基于NB-IoT的區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

高萌萌，孫志剛，李 碩，高亞杰，王國濤,2

(1.黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150008; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軍用電器研究所，哈爾濱 150001)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民對其居住與生活環(huán)境的空氣質(zhì)量狀況關(guān)注度越來越高。對于居住環(huán)境，房地產(chǎn)開發(fā)商在新房裝修完畢后，安排專職員工定期進(jìn)行空氣質(zhì)量檢測，在各項(xiàng)指標(biāo)合格后通知戶主入住，但在檢測過程中，有害氣體會損害員工的身體，人工檢測也會帶來資源浪費(fèi)、效率低下的問題。對于生活環(huán)境，人們越來越關(guān)注電視或手機(jī)軟件上對所處行政區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)的播報，多數(shù)地區(qū)現(xiàn)行的對范圍內(nèi)空氣的檢測方法是通過設(shè)立固定監(jiān)測站點(diǎn)，由巡視人員每天固定時間前往“抄表”并進(jìn)行后期數(shù)據(jù)融合，完成區(qū)域范圍的空氣質(zhì)量評估，由于區(qū)域范圍內(nèi)空氣流動性快以及巡視人員機(jī)動性差，采用人工“抄表”記錄的方式存在數(shù)據(jù)實(shí)時性不高、記錄時間不匹配等問題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展帶來通信技術(shù)的更新迭代，專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，目前較為成熟的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)有NB-IoT、LoRa與Sigfox等[1]。NB-IoT 技術(shù)作為最有發(fā)展前景的低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)之一，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的優(yōu)勢顯著，為傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)技術(shù)及藍(lán)牙、WiFi 等短距離傳輸技術(shù)所無法比擬[2]。NB-IoT功耗低、支持待機(jī)時間最長可達(dá)十年，適合應(yīng)用于區(qū)域范圍內(nèi)的監(jiān)測應(yīng)用設(shè)計，并且NB-IoT可以直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)，部署成本低，最后，在支持大數(shù)據(jù)方面，NB-IoT連接所收集的數(shù)據(jù)可以直接上傳至云端。

趙智佩等采用ARM9和NB-IoT通信技術(shù)，設(shè)計了電容電池信息監(jiān)測終端，將采集的A/D電壓與溫度值上報云平臺與PC服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對電容電池的電壓和工作溫度的監(jiān)測[3]。朱代先等基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了智慧井蓋監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用低功耗芯片STM32采集井蓋的壓力和位移以及窨井下的甲烷濃度和水位，通過NB-IoT模塊上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)采集終端與服務(wù)器之間低功耗的信息交互[4]。吳正平等同樣基于NB-IoT設(shè)計實(shí)現(xiàn)了智能水表抄表系統(tǒng)，能夠更好地解決傳統(tǒng)水表抄表系統(tǒng)的傳輸距離短、覆蓋范圍小、穿透力不強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差等問題[5]。本文在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一種基于NB-IoT的區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺的管理人員可在地圖和數(shù)據(jù)列表中查看大區(qū)域范圍內(nèi)各個空氣質(zhì)量監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的參數(shù)采集狀況和運(yùn)行狀態(tài)，Android移動終端的使用人員同樣可在地圖和數(shù)據(jù)列表中查看權(quán)限范圍內(nèi)各個空氣質(zhì)量監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的參數(shù)采集狀況和運(yùn)行狀態(tài)，使得對區(qū)域范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測實(shí)時性提高、可監(jiān)管性增強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，包括：監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺與Android移動終端，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層、傳輸層與應(yīng)用層。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

