基于NB-IoT的紡織車間環境監測系統

侯秀月，于會山

（聊城大學物理科學與信息工程學院，聊城 252059）

0 引言

中國紡織業歷史悠久，是我國一大傳統行業，隨著經濟發展，許多智能紡織車間應運而生，促進了紡織業的快速發展。而在紡織品生產過程中，存在很多外在因素影響生產效率，進而影響紡織企業的發展。例如，溫濕度會對紡織車間中所使用紗線的強力、斷頭率、回潮率等因素造成影響，因此需控制紡織車間內的溫濕度在合適范圍內，以保證產品質量和環境安全；隨著機械化、大批量生產需求的增大，電氣設備使用需求也隨之增大，就會存在線路老化、分布不合理等問題，容易引發火災，故采用煙霧傳感器檢測車間氣體濃度以便及時排查火情，從而保證紡織車間的生產安全。受我國勞動力成本低的影響，許多紡織車間還無法擺脫對人力的依賴。依舊采用人工檢測方法對紡織車間環境的溫濕度及煙霧濃度進行監測，既費時又費力，進而阻礙了紡織車間智能化發展。

窄帶物聯網（NB-IoT）技術是一種基于蜂窩的窄帶物聯網新興技術，具有覆蓋范圍廣、功耗低、海量連接等特點，廣泛應用于智能農業、智能表計、智能停車等領域。基于上述背景，本文設計了一種基于NB-IoT的紡織車間環境監測系統。系統集合無線通信技術、嵌入式技術、互聯網技術、傳感器技術，實時采集溫濕度及煙霧濃度，利用NB-IoT無線傳輸技術遠程傳輸至云平臺，使工作人員及時查看紡織車間環境情況，保證生產效率。

1 系統整體框架設計

如圖1所示，系統整體框架主要由環境監測采集終端、NB-IoT無線通信模組、OneNET云平臺、監測顯示終端組成。

圖1 整體框架圖

環境監測采集終端可以通過溫濕度、煙霧濃度傳感器檢測車間環境變化，傳至主控芯片進行解析并做出響應；NB-IoT無線通信模組將采集的環境信息通過MQTT協議經由NB-IoT移動基站發送至OneNET云平臺進行數據解析，云平臺可以對數據進行分析、存儲、保存、匯總等；在監測顯示終端實現數據顯示。

2 系統硬件設計

系統硬件結構由主控模塊、數據采集模塊、語音報警模塊、無線通信模塊、顯示模塊、電源模塊構成。其中數據采集模塊為溫濕度傳感器及煙霧傳感器，對紡織車間進行環境檢測；語音報警模塊通過接收主控模塊發送的報警信號進行喇叭報警；主控模塊選擇STM32F103C8T 6作為主控芯片，并通過無線通信模塊將數據發送至OneNET云平臺；顯示模塊為7英寸串口屏，進行數據實時顯示；電源模塊采用12V電源為系統供電。系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

2.1 主控模塊

本系統選用STM32F103C8T6作為MCU主控核心。該芯片基于ARM Cortex M3內核，是32位微控制器，具有廣泛的增強型外設和I/O口，提供標準且先進的通信接口，如IC、SPI、USART等；此外，它還包含一個12位ADC、七個通用16位定時器和一個高級控制PWM定時器，可在-40～85℃的溫度范圍內工作，電源電壓為2～3.6 V。其原理圖如圖3所示。

圖3 主控芯片

2.2 電源模塊

系統采用鋰電池進行供電，供電電壓為12 V。為保證語音芯片及傳感器正常工作，采用AMS1117降壓芯片降壓至5 V為其供電，由于單片機工作電壓為3.3 V，NB模塊工作電壓為2.1～3.63 V，所以需再次降壓至3.3 V為單片機及NB模塊供電，這樣既保證了單片機及其他外設正常工作，又保證了電路穩定性。降壓電路如圖4所示。

圖4 降壓電路

2.3 數據采集模塊

溫濕度傳感器采用SHT31高精度數字型傳感器，濕度范圍為0～100%RH，溫度范圍為-40～125℃，供電電壓為2.4～5.5 V，其測量精度及靈敏度滿足此系統要求。STM32F103C8T 6單片機與SHT31傳感器使用IC協議通信，SHT31的SDA數據端和SCL時鐘端分別與單片機的PB9和PB8連接，進行信息交互。SHT31溫濕度傳感器接口電路如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器接口電路

對于紡織車間環境中的煙霧檢測，采用MQ2型煙霧傳感器，其具有較高的靈敏度和抗干擾性。其檢測可燃氣體與煙霧濃度范圍在100～10000 ppm之間，輸出模擬量為0～5 V電壓，輸出電壓隨紡織車間煙霧的升高而增大。MQ2的AO引腳與MCU的PA4相連，將采集到的數據直接發送至MCU，利用公式換算成煙霧濃度值發送至顯示屏進行顯示。MQ2型煙霧傳感器接口電路如圖6所示。

