基于NB-IOT的環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓旭威 石崟 楊春艷 張渤雨 佟維妍

摘 要 本文提出了一種在5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下基于NB-IOT的環(huán)境感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程，簡(jiǎn)述了基于NB-IOT的環(huán)境感知系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)大大縮短了數(shù)據(jù)傳送時(shí)間，提高了空氣檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞 環(huán)境感知;NB-IOT;STM32

引言

隨著人們對(duì)于美好環(huán)境的需求日益增強(qiáng)，環(huán)境保護(hù)的意識(shí)正在逐步提高，室內(nèi)空氣質(zhì)量管理受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，在智能家居、智慧農(nóng)業(yè)和智慧工廠等領(lǐng)域?qū)o予互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求越來(lái)越多。在家居生活中，利用NB-IOT無(wú)線信息傳輸技術(shù)，使人們?cè)谏习?、外出、旅游時(shí)，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到家中空氣是否異常，是否發(fā)生煤氣泄漏或火災(zāi)等情況，擺脫了以往只能在家中才能得知家中空氣情況的尷尬情況。

1NB-IOT通信介紹

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，適用于低功耗廣域覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景;BC95-B5是一款高性能、低功耗的NB-IOT模塊，支持六個(gè)頻段。通過(guò)NB-IOT無(wú)線電通信協(xié)議（3GPP Rel.14），BC95-B5模塊可與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)設(shè)備建立通信。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包含溫度傳感器、酒精傳感器、有機(jī)氣體傳感器和PM2.5傳感器等多種傳感器。多點(diǎn)控制器分別接收傳感器的信息，通過(guò)通信芯片將信息傳遞給云端，云端將信息傳遞給顯示端并且對(duì)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.2 STM32主控芯片

STM32F103RCT6是32位ARM微控制器，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)。主頻是72MHz，程序存儲(chǔ)器為256KBFLASH，RAM容量是48K，工作電壓為2～3.6V。

2.3 數(shù)據(jù)采集

室內(nèi)空氣溫濕度傳感器選用了DS18B20數(shù)字溫濕度傳感器，其具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域[1]。酒精傳感器、有機(jī)氣體傳感器和PM2.5傳感器的DO引腳隨著濃度不同，輸出不同的數(shù)字量信號(hào)。根據(jù)不同空間的酒精含量、有機(jī)氣體含量和PM2.5含量要求的不同，在控制器中設(shè)定最高閾值[2]。當(dāng)DO引腳輸出值高于高閾值時(shí)，通信板塊向云端發(fā)出指令，云端通過(guò)釘釘APP發(fā)出報(bào)警信息。傳感器與控制器的接線圖如圖2所示。

2.4 LCD顯示

本設(shè)計(jì)中STM32F103RCT6直接驅(qū)動(dòng)1.44寸彩色液晶屏，顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)。兩者間的通信，采用6位連接法。LCD彩色液晶屏接線圖如圖3所示。

2.5 云端、APP、釘釘

開(kāi)發(fā)基于Android系統(tǒng)、阿里云和釘釘?shù)囊苿?dòng)控制終端軟件，解決遠(yuǎn)程控制中空間受限的問(wèn)題。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，具有極高的安全性，提供多重防護(hù)，可保障設(shè)備數(shù)據(jù)安全。

3軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件利用Keil5開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程。程序由系統(tǒng)主程序、顯示控制子程序、檢測(cè)子程序等模塊組成，其中PM2.5檢測(cè)流程如圖5所示。

部分PM2.5檢測(cè)子程序如下：

void ADC2x_Init（void）

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

ADC_InitTypeDef? ? ? ?ADC_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_ADC2，ENABLE）;

RCC_ADCCLKConfig（RCC_PCLK2_Div6）;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init（GPIOC，&GPIO_InitStructure）;

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;

ADC_Init（ADC2， &ADC_InitStructure）;

ADC_Cmd（ADC2， ENABLE）;

ADC_ResetCalibration（ADC2）;

while（ADC_GetResetCalibrationStatus（ADC2））;

ADC_StartCalibration（ADC2）;

while（ADC_GetCalibrationStatus（ADC2））;

ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC2， ENABLE）;

}

u16 Get2_ADC_Value（u8 ch，u8 times）

{

u32 temp_val=0;

u8 t;

ADC_RegularChannelConfig（ADC2， ch， 1， ADC_SampleTime_239Cycles5）;

for（t=0;t

{

ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC2， ENABLE）;

while（！ADC_GetFlagStatus（ADC2， ADC_FLAG_EOC ））;

temp_val+=ADC_GetConversionValue（ADC2）;

delay_ms（5）;

}

return temp_val/times;

}

short JIU_Get_Temp（）

{

u16 value=0;

float vol;

value=Get2_ADC_Value（ADC_Channel_12，20）;

vol=（float）value*（3.3/4096）;

return vol;

}

4結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用溫度傳感器、空氣酒精傳感器、空氣有機(jī)氣體濃度傳感器、空氣PM2.5傳感器，采用多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，STM32處理器根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用NB-IOT通信技術(shù)快速傳遞數(shù)據(jù)。該環(huán)境感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想可以拓展到智能家居，車(chē)內(nèi)氣體檢測(cè)和智能農(nóng)業(yè)空氣環(huán)境監(jiān)控等多方面。

參考文獻(xiàn)

[1] 裴君君.基于ZigBee和NB-IoT的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].深圳：深圳大學(xué)，2018.

[2] 劉火良、楊森.STM32庫(kù)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

作者簡(jiǎn)介

韓旭威（2000-），遼寧遼陽(yáng)人;沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，學(xué)歷：本科，學(xué)校在讀，研究方向：建筑電氣與智能化。

通訊作者：

石崟（1983-），遼寧錦州人;畢業(yè)院校：沈陽(yáng)化工大學(xué)，專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化，學(xué)歷：本科，職稱：助理工程師;現(xiàn)就職單位：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)遼陽(yáng)分校，研究方向：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。