式，與STM32中的PB7管腳相連。

1.1.2 PM2.5含量采集

將GP2Y1014AU粉塵傳感器作為PM2.5傳感器，該傳感器利用光敏原理，通過輸出電壓的脈沖模式來檢測房間內的煙霧與空氣中的細微顆粒[6]。PM2.5含量采集電路如圖3所示，其由單片機的PA6口讀取數據。

1.1.3 甲醛含量數據采集

采用ZE08-CH2O甲醛模組進行甲醛含量的數據采集，并輸出與甲醛濃度相符的模擬電壓。甲醛含量采集連接電路原理如圖4所示。甲醛傳感模組ZE08-CH2O的第3個引腳接地，第4個引腳接5 V電源，第5個引腳接STM32的PA5端口，STM32通過PA5端口接收模組的數字信號。

1.1.4 天然氣含量檢測

采用MQ-4進行天然氣含量檢測，其原理如圖5所示。圖中第1管腳接+5 V，第4管腳接地，AOUT管腳接STM32的PA7管腳，STM32通過PA7端口接收傳感器的模擬信號。

1.2 NB-IoT通信模組

本系統選用BC35-G系列通信模組。相比BC95，BC35-G系列在定位、移動性、功耗等方面的性能均得到提升。BC35-G功耗低，支持 B1/B3/B5/B8/B20/B28多個頻段[7]，其連接原理如圖6所示。

為了確保良好的ESD防護性能，在外部USIM卡的引腳增加TVS管。SMF05C是TVS管陣列，由5個TVS二極管組成[8]。在模塊和外部USIM卡之間串聯22 Ω的電阻用以抑制雜散EMI，增強ESD防護[9]。在USIM_DATA，USIM_VDD，USIM_CLK和USIM_RST線上并聯電容用于濾除射頻干擾，通過TTL串口與STM32相連。

1.3 主控電路模塊

STM32L431RCT6是一種超低功耗微控制器，以高性ARM Cortex-M4 32位RISC內核為基礎，具有64 KB的SRAM，FLASH ROM高達256 KB，工作頻率達8 MHz，能夠在-40～85 ℃的溫度范圍內運行，具有低功耗、低成本、高可靠優點。單片機最小系統如圖7所示。

1.4 供電模塊

供電模塊采用7.2 V可充放電的鋰電池供電，由LM2940和AMS1117兩款降壓芯片將電壓降到其他模塊需要的5.0 V和3.3 V。LM2940是低壓差三端穩壓芯片，輸出電壓為5 V，輸出電流[10]為1 A。AMS1117內部集成過熱保護和限流電路，是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇[11]。這套電路契合系統低功耗的設計理念，使產品更便攜。圖8所示為供電模塊的電路設計。

2 系統軟件設計

軟件設計主要包括APP界面設計、信息發送與搜集等。首先對質量監測終端進行調試，使傳感器工作，實時獲取室內的環境信息，并通過NB-IoT上傳至云平臺，APP通過云平臺獲取數據后顯示在其界面上。

2.1 通信程序設計

傳感器采集的信息經過STM32處理后由NB-IoT將信息上傳至遠程服務器。本設計采用的無線傳輸模塊為BC35-G。

如圖9所示，單片機通過NB-IoT傳輸到數據庫的信息主要分為4種，即溫濕度含量、甲醛含量、PM2.5指標、天然氣含量。為這4種信息加上記號，便于分辨。溫濕度含量標記為“D”，甲醛含量標記為“C”，PM2.5含量標記為“B”，天然氣信息標記為“A”。通過辨別這4種信息的記號，使得服務器能夠對不同的信息分別進行處理。

2.2 APP軟件設計

APP的制作基于Android Studio平臺。該款軟件分為UI模塊、數據獲取模塊、數據存儲與處理模塊等，實現了實時室內溫濕度監控、室內煙霧報警、室內甲醛濃度監控的可視化功能。在UI模塊，運用文本框組件進行數據顯示，通過按鈕組件