基于NB-IoT技術的多傳感器數據采集系統設計

辛慧娟， 肖軍

(1.陜西工業職業技術學院 電氣工程學院, 陜西 咸陽 712000;2.西安航空學院 電子工程學院, 陜西 西安 710077)

0 引言

隨著社會的發展、科技水平的飛速提升，信息數字化的傳播，數據采集正邁向智能化、網絡化。傳統的數據采集裝置，是通過人工測量數據，并且人工收集數據，然后再整理數據輸入到PC機處理和分析。很顯然傳統數據采集方式工作繁重，誤差較大，準確性不高，實時性差。數據采集系統可以提高數據采集的準確性和實時性，同時儲存在數據庫的數據也方便調用。在實際使用中，數據采集系統需要與網絡相連。網絡接入包括有線接入和無線接入。無線接入法是通過網絡服務器發布無線連接信號，利用微波和衛星將系統接入到網絡中。研究發現傳統的接入法存在運行時間長、誤傳率高的問題[1]。

物聯網技術、嵌入式技術和傳感器技術已成為信息產業的發展方向。無線傳感器網絡(WSN)在智能家居、智慧農業、智慧交通、災情監控等方面的應用越來越廣泛。結合無線傳感器網絡協議和物聯網技術進行物聯網組網優化設計，在監測區域中，布置大量傳感器，對數據優化采集，已到達在監控區域內信息監測和控制能力的提升。本文結合物聯網技術、嵌入式技術和傳感器技術，設計了一款基于NB-IoT技術的數據采集系統，該系統具有成本低、低功耗的特點，可應用于各個領域，可以實現監控區域信息的無線采集、傳輸、處理，將數據存儲于服務器端的數據庫，并且可以實現PC終端的信息交互，使監控人員隨時可以使用各種能聯網的設備獲取現場狀況[2-4]。

1 系統總體方案設計

1.1 總體方案設計

本文所設計的基于NB-IoT數據采集系統，是以32位的Cortex-M4系列微處理器作為核心控制器，結合各個功能模塊的電路，以基于NB-IoT通信技術，達到完成對多種參數(溫度、濕度、二氧化碳、一氧化碳等)進行測量與實時監測。在設計硬件電路時，將主控制器外圍電路劃分為不同的獨立模塊，不如：數據采集模塊(或傳感器模塊)、攝像頭模塊、NB-IoT通信模塊、電源電路模塊、時鐘電路、復位電路等，這些模塊都是圍繞STM32微處理器運行的。

1.2 NB-IoT技術

物聯網技術是互聯網技術的一項革新應用，也是延伸。物聯網就是通過感知元件采集物品的一些信息，進行傳輸，結合互聯網技術，進行信息交換和處理，最終實現實時監測物品和管理。感知元件和互聯網是物聯網技術的關鍵，感知元件定義為感知層，能夠將物品的狀態上傳至互聯網，最終將信息傳遞給客戶端。

目前，常用的無線通信技術有Wifi、藍牙、Zigbee等[5]。Wifi是一種無線局域網接入技術，采用802.11協議，網絡覆蓋100米左右，功耗大[6]。藍牙技術是短距離的無線通信技術，傳輸半徑只有10米，可以實現點對點或一點對多點的通信，具有低功耗、低成本、抗干擾能力較弱等特點[7]。Zigbee技術采用IEEE802.15.4標準，傳輸距離在10～100 m，具有低功耗、低成本等特點[8]。窄帶物聯網(NB-IoT)是全新窄帶無線接入技術，通常也被叫作低功耗廣域網(LPWAN)。NB-IoT是在LTE基礎上發展起來的，NB-IoT帶寬為 180 kHz，上下行速率不超過250 kbit/s，NB-IoT終端類型為Cat.NB1。NB-IoT網絡結構,如圖1所示。

圖1 NB-IoT組網圖

其中包括NB-IoT終端，NB-IoT基站，NB-IoT核心網，NB-IoT云平臺和垂直行業中心。NB-IOT技術與其他技術相比，網絡覆蓋面提升了；NB-IoT電池可以支撐十年，大大降低了功耗。綜上所述，本系統采用NB-IoT通信協議[9-11]。

2 系統硬件模塊設計

2.1 主控制器模塊

STM32單片機與其他單片機比較，具有價格低、功能強、開發方便等特點。本系統采用STM32F407單片機，STM32F407是32位高性能微控制器，具有CortexTM-M4架構，抗干擾能力強，使用獨立的數據總線和指令總線。其主頻為168 MHz，自帶DCMI接口，能夠接收外部CMOS攝像頭模塊發出的高速數據流。該架構含有好多個總線接口，都可以對自己的應用進行優化。利用STM32對采集到的多種數據信息進行處理后，將已處理數據通過NB-IoT無線通信發送到網絡平臺。