其中，各個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集其所在位置的空氣質(zhì)量信息與位置信息，在固定時間內(nèi)將采集的信息通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺，各個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)能夠自我進(jìn)行檢測，在欠壓情況下發(fā)送遠(yuǎn)程報警信息至遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺；遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺能夠通過調(diào)用地圖顯示各個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的位置，點(diǎn)擊具體的節(jié)點(diǎn)查看實(shí)時的空氣質(zhì)量信息，各個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的空氣質(zhì)量信息與位置信息存儲到遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺的本地數(shù)據(jù)庫中，通過選擇小區(qū)域范圍的節(jié)點(diǎn)完成授權(quán)數(shù)據(jù)至指定Android移動終端；Android移動終端能夠調(diào)用地圖顯示權(quán)限范圍內(nèi)各個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的位置，同樣點(diǎn)擊具體的節(jié)點(diǎn)查看實(shí)時的空氣質(zhì)量信息；系統(tǒng)在使用過程中可根據(jù)實(shí)際需求在遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺和Android移動終端對指定監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)置各空氣質(zhì)量參數(shù)的閾值，該監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在達(dá)到該閾值后發(fā)送提示信息至遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分主要是針對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的，其設(shè)計的效果影響整個系統(tǒng)運(yùn)行的高效性和可靠性[4]。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計包括3個部分，分別是：微處理器、通信模塊，傳感器模塊與避雷針模塊。其中，一個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

傳感器模塊包括：北斗定位模塊、甲醛濃度傳感器、惰性氣體傳感器、PM2.5傳感器、甲烷濃度傳感器、苯濃度傳感器、溫濕度傳感器與電能采集模塊。微處理器與傳感器模塊、通信模塊之間采用串口通信方式，同時電源模塊給監(jiān)測節(jié)點(diǎn)提供8 V直流電源，避雷針模塊保護(hù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在戶外場景中免遭雷電擊損。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上電完成初始化配置，微控制器進(jìn)入待機(jī)模式等待定時器將其喚醒，通信模塊在設(shè)定時間內(nèi)處于PSM低功耗休眠模式；定時器到達(dá)時間觸發(fā)后，微控制器退出待機(jī)模式，開始控制傳感器模塊采集當(dāng)前的空氣質(zhì)量信息，完成一次采集后，將采集信息發(fā)送給通信模塊，再次進(jìn)入待機(jī)模式等待定時器觸發(fā)；通信模塊在接收到采集信息后退出PSM模式，主控芯片通過AT指令將參數(shù)信息經(jīng)基站發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺，完成一次發(fā)送后再次進(jìn)入PSM模式。通信模塊在接收到遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺發(fā)送的閾值信息后，退出PSM模式，主控芯片通過串口將閾值信息發(fā)送給微控制器后繼續(xù)進(jìn)入PSM模式，由微控制器開啟工作并進(jìn)行存儲。微控制器在定時器觸發(fā)采集空氣質(zhì)量信息的同時通過電能采集模塊獲取自身的電壓信息，電壓偏低時會在當(dāng)前空氣質(zhì)量信息的最后添加欠壓報警信息；同樣，在微控制器存儲各參數(shù)閾值情況下判斷某個參數(shù)到達(dá)設(shè)定閾值時，同樣在當(dāng)前空氣質(zhì)量信息的最后添加閾值提醒信息，當(dāng)同時存在報警信息與提示信息時，報警信息置于最后。

2.1 微控制器電路設(shè)計

微控制器選用STM32F103RCT6型號單片機(jī)，其電路原理如圖3所示。該型號單片機(jī)實(shí)際工作時處理數(shù)據(jù)的頻率可達(dá)72 MHz，具有256K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器，48K字節(jié)的RAM空間，可以通過CAN、I2C、UART、USB等方式控制外設(shè)，同時具有9個通信接口[6]，完全符合本文設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)對多個傳感器同時控制、對大量數(shù)據(jù)及時處理的需求，與此同時，剩余空間資源應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信也顯得游刃有余。

