基于NB-IoT的低功耗結構可配置智慧衛生間蹲位節點設計

張弘俊 何樂生 李明悅 龔友梅 陳佳升

摘 要：在國家智慧旅游戰略與“一機游”應用等背景下，衛生間蹲位的監測尤為重要。為解決人們出行中找到亟需使用的衛生間較為困難，部分星級景區衛生間無法市電供電等問題，提出“結構可配置”方法結合NB-IoT技術、硬件、軟件設計出5種低功耗工作模式，使節點可根據平臺統計分析結果自適應工作在不同的功耗模式下。“一機游”找廁所的功能實踐表明，文中提出的方法能提高“智慧衛生間”的覆蓋率，滿足功耗需求，提供高效的尋找衛生間的服務。

關鍵詞：NB-IoT;物聯網;LPWAN;智慧衛生間;傳感器;無線通信

中圖分類號：TP391;TN020.5文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-05

0 引 言

中國國家旅游局發布了新的三年計劃：從2018年至2020年，全國計劃新建、改擴建旅游衛生間6.4萬座，其中新建4.7萬座以上，改擴建1.7萬座以上。在國家智慧旅游戰略與“一機游”應用等背景下，所謂“衛生間革命”絕不僅僅是蓋房子那么簡單，讓衛生間從望之卻步的簡陋場所，逐步升級為兼具衛生整理、休息乃至審美、商業、文化等功能融合的新空間，才配得上“革命”二字[1]。

董光光[2]研究了智慧衛生間的理論建設方法，發現衛生間聯網后能給人們出行帶來極大便利。陳石波[3]研究了一種基于STC單片機的衛生間蹲位監測方法，介紹了基于單片機如何在本地衛生間門口顯示當前衛生間使用情況的方式。張峰[4]提出了衛生間聯網后的數據處理手段、方法。以上方法都未在真正意義上賦予衛生間“智慧”，或者都只是理論方面的研究。為實現衛生間的“智慧”，須把衛生間聯網，實現數據共享與數據分析，因此感知與聯網不可忽視。

現有尋找衛生間的主要方法為使用地圖軟件尋找，但該方法只能找到目標點，而不清楚目標點的實際使用情況。根據“一機游”對衛生間分布情況和實際使用情況的研究可知，目前云南多數景點的衛生間監測設備只能電池供電。為降低系統開發與部署成本，實現同一軟件、硬件平臺的兼容，本文提出了“結構可配置”方法，該方法通過硬件配置軟件確定節點的功能類型和供電方案。軟件配置硬件的工作模式使功能節點工作在多種低功耗模式下，以適應不同的應用環境，滿足不同的功耗需求。使用紅外熱釋電傳感器來監測每個蹲位的使用情況，通過低功耗NB-IoT無線通信模塊把衛生間信息上報云平臺，設計出基于NB-IoT結構的低功耗智慧衛生間系統節點。盡早實現具有全面覆蓋、安裝部署簡單、開發周期短等特點的“智慧衛生間”。

物聯網應用中，無線通信技術主要包括RFID，Bluetooth，WiFi，ZigBee，LoRa，GPRS，NB-IoT。NB-IoT是基于蜂窩網絡的窄帶物聯網技術，在同樣帶寬頻段下，增益超過20 dB，覆蓋面積可擴大100倍，連接能力強，單個小區內可連接5萬臺設備。同時，NB-IoT技術的低成本、低功耗性能突出，其在物聯網應用中具有很大優勢[5-6]。

1 系統結構

系統組成如圖1所示。

結構一（圖1）：系統由多節點系統采集器、NB-IoT基站、物聯網平臺、云服務器、手機應用組成;

結構二（圖2）：系統由單節點系統采集器、NB-IoT基站、物聯網平臺、云服務器、手機應用組成[7]。

兩種結構下的數據都由NB-IoT無線通信模塊通過NB-IoT基站、物聯網平臺與云服務器傳輸、處理，最終顯示到手機應用軟件。

系統結構如圖2所示。系統節點可通過撥碼開關配置為多節點系統采集器或單節點系統采集器，其中結構一模式下多節點系統采集器功能節點包含NB-IoT功能節點1和NB-IoT功能節點2，這兩類功能節點對功耗較為敏感，使用雙D觸發器，超低IQ升壓轉換器，LDO，低功耗單片機，低功耗NB-IoT無線通信模塊，低功耗熱紅外熱釋電傳感器，結合相應軟件設計出5種低功耗工作模式。為降低系統節點的功耗，節點可以根據平臺統計分析結果，自適應工作在不同功耗模式下。結構二模式下，單節點系統采集器功能節點包含NB-IoT功能節點。

