基于NB-IoT的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研制

胡瑞強，陳 晶

（哈爾濱工業(yè)大學 儀器科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，空氣質(zhì)量越來越成為重點關(guān)注問題之一，特別是工業(yè)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，使得人類的健康受空氣污染的影響更加嚴重[1]，由空氣污染導致的患病甚至死亡的人數(shù)越來越多[2-3]。研究表明，空氣污染在很大程度上是一種可以避免的危險因素，空氣質(zhì)量的改善會有顯著的健康獲益，同時監(jiān)控空氣污染的措施極具成本效益。因此，研究空氣質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為控制空氣污染的有效手段。嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云服務(wù)器應(yīng)用的不斷成熟，為小型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)支持[4-6]。

傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，其無線通信接入方式如4G和WLAN 存在成本高、功耗大的不足，藍牙和WiFi 存在傳輸距離短、安全性低、穩(wěn)定性差的不足。為了克服傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷，降低監(jiān)測成本，本文提出一種將窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到空氣質(zhì)量監(jiān)測中的方法。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-IoT）是一種新興的、先進的連接技術(shù)。NB-IoT 是工作于授權(quán)頻譜下的3GPP 無線通信技術(shù)，其覆蓋范圍相較于GPRS、LTE等技術(shù)，覆蓋能力增強了20 dB；其設(shè)備接入數(shù)量是現(xiàn)有無線技術(shù)的50～100 倍；其功耗低，集成了多種節(jié)電技術(shù)，大部分時間處于休眠狀態(tài)；其無須重新建網(wǎng)，可降低成本[7-9]。基于NB-IoT 的技術(shù)特點，本文設(shè)計了一款基于NB-IoT 的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，具備遠程參數(shù)監(jiān)控、超閾值報警、歷史數(shù)據(jù)查看等功能特點。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要由三部分組成：監(jiān)測站點、云服務(wù)器、PC 終端軟件。監(jiān)測站點主要由空氣質(zhì)量傳感器模塊、微控制器采集板、NB-IoT 通信模塊組成，微控制器采集板通過串口采集傳感器數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)處理后通過NB 模塊發(fā)送至云服務(wù)器。云端服務(wù)器接收采集站點的數(shù)據(jù)包，并解析保存在數(shù)據(jù)庫中進行持久化存儲，提供開放式API 接口以向用戶提供采集到的數(shù)據(jù)。PC 終端軟件負責從云端服務(wù)器中獲取數(shù)據(jù)并向用戶呈現(xiàn)各空氣質(zhì)量要素的實時曲線、歷史數(shù)據(jù)等站點信息。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以劃分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

低功耗、高穩(wěn)定性是監(jiān)測站點終端設(shè)計的關(guān)鍵，也是整個系統(tǒng)可靠運行的基礎(chǔ)。感知層硬件主要包括傳感器模塊、微控制器模塊、NB-IoT 通信模塊和供電電路，用于監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量信息，并通過NB-IoT 通信模組和云服務(wù)器進行通信。本設(shè)計終端采用獨立干電池供電，在選擇各芯片模塊時也采用低功耗的器件，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。監(jiān)測站點的硬件總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

（1）微控制器模塊

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計硬件需求，采用低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端，選用STM32L0 超低功耗微控制器，該系列微控制器專門為低功耗設(shè)備設(shè)計，具有ARM Cortex M0+核心和STM32 超低功耗特性，可在超級功耗模式下快速喚醒；此外，微控制器具有串口、DMA、ADC、DAC、I2C 等常用外設(shè)，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

（2）傳感器模塊

本系統(tǒng)選用的空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊為Z3 五合一傳感器模塊，該傳感器模塊采用便攜式設(shè)計、鋰電池供電，支持RS 485 信號輸出，可采集甲醛、二氧化碳、PM2.5、溫度、濕度五種參數(shù)。測量參數(shù)信息見表1 所列。

表1 傳感器技術(shù)指標

空氣質(zhì)量傳感器模塊采用基于ModBus-RTU 傳輸協(xié)議的RS 485 數(shù)據(jù)總線。ModBus 協(xié)議使用主/從技術(shù)在設(shè)備之間通信，一般應(yīng)用程序中包含一個ModBus 主站和多個ModBus 從站。ModBus RTU 協(xié)議使用格式化的消息在主機和從機之間進行通信，主機發(fā)出包含從機地址的請求命令后從機響應(yīng)請求。

本系統(tǒng)將傳感器測量數(shù)據(jù)通過RS 485 總線傳輸至微控制器。傳感器模塊數(shù)據(jù)幀格式見表2 和表3 所列。

表2 發(fā)送查詢命令格式

表3 返回查詢命令格式

（3）通信模塊

NB-IoT 模塊選用BC35-G，它是一款高性能、低功耗、高靈敏度的多頻段NB-IoT 無線通信模塊。該模塊功能豐富、尺寸緊湊，采用LCC 封裝，集成USB 接口、SIM 卡槽于一體，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28頻段，被廣泛應(yīng)用于智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸。BC35-G 支持移動、電信、聯(lián)通運營商網(wǎng)絡(luò)，用戶可選擇相關(guān)運行商進行頻帶配置[10]。

3 軟件設(shè)計

空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括監(jiān)測站點終端軟件設(shè)計、云服務(wù)器的部署和接入、PC 終端監(jiān)測管理軟件的設(shè)計三部分。監(jiān)測站點主要是通過串口采集傳感器數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)通過NB-IoT通信模塊發(fā)送至祥云OceanConnect平臺，可以實現(xiàn)對監(jiān)測站點統(tǒng)一管理；之后通過祥云提供的API 接口將數(shù)據(jù)與阿里云對接，在阿里云部署數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。PC終端監(jiān)控軟件使用LabVIEW 編寫，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、備份、存儲、報警等功能，同時可以配置各站點信息。軟件設(shè)計構(gòu)成如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計構(gòu)成

