基于NB-IoT的环境温湿度监测系统设计
来源:用户上传
作者:
摘 要：文中介绍了窄带物联网（NB-IoT）技术的优势和网络架构，并设计了一套基于NB-IoT技术的环境温湿度监测系统。该系统将STM32微控制器作为核心，搭配NB-IoT模组和温湿度传感器，并选用中国移动OneNET平台作为物联网工作云平台，最终实现了环境温湿度采集并上传至物联网云平台进行监测的功能。经测试，监测数据在成功上传至物联网平台后可以折线图的形式展示。该系统可为利用NB-IoT技术进行环境监测提供参考。
关键词：NB-IoT;STM32;温湿度;OneNET;可视化;网络架构
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）02-00-03
0 引 言
作為一门新兴物联网技术，NB-IoT正广泛应用于环境监测领域。NB-IoT技术的优势主要有如下四点。
（1）通信范围广。具体体现在终端网络的覆盖范围和信号的深度覆盖两方面[1]。NB-IoT终端网络拥有保护带、LTE带内部署以及独立部署3种部署方式[2]，终端网络可包含已有的移动通信网络。NB终端发射功率有所提升，信号的穿透能力增强，实现了信号的深度覆盖。
（2）终端可移动工作。NB-IoT技术以蜂窝网络技术为基础，通信方式符合3GPP标准[3]，3GPP协议支持NB终端在不同通信基站间进行连接切换，所以终端可移动工作。
（3）系统功耗低。NB-IoT引入了PSM和eDRX等非持续连接模式，使物联网终端在不发送数据时处于休眠状态，以达到降低终端功耗的目的[4]。
（4）目前，有多种物联网云平台支持NB-IoT模块工作。物联网云平台不仅功能强大，还可以减少开发人员的工作量，缩短产品的设计周期。
1 系统总体方案设计
本系统由监测终端和物联网云平台两部分组成。其中，监测终端由三个模块构成，分别为微控制器模块、传感器模块和NB-IoT模块（含发射天线）。系统搭配的物联网云平台为中国移动OneNET云平台。系统整体结构如图1所示。
2 NB-IoT的网络架构
NB-IoT的典型网络由行业终端+NB-IoT模块、NB-IoT基站、核心网、IoT平台构成[5]，本系统遵循该网络架构。
监测终端负责数据采集和发送，通过空口连接到NB-IoT基站。当终端开机或进入覆盖区域后，通过读取系统消息获得公共陆地移动网络列表并完成注册[6]，最终附网成功。NB-IoT基站汇聚终端上传的数据，并通过S1接口连接到NB-IoT核心网。现有的核心网主要面向人与人之间的通信，与物联网的要求差异很大[7]。NB-IoT核心网由MME，S-GW，P-GW，SCEF四部分组成，其功能是将不同种类的数据分配到不同路径处理。OneNET云平台是PaaS物联网开放平台，能够实现NB终端与平台间的数据上传和下发功能。OneNET云平台采用基于NB-IoT的LWM2M协议和CoAP协议实现NB终端与平台间的通信。LWM2M和CoAP都是NB-IoT的标准协议，可以实现非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖[8]。
3 系统硬件组成
3.1 微控制器模块
本系统选用的微控制器为STM32F1系列单片机，其内核为32位的Cortex-M3，配备的外部高速时钟（HSE）为12 MHz。外围电路包括时钟电路、复位电路、电源电路、JTAG下载调试电路[9]。
3.2 温湿度传感器模块
本系统选用的温湿度传感器型号为SHT20。模块采用I2C协议与微控制器通信，测量精度由用户编程设置。SHT20所测得的湿度值为国际定义的基于液态水的相对湿度。SHT20温度测量范围为-40～125 ℃，湿度测量范围为0～100%RH。SHT20模块引脚接线如图2所示。
3.3 NB-IoT模块
系统选用的NB-IoT模块为中国移动M5310模组，该模组采用华为海思Hi2110芯片，内置CoAP/LWM2M等协议以及扩展的AT指令。模组工作的上行频率为880～915 MHz。
模组在使用时需要购买电信运营商的NB流量卡，每张NB流量卡具有唯一的IMSI号，NB-IoT核心网通过IMSI号对监控节点进行识别[10]。NB-IoT模块接线如图3所示。
4 系统软件设计
4.1 SHT20模块编程
SHT20模块程序代码函数：
温度测量函数和湿度测量函数均包含启动测量、读取测量结果和计算测量数值三个部分，经计算后，温度的单位为摄氏度，湿度值以百分数形式表示，计算结果均取一位小数。
上述4个函数在运行时需调用已写好的模拟I2C时序函数族和延时函数。模拟I2C时序函数族包括I2C初始化函数、I2C启动、I2C停止、应答信号、非应答信号、发送字节和接收字节共7个函数。延时函数采用SysTick系统定时器实现，可进行微秒级和毫秒级延时。
4.2 NB-IoT模块编程
NB-IoT模块的工作过程为单片机通过串口向模块发送AT指令，模块接收指令后执行相应操作。模块正确执行操作后，会通过串口向单片机返回字符串“OK”，否则返回“ERROR”。单条AT指令的发送和模块返回信息的处理流程如图4所示。
4.3 OneNET平台配置
在本系统中，OneNET平台若要实现上传数据的可视化，则需要完成创建监测界面和组件设置。OneNET平台操作流程如图6所示。
5 实验结果
系统工作时，终端所测得的数据经过一系列传输，最终接入OneNET云平台。由于监测界面的曲线图关联了相应数据流，平台接收到数据后，经过后台处理，上传的监测数据即可在监测曲线图上更新展示。系统监测温度曲线如图7所示，湿度曲线如图8所示。
6 结 语
本系统实现了基于NB-IoT技术的环境温湿度监测，系统结构简单，设计成本低廉，系统运行稳定可靠，适用于起居室、车间、温室大棚等场所。在本系统的基础上增加传感器，可以实现对环境的多功能探测，对于某些特殊场合，可以增加手机短信报警服务，预防危险发生。
参 考 文 献
[1]刘诗楠，刘占省，赵玉红，等.NB-IoT技术在装配式建筑施工管理中的应用方案[J].土木工程与管理学报，2019（4）：178-184.
[2]李越，白玉萍，薛仁杰，等.基于NB-IoT组网技术的智能井盖监测系统[J].居舍，2019（26）：194.
[3] WANG Y P E，LIN X，ADHIKARY A，et al. A primer on 3GPP narrowband internet of things（NB-IoT）[J]. IEEE communications magazine，2016，55（3）：1-18.
[4]王雪涛，刘海涛，马燕茹.NB-IoT并发终端错峰接入的研究[J].电信工程技术与标准化，2019（10）：83-87.
[5]李建飞，李建鑫.基于NB-IoT技术的水质监测系统设计[J].价值工程，2019（29）：230-232.
[6]杨观止，陈鹏飞，崔新凯，等.NB-IoT综述及性能测试[Z].
[7]张莉.面向NB-IoT的核心网优化方案研究[J].通讯世界，2019，26（8）：186-188.
[8]刘旭飞.基于NB-IoT的智慧停车管理系统设计[J].通讯世界，2019，26（8）：72-73.
[9]王愿祥，程悦琪，孙先松.基于WiFi的无线测控终端系统设计[J].物联网技术，2018，8（9）：23-26.
[10]廖炜森，邓伟军，徐光煌，等.基于NB-IoT和微信小程序的冷却塔远程移动监控系统[J].自动化与信息工程，2019（4）：1-4.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15153426.htm
