基于OneNET云平臺的古鎮環境監測系統設計

鐘銳 劉凱

摘要：針對古鎮的環境和安全管理效率低、人工巡檢強度大和監測范圍有限等問題，設計了一套基于NB-IoT和OneNET云平臺的古鎮物聯網環境監控系統，系統由應用層、云平臺層、網絡層和終端感知層4個部分構成。終端設備層由場景內溫濕度、煙霧、氣象和人流量監測等傳感節點進行環境數據感知并通過NB網絡進行傳輸，將采集的環境監測數據發送至OneNET云平臺層的服務器，同時下達相關指令，用戶可通過PC端的Web界面隨時登錄管理系統進行訪問控制。系統操作簡單、安全可靠，且能夠有效實現遠程監控和環境數據監測的要求，有效提高了古鎮的智能化管理水平，具有很高的實用價值。

關鍵詞：NB-IoT；OneNET云平臺；環境監測；Web界面

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）15-63-5

0引言

隨著人們生活水平的提高和對精神生活的追求，旅游成為人們生活中不可或缺的一部分，擁有歷史文化底蘊的古鎮成為人們游玩的首選。伴隨物聯網技術、云平臺和移動互聯網技術的迅速崛起，其相關應用已經逐漸延伸到日常生活的各個角落。隨著古鎮監管力度的加強，為了更好地對環境進行管理，將互聯網環境監測應用到古鎮管理系統中，進而實現古鎮的智能化管理。當前的環境質量監測裝置大多是互聯網的單點設備[1]，不具備遠程在線實時監測的功能；還有一些聯網環境監測設備多為開發者自行部署的服務器，對系統建設成本要求相對較高。本文提出一種采用多種NB傳輸的終端傳感器節點，并將傳感器采集到的環境監測數據傳送到OneNET云平臺的物聯網環境監控系統[2]，驗證了對環境監測的可行性，且提高了古鎮安全管理的時效性和安全性。

1系統總體方案設計

基于OneNET云平臺的物聯網監測系統分為4個部分，包含應用層、云平臺層、網絡層和終端感知層，如圖1所示。終端設備層是系統的核心，負責完成古鎮內安置的各類傳感器的數據信息采集，其中包含溫濕度、煙霧濃度和氣象指數等采集模塊[3]。網絡層位于感知與云端之間，主要負責接入網的信息傳輸，通過低功耗的NB-IoT通信網絡進行數據傳輸，并使用標準數據通信協議來保證數據有效地傳送至平臺層。云平臺層使用OneNET物聯網云平臺，實現設備接入、安全認證以及數據推送等。應用層使用前后端分離的系統架構，云服務器負責數據的處理和存儲，同時與Web端采用MQTT協議建立通信連接，用戶通過PC端登錄Web管理界面，從云平臺獲取實時數據，包括設備的位置及狀態和監控數據的查詢等。

隨著物聯網和互聯網業務的發展[4]，物聯網業務逐漸以運營商通道為基礎向客戶端延伸，形成了“端、管、云”的網絡架構[5]。設計從古鎮管理需求出發，根據管理單位的需要，通過瀏覽器對系統進行遠程訪問控制，可以擺脫用戶對客戶端的需求，免除安裝的環節，并且采用可以安裝物聯網卡的傳感設備，用戶可以對設備進行手機綁定，并通過短信通知的方式告知用戶設備的告警狀態，為古鎮的安全管理創造了安全且高效的管理模式。

2系統硬件設計

本文所涉及的物聯網環境監測系統的硬件包含控制模塊、通信模塊、傳感器以及電源，控制模塊選用STM32系列[6]，通信模塊選用華為BC28與OneNET平臺基于MQTT協議進行信息交互。

2.1系統主控電路設計

為了方便系統的移植、擴展以及更換等需求，系統選用ST公司的STM32L4R5[7]，其具有高性能和配置滿足系統的需求，通過BC28通信模塊進行數據傳輸與OneNET平臺進行連接，并搭載溫濕度傳感、煙霧傳感、人流量傳感、氣象指數傳感和電源監測傳感等模塊[8]，基本原理是以STM32為MCU，將傳感器采集的監測數據通過BC28傳輸到云平臺，通過開發的基于Web的B/S監控系統進行訪問和控制[9]。

2.2電源模塊設計

根據物聯網環境監測器各單元的功耗情況不同，系統需要使用3.3 V，5 V，12 V的直流電壓，其中3.3 V和5 V是對單片機、傳感器等進行供電，12 V的直流電壓是由220 V的交流電通過逆變器（DC-AC）轉換得到，主要對設備的制冷裝置進行供電。

