基于NB-IoT技術(shù)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

辛慧娟， 肖軍

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 陜西 咸陽(yáng) 712000;2.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710077)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展、科技水平的飛速提升，信息數(shù)字化的傳播，數(shù)據(jù)采集正邁向智能化、網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置，是通過人工測(cè)量數(shù)據(jù)，并且人工收集數(shù)據(jù)，然后再整理數(shù)據(jù)輸入到PC機(jī)處理和分析。很顯然傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式工作繁重，誤差較大，準(zhǔn)確性不高，實(shí)時(shí)性差。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)也方便調(diào)用。在實(shí)際使用中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要與網(wǎng)絡(luò)相連。網(wǎng)絡(luò)接入包括有線接入和無(wú)線接入。無(wú)線接入法是通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)布無(wú)線連接信號(hào)，利用微波和衛(wèi)星將系統(tǒng)接入到網(wǎng)絡(luò)中。研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的接入法存在運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、誤傳率高的問題[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)已成為信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通、災(zāi)情監(jiān)控等方面的應(yīng)用越來越廣泛。結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域中，布置大量傳感器，對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)化采集，已到達(dá)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息監(jiān)測(cè)和控制能力的提升。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款基于NB-IoT技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有成本低、低功耗的特點(diǎn)，可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域信息的無(wú)線采集、傳輸、處理，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)，并且可以實(shí)現(xiàn)PC終端的信息交互，使監(jiān)控人員隨時(shí)可以使用各種能聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備獲取現(xiàn)場(chǎng)狀況[2-4]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的基于NB-IoT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是以32位的Cortex-M4系列微處理器作為核心控制器，結(jié)合各個(gè)功能模塊的電路，以基于NB-IoT通信技術(shù)，達(dá)到完成對(duì)多種參數(shù)(溫度、濕度、二氧化碳、一氧化碳等)進(jìn)行測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，將主控制器外圍電路劃分為不同的獨(dú)立模塊，不如：數(shù)據(jù)采集模塊(或傳感器模塊)、攝像頭模塊、NB-IoT通信模塊、電源電路模塊、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等，這些模塊都是圍繞STM32微處理器運(yùn)行的。

1.2 NB-IoT技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一項(xiàng)革新應(yīng)用，也是延伸。物聯(lián)網(wǎng)就是通過感知元件采集物品的一些信息，進(jìn)行傳輸，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行信息交換和處理，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物品和管理。感知元件和互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵，感知元件定義為感知層，能夠?qū)⑽锲返臓顟B(tài)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，最終將信息傳遞給客戶端。

目前，常用的無(wú)線通信技術(shù)有Wifi、藍(lán)牙、Zigbee等[5]。Wifi是一種無(wú)線局域網(wǎng)接入技術(shù)，采用802.11協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)覆蓋100米左右，功耗大[6]。藍(lán)牙技術(shù)是短距離的無(wú)線通信技術(shù)，傳輸半徑只有10米，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，具有低功耗、低成本、抗干擾能力較弱等特點(diǎn)[7]。Zigbee技術(shù)采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離在10～100 m，具有低功耗、低成本等特點(diǎn)[8]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)是全新窄帶無(wú)線接入技術(shù)，通常也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。NB-IoT是在LTE基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，NB-IoT帶寬為 180 kHz，上下行速率不超過250 kbit/s，NB-IoT終端類型為Cat.NB1。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 NB-IoT組網(wǎng)圖

其中包括NB-IoT終端，NB-IoT基站，NB-IoT核心網(wǎng)，NB-IoT云平臺(tái)和垂直行業(yè)中心。NB-IOT技術(shù)與其他技術(shù)相比，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面提升了；NB-IoT電池可以支撐十年，大大降低了功耗。綜上所述，本系統(tǒng)采用NB-IoT通信協(xié)議[9-11]。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控制器模塊

