基于物聯網及云平臺的工廠環境遠程監控系統*

亓曉彬，張曉東

（廣州鐵路職業技術學院，廣州 510430）

0 引言

為了對工廠中各種有害、易燃、易爆的粉塵、氣體等進行監測，減少類似事故的發生，設計本監控系統。傳統工廠無環境監控或僅有現場集中監控，受到時間、空間的限制，作用效果不理想[1]。本文以最新低功耗廣域物聯網（LPWAN）LORA和NB-IOT技術為基礎，利用機智云平臺，設計出一種適用于大空間范圍的環境監控系統，克服了時空的限制，隨時隨地進行訪問，這樣能及時發現問題并報警處理，可有效防止類似事故的發生。

1 物聯網低功耗廣域網技術

物聯網（IOT,Internet of Things）即物與物相連的網絡，傳統物聯網主要有藍牙、ZigBee、WiFi等無線通信技術，但其有效距離短、功耗大，不適合遠距離、低功耗的物聯場合，嚴重限制了物聯網的應用推廣。于是，低功耗廣域網技術（LPWAN，Low Power Wide Area Network）應運而生，它克服了傳統物聯網的缺點，并可實現海量連接，其兩大主流技術為LORA和NB-IOT，已廣泛應用于環境監測、物流、農畜牧業等場合[2]。

LoRa（Long Range Radio）是Semtech公司創建的低功耗廣域無線網標準，采用1 GHz以下的免費頻段、自組網通信，通過GFSK調制和擴頻通信相結合，使其理想情況下的通信距離達到15 km，電池可用10年[3]，適合于遠距離、低功耗的物聯場合。窄帶物聯網NB-IOT（Narrow Band Internet of Things），是一種蜂窩移動網絡技術，相較于傳統的無線通信，具有覆蓋廣（相同頻段下，比現有移動網絡增益20 dB，等于提升了100倍的覆蓋能力）、傳輸距離長（只要有手機信號的地方即可連接上網）、海量連接、低功耗等特點[4]，并且因為三大電信運營商的大范圍商用部署，可通過NB-IOT模塊（經由運營商基站）直接連接至物聯網云平臺[5]。

LORA技術成熟、可自組網、成本低（只需設備一次性投入），可用于遠距離的局域網絡連接；NB-IOT為國內各電信運營商部署推廣，信號翻蓋范圍廣，可直接連接上云，便捷可靠。兩者各有特點和適用場合，必將長期共存[6]。設計LORA和NB-IOT相結合的工廠環境遠程監控系統，恰好利用二者優勢，事半功倍，具有廣闊的應用前景和現實意義。

2 系統總體設計

如圖1所示，本系統主要由LORA終端、LORA集中器、NB-IOT模塊、機智云平臺、PC主機及智能移動電話終端等組成。系統采用星型拓撲結構，具有結構簡單和低功耗的特點[7]。

從功能上可將整個系統分為3層：感知層、傳輸層及應用層，如圖2所示。感知層為安置在廠區各處的LORA終端系統，每個LORA終端包含了對應各環境參數的傳感器組、STM32核心控制板、LORA無線通信模塊、相關接口。傳感器對各種環境信息進行采集后，STM32板將數據進行分析處理并通過LORA模塊無線匯集到LORA集中器[8]。傳輸層主要包括LORA集中器組、NB-IOT模塊和RS485總線等，負責感知層和應用層之間的遠程信息交互。應用層包括機智云平臺、智能終端、監控主機等，主要用于存儲、分析、監控各環境數據。監控主機用于現場的監控；機智云平臺和智能終端共同實現遠程監控，突破了時間空間的限制。

圖1 系統總體構成

圖2 STM32控制板、LORA終端、LORA集中器的功能構成

2.1 感知層系統

感知層主要完成現場各環境參數的信息采集、處理、上傳等任務，并執行云端或上位機下發的相關控制命令。該層由分布于監測空間各處的多個LORA終端系統組成，LORA終端以STM32控制板為核心，搭載傳感器組、LORA通信模塊。

2.1.1 傳感器組

由各種環境參數對應的檢測傳感器組成，并可根據具體場合進行增減。主要由溫濕度傳感器、光照強度傳感器、空氣粉塵濃度傳感器（檢測空氣中的灰塵煙塵和霧霾顆粒等）、可燃氣體傳感器、毒性氣體（如CO、煤氣、液化石油氣等）傳感器等[9]。各傳感器的型號對應為：DHT22、BH1750FVI、GP2Y1010AU0F、MQ-5、MQ-9。

