基于STM32L151R8芯片的NB_IoT技術在文物保護中的應用研究

成瀾

摘要：博物館小氣候的調節需求決定了環境監測和調控系統的重要性。該文以一個博物館環境監控系統的解決方案為例闡述了NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）技術在文物保護中的應用。通過分布式部署溫度、濕度、光線、煙霧、火焰等傳感終端，并配合遠程監控平臺，實現對博物館各項環境指標的實時監測與調節，為文物保護提供物聯網新技術的思路。

關鍵詞：文物保護;NB-IoT;環境監控;傳感器;STM32

中圖分類號：TP3? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）17-0239-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The adjustment requirement for microclimate in museums determines the importance of environmental monitoring system. Take a solution of museum environment monitoring system for example， this paper describes the NB-IoT technology and its application in the protection of historical relics. Through distributed deployment of temperature sensors， humidity sensors，light，smoke sensors and flame sensors， and with the remote monitoring platform， the real-time monitoring and adjustment of various environmental indicators of the museum can be realized. This provides ideas of new technologies of Internet of things for heritage conservation.

Key words： protection of historical relics; NB-IoT; environmental monitoring; sensor; STM32

2018年9月2日晚，一場大火讓有著200年歷史的巴西國家博物館陷入劫難，2000萬件珍貴藏品被大火吞噬。博物館承載著一個國家數千年甚至上萬年文明發展史，火災這類重大事故是對歷史文物的毀滅，是對文脈的中斷，但是收藏和展出過程中經年累月的不適宜的溫度、濕度、光照度、含氧量等等，也都不同程度累積著對文物的傷害。例如：環境濕度，濕度作為單一因素不會對文物有太明顯的影響，但是當它與光照、氣體聯合作用會在文物身上發生化學反應，而溫度更會加速這一損傷過程[1]。據統計，截至2017年我國有博物館4721個[2]，所以對博物館文物保存環境的控制策略研究，對減輕、減緩文物的損傷有非常積極的意義。

博物館傳統上采用大環境中央空調+小環境適度控制的方法輔以數字化的監控和數據記錄。在我國，自2008年陜西歷史博物館建立全國首個無線環境傳感監測系統[3]，國內已有多家博物館對環境進行無線傳感器監測。但是系統運行存在著改進需求，對外界環境變化的響應速度慢、可調范圍小、通信穩定性差等，特別是全天候運行對傳感器和無線收發系統的耗電以及高覆蓋的要求。博物館人流變化的實時波動性很大，而人流帶來的溫濕度、空氣污染影響都需要系統能對環境參數進行實時微調。本文提出的文物保護環境監測系統是利用分布式部署的大量溫度、濕度、光照傳感器采集文物周邊環境的相關數據，通過NB_IoT（Narrow Band-Internet of Things）無線網絡傳輸到監控云平臺，進行數據存儲和處理，對比不同文物設定的環境參數閾值，遠程控制相應環境設備工作。

1 NB_IoT技術概述

NB-IoT是3GPP R13無線接入技術的標準之一，是一種新興的LPWAN（（Low Power Wide Area Network）技術，它可在現有運營商移動網絡授權頻譜范圍內，提供物聯網終端設備的海量接入。上行3.75kHz的子載波帶寬，使得其功率譜密度相比于LTE增強17dB，具有更遠的覆蓋能力。PSM（Power Saving Mode）和eDRX（extended Discontinuous Reception）技術的合力，使得5瓦·時的電池可以續航10年以上。利用LTE網絡現有技術和設備，降低部署成本，同時低采樣率、半雙工的窄帶系統也大大降低終端成本。除此以外，還有安全性、大連接等特點，特別適合以大量低速率小包業務為特點的物聯網垂直行業應用領域[4]。

2 博物館環境監控系統架構

環境監控由分布式部署的溫度、濕度、光線、甚至火焰等傳感終端、NB-IoT無線網絡和遠端IoT智能云平臺組成。各類傳感器模塊負責測量博物館環境以及展柜小環境中的溫濕度大小、光照強度，以及是否有明火;測量數據通過無線小包形式由NB-IoT無線通信模組、運營商的NB-IoT基站及核心網傳輸至遠端IoT智能云平臺。智能云平臺負責檢測數據的存儲和管理，WEB頁面可提供用戶遠程登錄查看，可定期提供基于大數據的監控數據分析與展示。進一步開發還可根據設定閾值實現對火警的遠程報警，以及館內調溫調濕設備運行的遠程控制。

3 博物館環境監控系統設計

本系統用到的開發工具為STM32CubeMX和MDK5。其中，STM32CubeMX是意法半導體提供的一套功能完善的免費嵌入式軟硬件開發工具，此工具支持開發者在STM32的平臺上輕松地開展常規的開發應用。它包含兩個主要部分：（1）STM32CubeMX圖形配置工具，幫助開發者通過圖形化界面工具生成C語言工程。（2）嵌入式軟件開發包（STM32Cube庫），包含ST官方推薦使用的HAL庫以及配套的中間件。MDK源自德國的Keil公司，是RealView MDK的簡稱， uVision5 IDE集成開發環境，是目前針對ARM處理器，尤其是Cortex-M內核處理器的最佳開發工具。