圖3 STM32F103RCT6微控制器電路原理圖

圖4 NB-IoT通信模塊電路原理圖

2.2 NB-IoT模塊電路設(shè)計

圖4為NB-IoT模塊電路，該NB-IoT模塊電路選用BC95-B5模組。BC95模組通過串口RX/TX收發(fā)數(shù)據(jù)，通過電信NB網(wǎng)絡(luò)將來自微控制器的采集信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺，并且接收來自遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺發(fā)送的閾值設(shè)定信息。模塊主要包括以下幾個部分：BC95模組、電源指示、天線接口、USIM卡接口電路[7]。

2.3 電能采集模塊電路設(shè)計

電能模塊采用的是ATT7022B芯片，該芯片有3路電流采集、3路電壓采集。V1P/V1N是A相電流采集通道，V2P/V2N是A相電壓采集通道，V3P/V3N是B相電流采集通道，V4P/V4N是B相電壓采集通道，V5P/V5N是C相電壓采集通道，V6P/V6N是C相電流采集通道[8]。通過電流互感器采集每相電流的值，通過電阻分壓進(jìn)行電壓采集。圖5是一路電壓與電流的采集電路。

2.4 傳感器模塊設(shè)計

本文對傳感器模塊的選擇均遵循低功耗與安全穩(wěn)定原則。

北斗定位模塊選用K706-GNSS型號的高精度定位模塊。模塊尺寸小、重量輕、功耗低，板載8 G超大存儲空間可連續(xù)存儲超過100天的定位數(shù)據(jù)，在正常情況下定位精度可達(dá)2厘米，滿足本文對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的精確定位需求。

采用MS1100傳感器模塊獲取甲醛濃度與苯濃度，該模塊體積小，可以檢測空氣中0.1 PPM以上的揮發(fā)氣體，芯片響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)檢測準(zhǔn)確。

選用MD62型號的傳感器采集氬氣等惰性氣體的濃度，模塊根據(jù)混合氣體的總導(dǎo)熱系數(shù)隨待分析氣體含量的不同而改變的原理制成，響應(yīng)快，具有良好的重復(fù)性，可在無氧、缺氧環(huán)境中檢測。

選用GP2Y1010AU0F型號的光學(xué)粉塵濃度檢測傳感器，傳感器利用光敏原理進(jìn)行工作，可以檢測體積細(xì)微的顆粒，如煙霧顆粒、灰塵顆粒等，主要依靠輸出脈沖的高度來判斷顆粒濃度。

選用MQ-4型號的甲烷濃度傳感器。該類型傳感器檢測到甲烷氣體時，會產(chǎn)生相應(yīng)的電壓值，并由模擬信號輸出端口(AO)輸出到MCU，甲烷濃度增大時，輸出端口的電壓值相應(yīng)的成比例增長。

圖5 一路電壓與電流采集電路原理圖

最后，本文選用DHT11型號的溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對所處環(huán)境的溫度與濕度同時進(jìn)行檢測，響應(yīng)時間短、精度高，在系統(tǒng)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)微控制器的軟件設(shè)計、遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺的軟件設(shè)計以及Android移動終端的軟件設(shè)計。

3.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計包括：主程序、節(jié)點(diǎn)服務(wù)程序、串口接收服務(wù)程序，主程序流程如圖6所示。