圖6 煙霧傳感器接口電路

2.4 語音報警模塊

系統選用JQ8400語音芯片作為語音報警模塊主控芯片，支持MP3 WAV硬件解碼及FAT文件系統，最大優勢在于能夠靈活地更換SPIflash內的語音內容，滿足系統需求。系統設置閾值，當環境監測采集終端采集的數據超過閾值時，單片機會通過USART將報警信息傳至語音芯片進行報警提示。JQ8400語音芯片電路如圖7所示。

圖7 語音芯片電路

2.5 NB-Io T無線通信模塊

NB-IoT對于遠距離、低功耗、低頻率的數據通信是非常有優勢的，因此，此設計中的NB-IoT無線通信模塊選用移遠BC26型號。圖8所示為BC26模塊實物圖。BC26有豐富的外部接口，如UART、SPI、ADC等；此外，它還擁有眾多網絡協議棧，如TCP、CoAP、MQTT等，支持OneNET云平臺。在系統主控電路設計中只需對相關I/O口和串口進行配置即可實現相關功能，其主要作用是MCU通過串口發送相關AT指令，把采集到的數據實時上傳至OneNET云平臺，實現模塊間無線通信。

圖8 NB-IoT模塊

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

系統初始化設定閾值并開啟定時器，每隔十秒鐘MCU控制處理MQ2與SHT31所采集到的數據，通過USART通訊協議與顯示屏及NB模塊進行通訊，將顯示屏相應控件屬性值及云端數據實時更新為當前采集到的環境數據。若超過閾值，MCU通過USART協議與語音模塊進行通信發送報警相關報文，此時語音模塊將提取報警音頻進行播放，提示相關工作人員注意防范。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.2 數據采集部分軟件設計

MCU微控制器與SHT31之間通過I2C協議對數據進行實時采集。系統首先對SHT31初始化，然后開啟定時器，每隔十秒MCU通過IC協議發送寫信號（Wr=0）及工作模式指令；等待一段時間再次通過IC協議發送讀信號（Rd=1），此時讀取命令的高八位，再讀取余下的低八位，最終讀取環境溫濕度數據；如果使時鐘延長功能，只需要通過while（SCL==0）阻塞程序，等待其釋放總線然后MCU讀取數據即可。溫濕度采集流程如圖10所示。

圖10 溫濕度采集流程圖

要實現對MQ2煙霧濃度的采集，首先將煙霧傳感器通電，給傳感器一個初始化信號；然后進行AD信號采集，MCU微控制器配置ADC引腳，讀取AO引腳傳輸的模擬量，根據MQ2的計算公式將所測電壓值轉換為濃度值，公式為log=log+（，均為常數），其中為電阻值，為濃度值，最終將得到實際的煙霧濃度值進行輸出。煙霧濃度采集流程如圖11所示。

圖11 煙霧濃度采集流程圖

3.3 顯示報警部分軟件設計

系統使用顯示屏配備的上位機軟件完成界面UI的設計。系統初始化后，當MCU微控制器接收到采集模塊的數據時，通過USART通訊協議發送相關數據顯示控件文本屬性值至顯示屏，顯示屏接收并進行顯示。當采集數據超過所設閾值時，微控制器向顯示屏發送報警控件文本屬性值，同時通過JQ8400語音報警模塊播放報警信息。待環境恢復正常后，清空顯示屏報警文本。顯示報警流程如圖12所示。

圖12 顯示報警流程圖

3.4 NB-Io T模塊軟件設計

MCU微控制器與NB模塊使用USART通訊協議進行數據通信，通過MCU的TX端和RX端分別與NB-IoT模塊的RX端和TX端連接，進行數據發送與接收。系統使用NB模塊與OneNET平臺進行數據交互，通過MQTT協議將數據傳輸至OneNET平臺，NB-IoT模塊的工作和運營主要是通過發送AT指令進行的，模塊通過AT指令實現入網、駐網、配置工作模式和發送數據等操作。用戶使用相關AT指令執行采集端與平臺之間的數據交互。部分AT指令集如表1所示。

表1 AT指令集

4 系統測試

系統測試包含環境數據采集、顯示終端、報警響應、數據上傳等功能測試。此次測試時間為夏季，測試界面如圖13所示。

圖13 測試界面

系統每隔十秒采集一次數據，實現顯示終端及云端數據實時更新、報警及時響應等功能。故系統可分為兩種工作狀態，一是正常環境狀態下，采集環境數據實時顯示并上傳至云端遠程監控、記錄；二是環境數據超出安全狀態時，進行報警顯示及語音提醒，當前數據及報警信息傳至云端記錄，以達到快速排查的目的。

5 結語

本文設計了一種基于NB-IoT的紡織車間環境監測系統，選擇STM32F103C8T6作為主控芯片，利用各種傳感器并通過USART或I2C協議對數據進行實時采集，搭載移遠BC26無線通信模塊及OneNET平臺進行數據交互，實現對數據的遠程傳輸。該系統采用NB-IoT技術，具有低功耗、廣覆蓋、海量連接等特點，更符合節能降耗的要求，在后期生產中可降低成本。此系統相比于傳統監測系統安全性更高、成本更低，可同時在紡織車間放置多個終端節點，對車間全方位、多節點進行實時監控。