（1）電路連接

因篇幅所限在此僅以溫濕度傳感器為例進行介紹。DHT22為含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型數字式傳感器，其溫濕度數據均為16 bit，采用單總線串口通信、單列4針腳封裝，便于嵌入式系統集成。模塊具有體積小、功耗低、傳輸距離長、穩定可靠等特點，非常適合本設計的需要[10]。DHT22供電電壓為3.3～6 V，同時考慮其單總線雙向通信的需要而選用STM32控制板通用雙向IO口與之連接，如圖3所示。

圖3 DHT22連線圖

（2）數據格式

圖4 STM32板最小系統圖

DHT22采用單總線數據格式。DATA引腳用來與微處理器進行同步和通信，一次通信時間5 ms左右，傳輸數據40 bit，高位在前，低位在后，具體格式為：16 bit濕度數據+16 bit溫度數據+8 bit校驗和，程序代碼依據此格式進行時序控制與數據處理。其中，8 bit校驗和為16 bit濕度數據和16 bit溫度數據拆分為高、低4個字節，然后求和，取和的低8 bit。例如，濕度數據：0000 0011 1000 1100；濕度數據：0000 0001 1010 1110；則8bit校驗和為0000 0011+1000 1100+0000 0001+1010 1110結果的低8 bit，為0011 1100；于是最終40 bit數據為：0000 0011 1000 1100 0000 0001 1010 1110 0011 1100。

（3）通信時序

DHT22為從機工作模式，空閑時總線為高電平，用戶主機（STM32）發送一次低電平開始信號將DHT22從低功耗模式喚醒到高速模式。主機開始信號結束后，DHT22首先發送一個80 μs左右的低電平響應信號；隨后拉高80 μs并進入40 bit的數據傳送過程。每bit數據由50 μs的低電平和一個高電平組成，低電平代表數據位的開始，高電平長度代表數據位的值，較長的高電平代表1、較短的高電平代表0。

2.1.2 STM32控制板

STM32為LORA終端和集中器的控制核心，本設計選用ST公司Cortex-M3架構的32位主流ARM芯片STM32F103RCT6，其供電電壓2～3.6 V，為64腳LQFP封裝，內部集成256 kB的FLASH程序存儲器和48 kB的RAM存儲器，自帶CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB等多種多個通信接口，非常適合與各類型傳感器和通信模塊的嵌入式連接[11]。

STM32板最小系統，包括電源、晶振、復位電路外，還需進行如下處理：（1）BOOT0和BOOT1經10 kΩ下拉電阻接地；（2）電池供電的BEAT引腳經100 μF電容上拉到3.3 V；（3）模擬量引腳VDDA和VSSA分別經0R磁珠與3.3 V和GND連接，并在兩引腳間并聯104電容。上電復位電路采用X5043芯片，同時用于數據的斷電存儲。如圖4所示。

因為LORA終端系統需要用到基本的繼電器輸出，用于掉線、參數超標等的聲光報警或向風扇、空調等發出控制信號，所以，設計其繼電器輸出電路如圖5所示，該電路采用光電耦合器PC817進行內外電路系統的光電隔離，可大大提高系統的抗干擾能力。

圖5 繼電器輸出電路

2.1.3 LORA通信模塊

LORA終端的無線通信功能通過ATK-LORA-01模塊來實現，該模塊采用基于LORA技術的SX1278擴頻芯片并集成32位高性能MCU，具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。模塊收發同體（模塊可設置為發送或接收端），通過AT指令實現功能配置、通信控制和模式選擇等；使用433 MHz免費工業頻段，自組網通信，不會產生通信費用[12]。LORA終端與LORA集中器通過各自的ATK-LORA-01模塊進行無線通信。ATK-LORA-01模塊與STM32核心控制板的接口連接如圖6所示。

圖6 STM32板與ATK-LORA-01的接口連接

2.2 傳輸層系統

傳輸層主要功能為LORA本地系統內的信息無線收發，LORA集中器與現場主控電腦的通信，LORA集中器與云平臺的連接等。具體系統為LORA集中器，如圖2所示。包括STM32板與LORA模塊的連接、STM32板與主控電腦的RS485接口設計、STM32板與物聯網云平臺間的NB-IOT連接設計等。因為傳輸距離、功能要求等不同，本系統有兩種無線網絡部署：本地各LORA終端、LORA集中器之間的LORA無線網，LORA集中器與云平臺之間遠程連接的NB-IOT網絡。