（1）監(jiān)測站點軟件設(shè)計

監(jiān)測站點軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，主要實現(xiàn)微控制器采集串口數(shù)據(jù)并將解析后的傳感器數(shù)據(jù)通過NB 模塊發(fā)送出去。監(jiān)測站點主程序設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測站點主程序設(shè)計流程

程序設(shè)計通過UART 串口依次將AT 指令配置發(fā)送給通信模塊，建立網(wǎng)絡(luò)連接。本系統(tǒng)使用的通信協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)專為低流量非持久化連接設(shè)計的CoAP 協(xié)議。如圖5所示，CoAP 協(xié)議（受限制的應(yīng)用協(xié)議，Constrained Application Protocol）采用雙層結(jié)構(gòu)，消息層用于處理端點之間的數(shù)據(jù)交換，連接層是以請求-響應(yīng)機制來完成的。CoAP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要支持UDP 協(xié)議，報文采用二進制格式，更加緊湊，協(xié)議長度最小為4 個字節(jié)，支持可靠傳輸、塊傳輸、數(shù)據(jù)重傳，支持同時向多個設(shè)備發(fā)送請求，適用于低速率、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景[11]。

圖5 CoAP 協(xié)議模型

（2）云服務(wù)器的部署和接入

本系統(tǒng)中的監(jiān)測站點在祥云OceanConnect平臺注冊，接入祥云服務(wù)器后，祥云服務(wù)器需要完成與客戶自由應(yīng)用對接，使用鑒權(quán)信息完成身份認證。在北向應(yīng)用中需要開發(fā)者調(diào)用祥云服務(wù)器的鑒權(quán)接口來獲取成功鑒定合法請求的token 令牌，北向每次訪問都需要攜帶用戶信息的token 令牌，鑒權(quán)完成后北向應(yīng)用可以將設(shè)備的注冊信息添加到祥云平臺上，并提供設(shè)備的IMEI 號進行交互，以保證訪問設(shè)備的唯一性。完成這一步操作后，用戶即可在第三方應(yīng)用獲得推送數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)訪問操作。

北向應(yīng)用的設(shè)計是為了解決因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次復雜導致的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性和可控性較差等問題而提出的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過祥云服務(wù)器提供的API 接口進行數(shù)據(jù)調(diào)用、管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)策略等。在阿里云服務(wù)器上，需要部署數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，以達到數(shù)據(jù)持久化存儲的目的。

通信傳輸系統(tǒng)是數(shù)據(jù)交換的橋梁，數(shù)據(jù)由NB 蜂窩網(wǎng)絡(luò)基于CoAP 協(xié)議傳輸，并上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。云服務(wù)器通過北向數(shù)據(jù)查詢接口API 獲取電信物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)。此外，平臺提供的訂閱接口可用于訂閱平臺上收到的數(shù)據(jù)配置。空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取采用的是MySQL 數(shù)據(jù)庫，以達到數(shù)據(jù)持久化存儲的目的。存儲空氣質(zhì)量信息見表4所列。

表4 空氣質(zhì)量信息

（3）PC 終端監(jiān)控軟件

PC 端監(jiān)控軟件使用LabVIEW 編寫而成。LabVIEW 是專門針對數(shù)據(jù)采集和儀器自動控制而設(shè)計的一款軟件，它采用圖形化編程語言—G 語言，產(chǎn)生在硬件工程中易于理解的框圖程序，可以在很短的時間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實踐中，在構(gòu)思結(jié)構(gòu)的同時就能完成程序的設(shè)計[12]。軟件通過調(diào)用LabSQL 工具包和配置ODBC 數(shù)據(jù)源來訪問阿里云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的終端顯示。

監(jiān)控軟件界面主要包含3 部分：功能菜單區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)和報警顯示區(qū)，如圖6所示。在功能菜單區(qū)，用戶可查看監(jiān)測站點的詳細信息、查看歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置報警信息、設(shè)置系統(tǒng)、管理站點信息等。參數(shù)顯示區(qū)可以選擇想要顯示的監(jiān)測站點信息，分別用曲線和數(shù)字的方式進行實時顯示。報警顯示區(qū)可以在測量值超過設(shè)定上限值時顯示報警信息。

圖6 監(jiān)控軟件界面

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)硬件如圖7所示，開發(fā)板通過串口RS 485 采集傳感器信號，監(jiān)測站點可顯示采集到的5 個監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT 通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云服務(wù)器。

圖7 監(jiān)測站點硬件

圖8 分別為云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫MySQL 存儲的數(shù)據(jù)和終端監(jiān)控軟件查詢的站點數(shù)據(jù)。經(jīng)過反復測試發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)一致，系統(tǒng)可穩(wěn)定運行。

圖8 阿里云數(shù)據(jù)庫和終端軟件查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一款基于NB-IoT 的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STM32L0 系列低功耗單片機搭建空氣質(zhì)量監(jiān)測站點，通過NB-IoT 模塊與云服務(wù)器對接，云服務(wù)器實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)解析及保存，編寫終端監(jiān)控軟件實現(xiàn)監(jiān)測站點參數(shù)實時顯示、閾值報警、歷史數(shù)據(jù)查看等功能。經(jīng)實際運行發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)功耗低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，可廣泛用于不同場所的空氣質(zhì)量監(jiān)測，具有一定的實際應(yīng)用價值。