三種功能節點使用同一硬件電路，每個功能節點所使用的傳感器不相同，硬件主要包含低功耗單片機、NB-IoT無線通信模塊、低功耗電源電路、相關外圍電路。通過3位撥碼開關選擇系統采集器的功能節點類型以及相關硬件電路模塊、軟件模塊。結構可配置設計，在部署功能節點時撥動撥碼開關、撥動開關，連接對應模式下的傳感器，安裝部署簡單、方便。

無電源供電區域的衛生間部署結構一系統采集器，在有電源供電的地方部署結構二系統采集器。結構一系統中，NB-IoT功能節點1上報衛生間的人流量信息、衛生間地理信息、衛生間適用性別、功能節點類型等;NB-IoT功能節點2上報每個蹲位的使用情況及衛生間地理信息與功能節點類型。結構二系統中，NB-IoT功能節點3上報該衛生間的人流量信息、衛生間地理信息、衛生間適用性別、每個蹲位的使用情況、功能節點類型。通過單片機程序處理后把衛生間信息通過NB-IoT無線通信模塊上報到物聯網平臺，待數據從系統采集器上報到物聯網平臺后，物聯網平臺將數據推送到云服務器。使用者使用手機選擇同行性別及人數提交查詢時，服務器應用程序根據查詢條件把符合條件的周邊路線和使用情況推送到手機，使用者可根據相關信息選擇合適的衛生間，跟隨導航前往目的地。

2 系統節點硬件設計

硬件配置軟件時可通過撥碼開關控制系統節點的工作模式，撥動開關選擇相應工作模式下的供電方案。使用雙D觸發器控制DC-DC，LDO電源的使能，以便控制不同模塊的電源。

NB-IoT功能節點硬件包括嵌入式處理器最小系統及其外圍通信電路、NB-IoT無線通信模塊外圍電路、電源電路、擴展功能及傳感器接口電路。如圖3所示，低功耗單片機STM32L4、電源電路、NB-IoT通信模塊電路為兩種系統結構下的公共部分。低功耗單片機STM32L4，BC20，低功耗熱釋電傳感器均可通過傳感器中斷喚醒，這使得單片機和BC20可以工作在極低的功耗模式下。

2.1 NB-IoT功能節點低功耗電路設計

系統的功能節點電源使用三種方式供電，分別為鋰亞硫酰氯電池、9～17 V直流電源、5 V USB電源。

嵌入式處理器選用ST公司基于ARM的32 bit Cortex-M4內核的STM32L479RG，工作電壓為1.71～3.6 V，其擁有7種低功耗模式，5個外部喚醒引腳，可在極低功耗模式下被喚醒。在多節點系統中，紅外熱釋電傳感器連接到WKUP4和WKUP5。處理器擁有1個低功耗串口LPUART1，5個通用USART，其中低功耗串口用來連接與之頻繁通信的BC20模塊，以降低功耗。

BC20是上海移遠通信技術股份有限公司基于MTK的MT2625平臺設計的NB-IoT無線通信模塊，它是一款高性能、低功耗、多頻段、支持GNSS（北斗、GPS、QZSS等）定位功能的NB-IoT無線通信模組，其提供了豐富的外部接口和協議棧，支持中國移動 OneNET、中國電信IoT、華為 OceanConnect、阿里云物聯網云平臺。模塊的工作模式分為三個部分，即AP，Modem和模塊系統，該模式有效降低了無線通信模塊的功耗[8-9]。深度睡眠模式下電流為3.7 μA，GNSS電源打開時無線模塊耗流為110 μA，電源供電峰值為500 mA。

結構一系統采集器采用鋰亞硫酰氯電池（ER34615電池）+SPC1550鋰離子電池電容器組合而成的復合電源。該復合電源的額定容量為19 A·h，額定電壓為3.6 V，最大脈沖電流為3 000 mA。BC20電壓范圍為2.1～3.63 V，為確保電源供電性能，在靠近模塊VBAT輸入端并聯一個低ESR型0.7 Ω的100 μF鉭電容，以及100 nF，100 pF和22 pF的濾波電容。同時，在靠近VBAT輸入端連接一個TVS管以提高模塊的浪涌和ESD承受能力。為滿足BC20供電和低功耗應用需求，使用DC-DC-3.3 V模塊（TI的TPS61099升壓斬波器）給BC20及其外圍設備供電，其靜態電流為1 μA。TPS61099主要應用在手持設備、電池供電系統中。