2.3網絡傳輸設計

NB-IoT模組通信模塊使用移遠通信生產的BC28模塊，該模塊支持所有運營商的網絡測試，帶有Arduino接口，支持多種頻段，通過NB無線電通信協議與各運營商基站間建立通信連接。模塊通過串口使用AT指令進行命令控制，終端設備向適配器或者數據終端發送建立連接的指令。BC28模塊有58個LCC引腳，各接口功能包含電源供電電路、復位模塊、串口、USIM接口、天線接口等，內部配有穩壓器可以延長電池壽命，背部有單獨SIM卡槽，方便SIM卡插入，且SIM加入ESD保護，防止插卡過程因靜電造成設備損壞。BC28外部引腳如圖2所示。

2.4數據采集模塊

系統需要采集的參數包含溫度、濕度、氣壓和PM值等環境信息，使用各類無線外接傳感器通過無線網絡進行數據傳輸，使用OneNET平臺提供的“設備-數據流-數據點”模型，基于EDP協議完成定制業務平臺的實現，OneNET應用平臺架構如圖3所示[10]。

本文終端設計實現了環境數據的采集、數據上傳和接受指令反饋3個功能。采用STM32L4R5系列芯片做開發板，通過外接傳感器實現環境數據采集上傳，BC28模塊實現數據上傳，相關設備開關通過繼電器實現控制，STM32開發板外接蜂鳴器、LED燈和無線模塊等，所以主程序需要完成系統時鐘及系統初始化和相關指令，循環上傳環境數據，終端設備架構設計如圖4所示。

3系統軟件設計

3.1古鎮管理系統平臺設計

系統軟件設計是系統實現的核心環節，本系統采用移動OneNET云服務器進行數據存儲轉發、命令下達等。負責數據采集的終端設備接入前，需要在OneNET平臺（https：//open.iot. 10086.cn/）注冊賬號，成功注冊后，終端節點通過三元組進行設備綁定[11]、身份密匙認證從而獲取設備證書，在平臺完成設備的添加和數據上傳發布，OneNET云平臺設備接入基本流程如圖5所示。

平臺設計是基于OneNET云平臺來實現，平臺提供存儲轉發設備上報點、API接口實現設備管理以及數據推送等功能，搭配主流物聯網傳輸協議并且兼容各種網絡環境。注冊賬號后在平臺的控制端創建產品并選擇相應協議[12]，創建好產品后添加設備，獲取相應的API地址，該信息將作為設備的身份信息，在連接組件中用于設備的識別，實現實體設備與云平臺之間的對應連接，在設備成功連接后，進行設備發布并公布到公開的網站中，最后對網頁框架進行設計，顯示相關數據和采集時間[13]。

環境監測系統的設計中選擇TCP協議實現終端設備與OneNET來建立連接，通過構建HTTP協議封裝實現數據傳輸，根據平臺提供的特定格式將數據上傳至平臺[14]，平臺上的數據流存儲分析上傳的數據點，同時建立系統應用，設備成功接入云平臺后，在開發者中心可以看到上傳的數據流，采用MQTT協議從OneNET平臺獲取數據，實施遠程訪問控制[15]。用戶通過授權訪問進入Web端管理系統界面，輸入用戶名、密碼，系統運行界面如圖6所示。

上層的瀏覽器應用程序用于滿足用戶對溫濕度、氣象和PM等環境數據的監測需要，主要實現對終端上傳數據的動態實時展現。服務器通過API接口向OneNET平臺拉取數據信息或推送控制信息，然后再實時展現在前端網頁上供用戶瀏覽、操作控制等。另外，在平臺側添加設備告警閾值規則，對超過規定值的異常數據進行報警引起管理員的注意。瀏覽主要運用的技術包含HTML，CSS等[16]。應用端的呈現主要是將OneNET平臺生成的應用嵌入進來，以表盤和柱狀圖的形式反應數據的變化，還調用了實時天氣的控件，以便于用戶對各個環境參數有直觀的了解。

系統的邏輯控制主要是實現古鎮內的環境數據監測，通過通信模塊實現與OneNET平臺之間的信息交互，終端設備上電后，通過NB-IoT連接至OneNET平臺[17]，平臺接收消息后，與設備進行消息交換，并上傳采集到的數據進行相關指令操作，邏輯控制流程如圖7所示。

3.2系統的通信設計

系統中數據入網選用無線通信的方式，通信模塊選用移遠BC28模組，該模塊是我國自產的一款NB-loT通信模塊，兼容GSM的M26模式，便于用戶升級。BC28通信模塊內部含有射頻功能、基帶功能、電源管理以及外圍接口，并且支持多種協議棧，負責將監測數據進行封裝，通過CoAP報文協議格式發送。主控模塊選用STM32系列通過UART2接口互聯[18]，實現主控器與通信模塊之間的數據傳輸，通過AT指令實現對BC28的控制，AT指令如表1所示。