2.2.1 集中器的LORA模塊

集中器的LORA模塊主要負責與各LORA終端進行通信，收集各終端設備采集的環境數據并發送相關控制信號。具體為STM32板與ATK-LORA-01模塊的連接和控制，如圖6所示。其中STM32板、ATK-LORA-01模塊及其相互連接與LORA終端設計相同，只是STM32程序和ATK-LORA-01模塊的控制邏輯根據具體功能而不同[13]。

2.2.2 RS485總線接口

圖7 集中器的RS-485接口

LORA集中器通過RS-485總線（差分信號傳輸、抗干擾能力強）將各終端數據上傳給現場監控主機，并接收主機下發的相關指令。STM32板的RS-485總線接口如圖7所示。

2.2.3 NB-IOT模塊的接口電路

窄帶物聯網NB-IOT受到國內三大電信運營商的大力推廣和全面部署，其信號覆蓋范圍甚至超過了手機信號，它的出現使物聯網通信得以突破空間的限制，有信號覆蓋的任何地方都可以通過NB-IOT模塊與物聯網云平臺進行數據傳輸，并可通過遠程網絡終端進行監控[14]。在此選用NB-IOT模塊型號為WH-NB73，具有資料詳實、接口簡單（WH-NB73模塊與STM32板之間通過串口和AT指令進行連接）、穩定可靠等特點[15]，模塊及串口連接電路如圖8所示。

圖8 WH-NB73模塊電路及與STM32板的串口連接電路

2.3 應用層系統

應用層主要包括工廠環境的現場監控和遠程監控兩部分。其中，現場監控系統采用LabView設計功能界面，監控主機經USB-485轉換模塊與LORA集中器的RS-485總線接口連接進行監測數據和控制信號的傳輸，從而實現工業現場的環境監控。而工廠環境的遠程監控則通過物聯網云平臺及智能終端APP聯合實現。

2.3.1機智云平臺應用

隨著物聯網技術的飛速發展，各種物聯網云平臺不斷涌現，但它們的功能強弱有別、使用門檻高低不同，具體應根據實際情況選擇，本設計采用機智云平臺。

機智云是同時面向企業和個人開發者的、從智能硬件接入到應用管理的全生命周期的物聯網云服務平臺。平臺能自動生成已封裝設定協議的MCU代碼（只需進行數據節點和相關邏輯的編寫），提供APP開發的SDK代碼或APP成品Demo，提供直連機智云的相關通信模組固件，如此大大降低了物聯網應用的技術門檻，并使開發效率得到極大提高[16]。

2.3.2 智能終端APP

智能終端用來實現整個工廠環境的遠程監控，其基本工作流程如下。（1）APP接收現場數據：設備上報數據—運營商IOT平臺—機智云平臺VAPP智能終端。（2）APP下發控制數據：APP智能終端—機智云平臺—運營商IOT平臺—現場設備。

在此以4盞LED燈的遠程監控（LED1-LED4最終控制為亮亮滅亮）為例，具體開發步驟：注冊并登陸機智云—進入開發者中心—創建產品—創建所需數據點（圖9）—生成并下載MCU代碼—生成APP（APP的SDK代碼或直接用其Demo APP）—在下載的MCU代碼中添加數據處理及邏輯代碼—智能終端安裝APP并聯網—系統調試。

其中，系統調試可分段進行，首先是手機APP與機智云平臺的數據交互，如圖10所示；然后是移動電話對實物電路板的控制，如圖11所示；最后是整個系統的功能調試。

圖9 機智云平臺中創建數據點

圖10 移動電話AAP通過移動網絡與機智云平臺數據交互

圖11 智能硬件至移動電話終端APP的完整系統監控示例

3 結束語

本文設計了一種基于LORA、NB-IOT技術與機智云平臺的工廠環境遠程監控系統，給出了系統的整體結構，分別對感知層、傳輸層和應用層進行了設計，包括各種傳感器、STM32控制板、LORA通信、NB-IOT通信、機智云物聯網平臺、智能終端APP等。系統設計合理，功能穩定可靠，充分利用了當前新技術新理念，實用性和可推廣性強，通過實際測試能夠達到實用要求。