2.2 NB-IoT模塊

NB-IoT是窄帶物聯網技術，也被稱為低功耗廣域網。目前NB-IoT的帶寬消耗已降至180 kHz，因為其優點比較突出，所以可以將NB-IoT部署在GSM網絡、UMTS網絡和LTE網絡中。該系統NB-IoT模塊采用5 V供電，每15 min向外發射信號一次。STM32單片機與NB-IoT模塊相連，NB-IoT模塊與網絡相連，將數據信息傳送到后臺，實現雙向透明傳輸。

2.3 攝像頭模塊

OV2640是一款CMOS圖像傳感器，自帶JPEG輸出功能。STM32F407自帶同步并行數字攝像頭(DCMI)接口，與OV2640連接，可以控制數據傳輸方式、圖像質量和設置數據格式。同時能夠以DMA的方式接收攝像頭發出的高速數據流，降低了CPU的工作量，大大減少了圖像處理的數據量，靈敏度高。

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器(DHT11)、一氧化碳傳感器(MQ-7)、二氧化碳傳感器(MG-811)。各模塊監測周圍環境中對應參數值。各傳感器與主控芯片STM32相連接，各傳感器將被測模擬信號轉變為可被STM32處理的數字信號，并將數據通過NB-IoT無線通信傳輸到云平臺。各傳感器將采集的數據傳給STM32，STM32對這些數據進行校驗，這樣就有效的提高了數據傳輸的正確性[12]。

2.5 電源模塊

本系統使用LDO低壓差模擬電源芯片AMS1117-3.3，該芯片工作特性是：當輸入電壓在4.8～10 V之間時，能輸出3.3 V的穩定電壓。本系統中芯片與傳感器所需電壓都為3.3 V，模塊提供的是5 V直流電，可以通過該穩壓芯片把電壓降到3.3 V，其穩定性較高，功耗較低，能夠給系統提供穩定的電壓。電源電路原理,如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖

3 系統軟件設計

3.1 主程序軟件設計

該系統軟件設計主要包括終端數據采集與數據通信協議設計、IOT云平臺以及客戶端軟件設計。為了移植方便，該系統采用C語言編寫，使用Keil uVision5軟件編譯。并且使用軟件構件技術設計底層驅動程序，可以提高軟件的開放性、移植性、通用性以及系統穩定性。根據模塊功能，終端構件,如圖3所示。

構件設計包含源程序文件(.c)和頭文件(.h) 兩部分。主程序設計過程,如圖4所示。

主程序設計在main()函數中調用函數，主要進行聲明主函數中變量類型和名稱，關總中斷；進行系統初始化，初始化各個模塊；調用傳感器模塊采集的參數，根據設定的閾值判斷采集數據是否正常[13-16]。

3.2 數據通信協議設計

本系統在采集終端和IOT云平臺之間采用了CoAP通信協議，該協議是一種應用層通信協議，波特率為9 600 bit/s。通信時，首先與IOT云平臺服務器建立連接，接入網絡后再進行數據傳輸。CoAP通信協議最小數據包僅為4字節，可實現微型機之間的通信。數據發送格式采用CRC校驗，提高了數據的準確性。

圖4 主程序流程圖

3.3 通信機制

根據NB-IoT通信技術的架構可知，在通信中，終端設備的識別是采用IP地址+IMSI號的方法，每個終端設備有且只有一個IMSI號，給傳輸的數據包加入目的IP地址，以保證通信的有效進行。通信中一幀數據格式：幀頭占2字節、傳輸數據占32字節、IP地址占15字節、IMSI號占15字節、驗證碼占2字節、幀尾占2字節。該幀結構可以提高數據傳輸的正確性。為了保證數據模塊通信成功，設置了重復發送的次數，有效避免外界干擾引起的傳輸失敗。

4 通信測試

為了檢測該系統的穩定性和準確性，實際搭建了模擬仿真實驗平臺。將傳感器所采集的濕度、溫度、一氧化碳以及二氧化碳等參數，通過NB-IoT核心網和云平臺每隔6分鐘發送到監測中心的PC機的檢測界面中，進行操作和觀察。經反復實驗分析，該系統數據傳輸中沒有產生丟包的現象，運行較穩定，數據比較準確。

5 總結

本文結合物聯網技術、嵌入式技術和傳感器技術，設計了基于NB-IoT的多傳感器數據采集系統，并通過硬件模塊和軟件功能模塊的設計，運用云平臺技術，最終實現了無線通信的數據采集系統，能對溫濕度、一氧化碳以及二氧化碳進行實時監控。通過實驗表明:該方案能夠快速地對環境進行數據采集，且運行穩定，數據采集準確，達到了設計之初的要求，并且具有通用性和擴展性。