BC28通信模塊通過MQTT協議連接至云平臺，在平臺創建業務，發布消息并上傳，實現設備與物聯網平臺之間的消息通信[19]，系統中所有的數據應創建完整的數據報文才可通過BC28進行發送，消息發布流程如圖8所示。

4系統的測試與運行

將系統中的各硬件模塊進行功能集成，對終端設備進行安裝上電并進行組網調試，然后通過PC終端登錄中國移動OneNET云平臺。用戶可以實時監控傳感器監測數據，終端設備通過綁定的手機號碼短信通知用戶設備告警狀態。本系統設計考慮了后續的用戶需求，以及場景的多樣化發展，在后續的研發上可以進行相應的功能擴展。經過一系列測試驗證后，系統可以有效監測各傳感器采集的環境信息，且實時穩定地接收平臺的命令下達及轉發，同時云端可以儲存部分設備歷史記錄供用戶進行調閱，提供一定參考。

5結束語

本文圍繞古鎮環境治理以及安全管理設計了一款圍繞OneNET云平臺，以NB-IoT技術為核心的古鎮物聯網環境監測系統平臺，對古鎮的氣象、溫濕度、煙霧濃度以及人流量進行監測。系統以STM32L4R5為核心，利用BC28和OneNET云平臺設計了基于物聯網遠程控制的環境監測系統，解決了古鎮當前的環境保護以及安全管理需求，不僅可以方便管理人員通過遠程訪問控制的方式對古鎮進行環境監管和安全管理，而且基于Web頁面的管理系統操作方便、使用簡單，模塊化的開發和設計為后期的功能擴展提供了方便，極大地提高了古鎮管理的及時性與安全性。

參考文獻

[1] GONCALO M，RUI P. An Indoor Monitoring System for Ambient Assisted Living based on Internet of Things Architecture[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health，2016，13（11）：1152.

[2]鄧懷俊，鄧杰.基于OneNET云平臺的物聯網監控系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2019，19（9）：58-61.

[3]蔣盼盼，張振峰，周燦宗.基于云平臺的智能家居系統設計與應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2021，21（11）：67-70.

[4] BELLEY C，GABOURY S，BOUCHARD B，et al.An Efficient and Inexpensive Method for Activity Recognition within a Smart Home Based on Load Signatures of AppliAnces[J].Pervasive and Mobile Computing，2014，12（12）：58-78.

[5]丁飛，吳飛，艾成萬，等.基于OneNET平臺的環境監測系統設計與實現[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2018， 38（4）： 24-29.

[6] STMicroelectronics. STM32Cube MX [EB/OL].[2022-03-10]. http：// www.st.com/en/develommenttools /stm32cubemx.html.

[7]金曉煜，陳偉利.基于STM32單片機和RPi的智慧消防聯動控制系統的硬件設計[J].科學技術創新，2021（17）：171-172.

[8]孫萬里.基于云平臺和NB-IoT的物聯網監控系統開發[D].杭州：浙江大學，2021.

[9]劉曉劍.基于Onenet的物聯網監控系統[D].鄭州：鄭州大學， 2016.

[10] CHANA I，BANSAL M，CLARKE S.Enablement of IoT Based Context-aware Smart Home with Fog Computing [J]. Journal of Cases on Information Technology，2017，19 （4）： 1-12.

[11]蔡友宏.基于NB-IoT和OneNet云平臺的環境監測系統[J].電子技術與軟件工程，2018（24）：51-52.

[12]王巧馨，涂亮，邵青蕓，等.基于OneNET的游泳館水質監測系統設計[J].科學技術創新，2021（19）： 37-39.

[13]張萍.基于ESP8266和OneNET云平臺的遠程報警系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2017，17（12）：64-67.

[14] FERNANDO T S，AURORA G V，ALFONSO P R G，et al.An Open Iot Platform For The Management and Analysis of Energy Data[J].Future Generation Computer Systems， 2019，92：1066-1079.

[15]龍巧玲，牛德雄，林利云.基于OneNET云平臺與物聯網MQTT協議的智慧節能控制系統[J].計算機測量與控制， 2021，29（7）：127-130，135.

[16] SCHAFERS M.HTML，XHTML，and CSS Nible[M].New York： Wiley Publishing，2010.

[17]金家勝.基于NB-IoT和OneNET云平臺的消防遠程監控系統的研究與實現[D].沈陽：遼寧大學，2020.

[18]王豐華，胡春杰，牛智星，等.基于NB-IoT的土壤墑情實時監測系統[J].節水灌溉，2020（1）：53-55.

[19]張藝琳，王宜懷，姚望舒，等.基于Wi-Fi與433 MHz頻段的無線傳感網通信網關設計[J].計算機應用與軟件，2021，38（12）：115-120.