基于NB-IOT的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測和報警系統(tǒng)

譚汶易

（武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

在現(xiàn)在的智能家居市場中，大部分智能家居系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)檢測功能，且檢測數(shù)據(jù)也有較大的誤差。本系統(tǒng)以NB-IOT為核心，解決數(shù)據(jù)傳輸云端的問題，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了更加完善的功能。為解決一些安全隱患，本系統(tǒng)配置的報警系統(tǒng)在檢測到有害氣體濃度超標(biāo)時，能夠及時提醒用戶。在最易發(fā)生事故的廚房，配備了檢測和自動關(guān)閉天然氣閥門的裝置，同時用戶可以通過云平臺下發(fā)指令，遠(yuǎn)程關(guān)閉天然氣閥門，降低火災(zāi)發(fā)生的概率。

2 總體設(shè)計

本設(shè)計主要由傳感器采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、自動關(guān)閥系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)主要由Zigbee模塊控制，電源控制系統(tǒng)采用自制的降壓電路控制板，無線通信系統(tǒng)指NB-IOT模塊和云端互傳數(shù)據(jù)，報警系統(tǒng)主要包括聲光報警和短信報警兩部分，自動關(guān)閥系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)來執(zhí)行。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 傳感器控制部分

傳感器主要用于實(shí)時監(jiān)測室內(nèi)情況，為單片機(jī)提供及時、準(zhǔn)確的信息，使其做出最優(yōu)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(dá)3%RH，單片機(jī)串口采集其輸出的TTL電平，經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)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(jī)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(guān)系，通過單片機(jī)內(nèi)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(zhuǎn)換后的數(shù)值被保存到一個16位的規(guī)則通道數(shù)據(jù)寄存器中，通過DMA將其值讀取并傳輸?shù)酵ㄐ拍K，無需通過CPU進(jìn)行傳輸，極大提高了檢測效率。

3.2 Zigbee數(shù)據(jù)傳輸

Zigbee模塊相較于藍(lán)牙模塊、wife模塊，傳輸速率更快，價格更低。因此在本系統(tǒng)中，單片機(jī)通過串口與Zigbee連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳。

3.3 電源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

為了避免因斷電而致使設(shè)備無法使用的情況發(fā)生，本系統(tǒng)采用220 V交流電和12 V備用電池的雙電源方案。通過開關(guān)電源將220 V電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換通過繼電器控制，從而實(shí)現(xiàn)24 h不間斷工作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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

步進(jìn)電機(jī)具有扭矩大，反應(yīng)快速、精準(zhǔn)的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制端與單片機(jī)的IO口連接，通過輸出高低電平來實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)。同時將單片機(jī)的PWM輸出口與步進(jìn)電機(jī)相連，通過改變輸出的TTL電平來控制其轉(zhuǎn)動的距離。

3.4 無線通信系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，以移遠(yuǎn)NB-IOT BC26模塊作為通信模塊，其具有超低功耗、安全性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、低成本的優(yōu)勢，使用MQTT協(xié)議與云端互傳數(shù)據(jù)。MQTT是一個基于客戶端與服務(wù)器的用于發(fā)布和訂閱消息的傳輸協(xié)議。傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、快速，能適應(yīng)低寬帶、低開銷的情況。

通過該模塊與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺連接，單片機(jī)通過串口與其互傳數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過發(fā)送AT指令建立和BC26模塊間的通信，同時將卡號發(fā)送給模塊，同時發(fā)送激活網(wǎng)絡(luò)的指令，等待應(yīng)答成功后，查詢并保存當(dāng)前的激活狀態(tài)。等待模塊網(wǎng)絡(luò)激活成功，配置前景場景并激活，此時單片機(jī)發(fā)送指令控制BC26模塊從MQTT服務(wù)器斷開一個客戶端，并將其網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉，同時將阿里云平臺上配置的設(shè)備參數(shù)發(fā)送給模塊，完成模塊和云端的連接后，將MQTT客戶端網(wǎng)絡(luò)打開。此時，單片機(jī)向BC26模塊發(fā)送傳感器檢測的數(shù)據(jù)，模塊通過建立的MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸傳送到云平臺。

3.5 報警系統(tǒng)

3.5.1 聲光報警

聲光報警的設(shè)計部分主要由LED燈和語音播放模塊兩部分組成。當(dāng)報警功能啟動時，單片機(jī)控制LED快速閃爍，同時串口發(fā)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(shè)計部分主要由GPRS模塊控制短信的發(fā)送。在本系統(tǒng)中，采用SIM800C模塊，附著GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快的特點(diǎn)。單片機(jī)與模塊連接成功后，通過發(fā)送AT指令來實(shí)現(xiàn)控制。短信報警功能啟動時，串口發(fā)送AT指令初始化SIM800C模塊的短消息模式，設(shè)置短信為text模式，單片機(jī)將短信內(nèi)容轉(zhuǎn)成Unicode字符串存放到數(shù)組中。此時，單片機(jī)等待SIM800C模塊應(yīng)答，應(yīng)答成功后，串口發(fā)送指令設(shè)置接收方電話號碼和短信中心號碼，將設(shè)置的短信發(fā)送出去。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)以STM32芯片為載體，通過keil軟件編寫程序。每次進(jìn)入主程序時，通過接收各種傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議傳到用戶操作的云平臺。采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比對分析，若檢測的數(shù)據(jù)超過設(shè)定值，就會觸發(fā)系統(tǒng)的兩種報警方式，提醒用戶。軟件系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)工作流程圖

5 測試結(jié)果

測試系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。各傳感器正常工作，兩塊單片之間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，NB-IOT模塊成功與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通信，實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)以STM32F407、NB-IOT模塊為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與云端的互傳，配置多種傳感器同時檢測，使用Zigbee模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間近距離傳輸數(shù)據(jù)，供電方式采用雙電源供電，實(shí)現(xiàn)24 h不間斷運(yùn)作，同時配備報警系統(tǒng)，解決用戶居住的一些安全隱患。登錄云平臺，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境，支持查詢歷史數(shù)據(jù)。

隨著智能家居行業(yè)的飛速發(fā)展，本系統(tǒng)成本低、可操作性強(qiáng)，可以在其基礎(chǔ)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(fā)展方向。