基于STM32CubeMX和MDK5文物保護環境監測系統開發包含以下幾個步驟：

3.1 硬件設計

主控制器：STM32L151開發板，CPU為STM32L151R8T6，LQFP64。1 路485 接口，1 路RS232 串口接口，1 個TFT顯示模塊接口，1 個無源蜂鳴器，一個模擬AD采樣電位器，1組5V電源接口，1 個IIC接口溫濕度傳感器（SHT20），12個IO 口。

火焰傳感器：其實是紅外接收傳感器，可以檢測火焰或者波長在760nm～1100nm的光源，普通打火機火焰的測距范圍為80cm，火焰越大，測距范圍越遠。與主控板的IO口相連。

溫濕度傳感器：SHT20溫濕度傳感器可以檢測周圍環境的-40～125℃范圍的溫度和0%～100%范圍的濕度[5]。SHT20傳感器的SCL和SDA接口與主控板IO口PB8和PB9相連實現數據的串行收發。

光線傳感器：可調節的光線傳感器，檢測周圍環境亮度，超過閾值輸出高電平數字輸出，或者模擬輸出再經由模數轉換獲得更精確的光亮度值。

近端顯示模塊：16位真彩色TFT_LCD模塊采用SPI方式與STM32L151相連，占用5個IO口，實現傳感器采集數據的近端實時顯示。

無線通信模塊：BC95-B5是一款性能高且功耗低的NB-IoT無線通信模塊，工作在中國電信B5頻段，上行824MHz～849MHz，下行869MHz～894MHz，發射功率23dBm±2dB，能與各種形式的終端設備進行無線連接，單個小區所支持的用戶數理論可達100000 個。

3.2 系統開發

首先，使用STM32CubeMX生成帶FreeRTOS操作系統的STM32L151R8芯片的工程文件。其中，配置PC0引腳的ADC采樣接口負責連接光照傳感器采集數據;配置SPI2負責LCD顯示;配置TIM計時器用于發送計時;配置PA2、PA3引腳通過串口2實現處理器與BC95模塊之間的通信，BC95模塊負責與NB-IoT基站通信;配置PB8、PB9引腳連接SHT20溫濕度傳感器采集數據。RCC配置使用晶振/陶瓷振蕩器的低速時鐘（LSE）為RTC提供32.768kHz時鐘，以及32MHz高速時鐘（HSE）作為系統時鐘。創建三個FreeRTOS任務，分別執行傳感器數據采集、LCD數據顯示、控制器與云平臺之間數據傳輸[6]。

然后，使用MDK打開生成的工程文件并修改Application/User中的文件源代碼。在主函數中完成各個模塊的初始化，例如：LCD的初始化和清屏、SPI使能、BC95初始化等。用軟件模擬IIC讀取SHT20的溫度數據和濕度數據，并進行數據的轉換處理，主函數中通過循環控制函數調用讀取溫濕度數據。涉及采集數據的近端顯示，需要用專用小軟件生成需顯示漢字的點陣數據，并寫入font.h文件，主函數中調用LCD_Show函數，將接收到的傳感器測量值經過數值處理，調用HAL庫函數實現SPI數據傳輸，確定顯示坐標及字體顏色，逐位顯示在近端LCD顯示屏上。同時，通過BC95模塊將數據傳送至電信的IOT平臺，此時，操作系統主動查詢串口2是否接收到數據，如果有，以中斷形式收下，同時調用回調函數，檢測接收到的數據中是否有連續的 ：1 （：1是因為在AT指令集中，AT+CGATT？的響應為+CGATT： ok，其中為1即表示已接入網絡）。如此完成六條AT指令發送并收到響應消息后，意味著數據收發前的準備工作完成，以AT+NMGS=4，03AABBCC……發送傳感器采集的數據。由于STM32運行速度很快，所以需要設置一個延時等待BC95的穩定。用定時器控制發送采集數據的間隔周期。編譯生成HEX文件后，將HEX文件下載到器件中運行。

IoT云平臺的WEB應用是基于ASP.NET和MySQL的動態網頁，存儲和管理傳感終端發送來的數據，并實現實時的可視化呈現。

4 結束語

本文介紹了基于STM32L151R8芯片的NB_IoT技術在博物館環境監測系統中的應用設計，分析了NB-IoT的硬件設計過程和軟件開發方法。租用運行商的云平臺，通過開發的動態網頁實現博物館各項監控數據的實時呈現及人機交互控制。傳感器、無線收發器件的低功耗和廣覆蓋，能滿足博物館對監控參數的實時微調的要求。如果能將光線傳感器進一步細化成紫外線傳感器，增加氣體傳感器、PM2.5傳感器，并且提高傳感器的精度，更適合博物館特殊環境的要求。

參考文獻：

[1] 崔巧鳳. 館藏文物保存環境研究的發展與現狀[J]. 決策與信息，2015（12）：160.

[2] 2018-2023年中國互聯網+博物館行業商業模式創新與投資機會深度研究報告[R]. 北京：前瞻產業研究院

[3] 唐銘，柳敏，張然，楊琴，呂曉芳. 博物館環境監控技術現狀與前景分析[C]. 北京：《《環境工程》2018年全國學術年會論文集（下冊）》，2018.

[4] 田敬波. NB_IoT網絡覆蓋能力分析[J]. 電信技術，2017.

[5] 盛思銳貿易（深圳）有限公司. SHT20技術手冊

[6] 中科四平. STM32L1系列NB_IoT物聯網實驗手冊

【通聯編輯：梁書】