結構二系統采集器使用DC-DC-5 V（采用TI的TPS562200 DC-DC轉換芯片）模塊將9～17 V直流電源電壓降到5 V，其可提供3 A電流，其靜態電流小于10 μA。LDO-3（AMS1117-3.3）把5 V電壓穩定在3.3 V，為嵌入式處理器外圍電路、BC20外圍電路、傳感器等供電。

通過S1，S2撥動開關配置兩種不同結構下的供電電源切換方案。無論多節點系統還是單節點系統都同時使用LDO-1、LDO-2（TPS70930DBVR）分別給MCU和紅外熱釋電傳感器供電。紅外熱釋電傳感器電流偏大，為適應不同使用場景，選擇兩個低靜態電流LDO分別供電。MC14013B雙通道D觸發器控制TPS61099和TPS70930DBVR的使能端，MC14013B的靜態電流僅約5 nA，這樣能夠使用軟件來配置BC20及其外圍電路、MCU外圍電路的供電。軟件和硬件配置條件下設計出5種低功耗模式。衛生間是一個涉及個人隱私的地方，為防止設備被更換或者被盜，使用按鍵中斷喚醒MCU方式上傳報警消息。

2.2 NB-IoT功能節點嵌入式處理器及無線通信電路設計

如圖2所示，結構一系統中，兩個低功耗紅外熱釋電傳感器分別連接WKUP4和WKUP5，當系統采集器工作在功能節點1模式時，用來監測人流量;當工作在NB-IoT功能節點2模式時，用來監測每個蹲位信息。結構二系統中，單節點系統采集器有兩路RS 485轉換電路，定義USART2轉RS 485一路采集器連接到男衛生間，USART3轉RS 485一路采集器連接到女衛生間。USART5通過SP3232EEA電平轉換芯片與微型PC機連接，把衛生間數據傳輸到微型PC，處理后驅動液晶屏顯示。

NB-IoT無線通信模塊電路和GNSS天線端口都有50 Ω特性阻抗[10]。GNSS天線根據使用場景設計為有源天線，使用時更為靈活。為了能夠更好地調節射頻性能，為天線電路預留匹配電路。PCB設計中，所有的射頻信號線的特性阻抗應控制在50 Ω。

3 物聯網節點軟件設計

軟件配置硬件，嵌入式軟件讀取3位撥碼開關的電平來配置系統節點功能類型，數據上報成功后物聯網平臺下發配置指令，通過配置指令配置相關硬件使功能節點工作在不同的低功耗模式下。

NB-IoT功能節點的數據上報和接收見表1、表2所列。上報數據中兩字節字符幀頭為功能節點類型，即MF為功能節點1，MP為功能節點2，SN為功能節點3。在系統結構一模式下，為實現軟件配置硬件以降低系統采集器功耗，采集器模塊發送本地信息后接收平臺的統計數據。接收數據中使用的頻度信息包含了平臺統計的一段時間內該蹲位使用頻率最高的時間段。RTC中斷時間配置包含時、分、秒等信息。PWR_FLAG為該蹲位使用時間統計標志，PWR_FLAG默認值為1;服務器統計有1.2天無人訪問該蹲位時，PWR_FLAG值為2;8.4天以上無人訪問該蹲位時，PWR_FLAG值為3。平臺根據使用頻度信息和PWR_FLAG等信息決定是否使能夜間模式，該模式下LDO-2失能，可降低傳感器功耗。

在兩種系統結構模式下，NB-IoT無線通信模塊的低功耗配置可通過APN相關參數的配置來實現。針對不同的業務場景，NB卡提供多種特殊定制的APN，電信NB卡默認簽約Ctnb，移動NB卡APN為CMNBIoT。不同系統結構下選擇不同的APN參數，變更APN或TAU定時器操作時，只需重新附著網絡就會給終端下發新的APN配置參數[7-8]。功能節點初始化時，通過AT指令查詢無線通信模塊NB卡所屬運營商，根據不同運營商的APN配置信息表。配置電信卡時設備APN為ue.prefer.ctnb，可通過相關AT指令設置T3324，T_eDRX，T_PTW時間。

嵌入式軟件通過判斷撥碼開關的電平來配置兩種結構下系統節點的功能類型。MCU外設根據功能節點類型進行初始化，以滿足不同結構下系統的功耗需求。初始化成功后，結構一模式下系統功能節點未檢測到相應紅外熱釋電傳感器中斷或者RTC中斷時，將根據功耗模式標志位進入對應低功耗模式;檢測到中斷喚醒時，立刻上報數據，確定功耗標志位數據后進入相應功耗模式。結構二模式下系統功能節點循環判斷RS 485采集器蹲位信息數據，數據發生變化時按照表1中的數據幀格式上報。