圖6 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計流程圖

主程序啟動后，首先對STM32微控制器的串口及定時器進(jìn)行初始化，然后對NB-IoT模塊進(jìn)行初始化，初始化完成后STM32微控制器與NB-IoT都進(jìn)入低功耗休眠模式[4]。定時器達(dá)到設(shè)定的時間后，STM32微控制器開始控制傳感器模塊完成當(dāng)前位置空氣質(zhì)量信息的定時采集，并按照規(guī)定的協(xié)議通過NB-IoT通信模塊將采集信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺。同時，STM32微控制器對自身的電壓狀況進(jìn)行檢測，在欠壓時將報警信息添加至采集信息中進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送，STM32微控制器通過NB-IoT通信模塊判斷遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺發(fā)送的閾值信息，并存儲到內(nèi)存中進(jìn)行定時判斷，判斷閾值溢出時也將提示信息添加至采集信息中進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺軟件設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺軟件采用C/S(客戶端/服務(wù)器)模式進(jìn)行設(shè)計，連接MySQL數(shù)據(jù)庫，采用C#語言在VisualStudio環(huán)境下設(shè)計開發(fā)[9]。遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺在整個系統(tǒng)中起著“中轉(zhuǎn)站”的作用，一方面通過COAP協(xié)議接收來自監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集信息，解析顯示并存儲到數(shù)據(jù)庫中，將設(shè)定的閾值信息反向傳輸給監(jiān)測節(jié)點(diǎn)；另一方面，通過選定指定小區(qū)域下發(fā)該區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集信息至指定Android移動終端，并接收移動終端上設(shè)定返回的閾值信息，最終發(fā)送至監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺軟件包括登錄模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、閾值設(shè)定模塊、地圖模塊與歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，其工作流程如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺軟件設(shè)計流程圖

3.3 Android移動終端軟件設(shè)計

Android移動終端軟件的工作流程如圖8所示。

圖8 Android移動終端軟件設(shè)計流程圖

Android移動終端軟件包括登錄模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、地圖模塊與閾值設(shè)定模塊，主要為巡視人員設(shè)計，基于Java語言與AndroidStudio環(huán)境開發(fā)[10]，與遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺同樣采用C/S通信結(jié)構(gòu)與TCP/IP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對授權(quán)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集信息的接收和數(shù)據(jù)解析顯示，在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)欠壓或檢測閾值溢出時接收報警或提示信息，并能夠完成對指定監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的閾值設(shè)定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文設(shè)計的系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際場景下的測試，具體來說，在黑龍江大學(xué)校園內(nèi)的不同地點(diǎn)分布放置7個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺上調(diào)用地圖可以查看其位置分布，點(diǎn)擊其中一個節(jié)點(diǎn)，可以查看其實(shí)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可對該節(jié)點(diǎn)的閾值進(jìn)行設(shè)定，點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)查詢”可以查看該節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行以來的所有采集數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺的測試界面如圖9所示。將實(shí)驗(yàn)樓區(qū)域的1個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的權(quán)限下發(fā)至Android移動終端，在Android移動終端軟件上可以查看該節(jié)點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)測信息，通過點(diǎn)擊具體的參數(shù)可以設(shè)定閾值，Android移動終端軟件測試界面如圖10所示。如此反復(fù)在遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺和Android移動終端進(jìn)行循環(huán)測試，均正常運(yùn)行，表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達(dá)到了很好的預(yù)期效果。

圖9 遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺軟件測試界面

圖10 Android移動終端軟件測試界面

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)有場景中存在的區(qū)域范圍內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測機(jī)動性差、信息化程度低與管理不便等問題，考慮到現(xiàn)有檢測設(shè)備功能單一且移植性不高的問題，本文提出并設(shè)計了一種基于NB-IoT的區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，可以應(yīng)用于多場景監(jiān)測且適應(yīng)性強(qiáng)、靈活高效。設(shè)計的多個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用STM32為微控制器，控制傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對所在位置空氣質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的實(shí)時檢測，并通過NB-IoT通信模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺，在遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺上實(shí)現(xiàn)對區(qū)域范圍內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)控與管理。同時，遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺通過下發(fā)指定區(qū)域的權(quán)限至指定的Android移動終端，使得Android移動終端使用人員可以對權(quán)限范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行監(jiān)控與管理。除此之外，考慮到本文設(shè)計系統(tǒng)實(shí)際可能應(yīng)用的多場景，系統(tǒng)保留有自我安全保護(hù)與報警功能，包括欠壓報警與避雷保護(hù)等，該系統(tǒng)助力推動智慧城市的實(shí)現(xiàn)，長時間的數(shù)據(jù)收集也為大數(shù)據(jù)建立了基礎(chǔ)，為建立智能決策系統(tǒng)提供了條件。