基于NB-IOT的室內環境監測和報警系統

譚汶易

（武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

在現在的智能家居市場中，大部分智能家居系統只能實現檢測功能，且檢測數據也有較大的誤差。本系統以NB-IOT為核心，解決數據傳輸云端的問題，以較低的成本實現了更加完善的功能。為解決一些安全隱患，本系統配置的報警系統在檢測到有害氣體濃度超標時，能夠及時提醒用戶。在最易發生事故的廚房，配備了檢測和自動關閉天然氣閥門的裝置，同時用戶可以通過云平臺下發指令，遠程關閉天然氣閥門，降低火災發生的概率。

2 總體設計

本設計主要由傳感器采集系統、數據處理與傳輸系統、電源控制系統、無線通信系統、報警系統、自動關閥系統組成。數據處理與傳輸系統主要由Zigbee模塊控制，電源控制系統采用自制的降壓電路控制板，無線通信系統指NB-IOT模塊和云端互傳數據，報警系統主要包括聲光報警和短信報警兩部分，自動關閥系統通過步進電機來執行。

3 系統硬件設計

3.1 傳感器控制部分

傳感器主要用于實時監測室內情況，為單片機提供及時、準確的信息，使其做出最優判斷。

溫濕度采集部分使用STM8L051F3芯片和SHT20芯片控制的高精度傳感器。溫度測量精度0.3℃，濕度測量精度可達3%RH，單片機串口采集其輸出的TTL電平，經過內部轉換處理后可得測量的溫濕度值。

氣體傳感器部分由DS-HCHO甲醛傳感器、MQ-135傳感器、天然氣檢測傳感器、煙霧傳感器組成。STM32F4單片機自帶12位ADC接口，可以檢測氣體傳感器輸出的電壓信號，氣體濃度的大小與輸出的電壓值成正比關系，通過單片機內部計算后得到氣體濃度。

為提高檢測速度和精度，使用DMA傳輸方式采集電壓。ADC采集并轉換后的數值被保存到一個16位的規則通道數據寄存器中，通過DMA將其值讀取并傳輸到通信模塊，無需通過CPU進行傳輸，極大提高了檢測效率。

3.2 Zigbee數據傳輸

Zigbee模塊相較于藍牙模塊、wife模塊，傳輸速率更快，價格更低。因此在本系統中，單片機通過串口與Zigbee連接實現數據互傳。

3.3 電源和執行機構設計

為了避免因斷電而致使設備無法使用的情況發生，本系統采用220 V交流電和12 V備用電池的雙電源方案。通過開關電源將220 V電壓轉換為12 V電壓輸出，將鋰電池供電部分接到備用接口，電源轉換通過繼電器控制，從而實現24 h不間斷工作，增強了系統的穩定性。

由于本系統中所用傳感器核心主控板的供電電壓為3.3V、5 V。設計以TPS54360芯片、AMS1117芯片為核心電源控制板。

步進電機具有扭矩大，反應快速、精準的特點。步進電機的轉向控制端與單片機的IO口連接，通過輸出高低電平來實現其正反轉。同時將單片機的PWM輸出口與步進電機相連，通過改變輸出的TTL電平來控制其轉動的距離。

3.4 無線通信系統

在本系統中，以移遠NB-IOT BC26模塊作為通信模塊，其具有超低功耗、安全性強、穩定可靠、低成本的優勢，使用MQTT協議與云端互傳數據。MQTT是一個基于客戶端與服務器的用于發布和訂閱消息的傳輸協議。傳輸數據穩定、快速，能適應低寬帶、低開銷的情況。

通過該模塊與阿里云物聯網平臺連接，單片機通過串口與其互傳數據。單片機通過發送AT指令建立和BC26模塊間的通信，同時將卡號發送給模塊，同時發送激活網絡的指令，等待應答成功后，查詢并保存當前的激活狀態。等待模塊網絡激活成功，配置前景場景并激活，此時單片機發送指令控制BC26模塊從MQTT服務器斷開一個客戶端，并將其網絡關閉，同時將阿里云平臺上配置的設備參數發送給模塊，完成模塊和云端的連接后，將MQTT客戶端網絡打開。此時，單片機向BC26模塊發送傳感器檢測的數據，模塊通過建立的MQTT協議將數據傳輸傳送到云平臺。

3.5 報警系統

3.5.1 聲光報警

聲光報警的設計部分主要由LED燈和語音播放模塊兩部分組成。當報警功能啟動時，單片機控制LED快速閃爍，同時串口發送指令到語音模塊，播放存放在SD卡中的錄音。

3.5.2 短信報警

短信報警的設計部分主要由GPRS模塊控制短信的發送。在本系統中，采用SIM800C模塊，附著GPRS網絡傳輸數據，具有傳輸距離遠、傳輸速度快的特點。單片機與模塊連接成功后，通過發送AT指令來實現控制。短信報警功能啟動時，串口發送AT指令初始化SIM800C模塊的短消息模式，設置短信為text模式，單片機將短信內容轉成Unicode字符串存放到數組中。此時，單片機等待SIM800C模塊應答，應答成功后，串口發送指令設置接收方電話號碼和短信中心號碼，將設置的短信發送出去。

4 系統軟件設計

系統以STM32芯片為載體，通過keil軟件編寫程序。每次進入主程序時，通過接收各種傳感器數據并進行處理，將數據通過MQTT協議傳到用戶操作的云平臺。采集的數據與設定值進行比對分析，若檢測的數據超過設定值，就會觸發系統的兩種報警方式，提醒用戶。軟件系統工作流程如圖1所示。

圖1 軟件系統工作流程圖

5 測試結果

測試系統工作的穩定性。各傳感器正常工作，兩塊單片之間數據傳輸穩定，NB-IOT模塊成功與阿里云物聯網平臺通信，實時傳輸數據。

6 結語

本系統以STM32F407、NB-IOT模塊為核心，實現數據與云端的互傳，配置多種傳感器同時檢測，使用Zigbee模塊實現單片機之間近距離傳輸數據，供電方式采用雙電源供電，實現24 h不間斷運作，同時配備報警系統，解決用戶居住的一些安全隱患。登錄云平臺，可以遠程監控室內環境，支持查詢歷史數據。

隨著智能家居行業的飛速發展，本系統成本低、可操作性強，可以在其基礎上添加更多的功能，為保障人們生活的舒適、安全和便利提供一些新的發展方向。