結構一模式下功能節點低功耗模式轉換如圖3所示。該結構下，數據上報成功后物聯網平臺下發功耗配置指令，配置相關模塊電源進入低功耗模式。低功耗模式轉換命令為夜間模式與PWR_FLAG組成的十六進制配置指令（Work_Mode<<4&PWR_FLAG）。系統首先進入低功耗模式1，當NB-IoT功能節點從該模式喚醒后，判斷若夜間模式字節數據值為1，則進入低功耗模式1-1，RTC_Flag默認值為0;PWR_FLAG為2時NB-IoT功能節點進入低功耗模式2，RTC_Flag為1時節點進入低功耗模式2-2;PWR_FLAG為3時進入低功耗模式3，該模式下RTC喚醒功能節點，通過判斷使用頻度信息是否有效來確定功能節點的工作模式。使用頻度信息有效則系統配置RTC相關寄存器后進入低功耗模式2。系統采集器為功能節點1或者2時，空閑狀態下進入多節點系統低功耗模式。結構二模式下，單片機循環接收串口數據并判斷數據變化，當數據變化時通過BC20無線通信模塊上報服務器。該模式下，系統功耗對使用的影響不大，不必通過軟件配置硬件功能節點工作在低功耗模式下，但可預留數據接收功能，接收的數據可以做為廣告或者提示信息發布在微型PC液晶顯示器。STM32L4串口USART5把平臺發送的數據和接收到的衛生間狀態信息發送到液晶顯示器顯示。

4 測試結果

表3所列為結構一模式下功能節點1各低功耗模式下測得的模塊電流。實際測試時在四樓室內，NB-IoT無線通信模塊附著到網絡連接物聯網平臺的平均時間為15 s，平均電流為130 mA。若低功耗節點工作在低功耗模式1超22 h未檢測到有人，則平臺自動發送命令控制設備切換到低功耗模式2;如果超6.2天未檢測到有人，則設備進入低功耗模式3。

根據“一部手機游云南”相關統計數據可知，云南省擁有旅游廁所5 000余座，其中22.3%的衛生間處于無法市電供電狀態。目前，已上線智慧衛生間736座，游客使用次數超100萬次。

通過實驗結果可以證明本系統節點軟件配置硬件、硬件配置軟件的方法實現了低功耗結構可配置的目的，同時系統在結構一模式下功能節點的功耗完全能夠在電池供電情況下長久工作。使用該方法完成的功能節點部署設計能夠有效提高衛生間的使用率與“智慧衛生間”的覆蓋率，并滿足其功耗需求，為亟需如廁的人們提供有效的尋找衛生間服務。

5 結 語

廁所建設供給不足、質量不高是我國旅游發展公共服務建設最薄弱的一個環節。隨著智慧城市與“一機游”的發展，以及人們生活水平的提高，人們對出行效率、衛生間品質的要求隨之提升。利用物聯網技術實現對衛生間使用情況以及環境的監測是提高出行效率和改良衛生間環境的重要手段。低功耗結構可配置的方法完全能夠解決當前衛生間所面臨的難題。

參考文獻

[1]侯海風.NB-IoT關鍵技術及應用前景[J].通訊世界，2017，24（14）：1-2.

[2]董光光.基于物聯網技術的智慧廁所系統設計[J].廣西科學院學報，2017，33（1）：71-74.

[3]陳石波.基于51單片機的公廁蹲位顯示系統設計與實現[J].重慶師范大學學報（自然科學版），2013，30（3）：89-93.

[4]張峰.智慧公共衛生間平臺的設計與研究[J].設計，2019，32（13）：133-134.

[5]吳曉斌.基于NB-IoT的窨井蓋及井下工況遠程監控系統設計[D].太原：中北大學，2018.

[6]許劍劍.基于NB-IoT的物聯網應用研究[D].北京：北京郵電大學，2017.

[7]王明浩. 基于智慧城市建設的NB-IoT應用研究[J]. 物聯網技術， 2017，7（7）：79-82.

[8]方嘉斌.基于LTE網絡的NB-IoT網絡性能研究[D].杭州：浙江工業大學，2017.

[9]宋永華，林今，唐明，等.基于廣域低功耗網絡的能源物聯網[J]. Engineering，2017，3（4）：67-82.

[10]徐業鵬.NB-IoT節點的低功耗運行研究與設計[D].銀川：寧夏大學，2018.