STM32單片機(jī)與其他單片機(jī)比較，具有價(jià)格低、功能強(qiáng)、開發(fā)方便等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用STM32F407單片機(jī)，STM32F407是32位高性能微控制器，具有CortexTM-M4架構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)，使用獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和指令總線。其主頻為168 MHz，自帶DCMI接口，能夠接收外部CMOS攝像頭模塊發(fā)出的高速數(shù)據(jù)流。該架構(gòu)含有好多個(gè)總線接口，都可以對(duì)自己的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。利用STM32對(duì)采集到的多種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理后，將已處理數(shù)據(jù)通過NB-IoT無(wú)線通信發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

2.2 NB-IoT模塊

NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，也被稱為低功耗廣域網(wǎng)。目前NB-IoT的帶寬消耗已降至180 kHz，因?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)比較突出，所以可以將NB-IoT部署在GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)中。該系統(tǒng)NB-IoT模塊采用5 V供電，每15 min向外發(fā)射信號(hào)一次。STM32單片機(jī)與NB-IoT模塊相連，NB-IoT模塊與網(wǎng)絡(luò)相連，將數(shù)據(jù)信息傳送到后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)雙向透明傳輸。

2.3 攝像頭模塊

OV2640是一款CMOS圖像傳感器，自帶JPEG輸出功能。STM32F407自帶同步并行數(shù)字?jǐn)z像頭(DCMI)接口，與OV2640連接，可以控制數(shù)據(jù)傳輸方式、圖像質(zhì)量和設(shè)置數(shù)據(jù)格式。同時(shí)能夠以DMA的方式接收攝像頭發(fā)出的高速數(shù)據(jù)流，降低了CPU的工作量，大大減少了圖像處理的數(shù)據(jù)量，靈敏度高。

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器(DHT11)、一氧化碳傳感器(MQ-7)、二氧化碳傳感器(MG-811)。各模塊監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境中對(duì)應(yīng)參數(shù)值。各傳感器與主控芯片STM32相連接，各傳感器將被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀籗TM32處理的數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過NB-IoT無(wú)線通信傳輸?shù)皆破脚_(tái)。各傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳給STM32，STM32對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，這樣就有效的提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性[12]。

2.5 電源模塊

本系統(tǒng)使用LDO低壓差模擬電源芯片AMS1117-3.3，該芯片工作特性是：當(dāng)輸入電壓在4.8～10 V之間時(shí)，能輸出3.3 V的穩(wěn)定電壓。本系統(tǒng)中芯片與傳感器所需電壓都為3.3 V，模塊提供的是5 V直流電，可以通過該穩(wěn)壓芯片把電壓降到3.3 V，其穩(wěn)定性較高，功耗較低，能夠給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。電源電路原理,如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括終端數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)、IOT云平臺(tái)以及客戶端軟件設(shè)計(jì)。為了移植方便，該系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫，使用Keil uVision5軟件編譯。并且使用軟件構(gòu)件技術(shù)設(shè)計(jì)底層驅(qū)動(dòng)程序，可以提高軟件的開放性、移植性、通用性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)模塊功能，終端構(gòu)件,如圖3所示。

構(gòu)件設(shè)計(jì)包含源程序文件(.c)和頭文件(.h) 兩部分。主程序設(shè)計(jì)過程,如圖4所示。

主程序設(shè)計(jì)在main()函數(shù)中調(diào)用函數(shù)，主要進(jìn)行聲明主函數(shù)中變量類型和名稱，關(guān)總中斷；進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化各個(gè)模塊；調(diào)用傳感器模塊采集的參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的閾值判斷采集數(shù)據(jù)是否正常[13-16]。

3.2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在采集終端和IOT云平臺(tái)之間采用了CoAP通信協(xié)議，該協(xié)議是一種應(yīng)用層通信協(xié)議，波特率為9 600 bit/s。通信時(shí)，首先與IOT云平臺(tái)服務(wù)器建立連接，接入網(wǎng)絡(luò)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CoAP通信協(xié)議最小數(shù)據(jù)包僅為4字節(jié)，可實(shí)現(xiàn)微型機(jī)之間的通信。數(shù)據(jù)發(fā)送格式采用CRC校驗(yàn)，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖4 主程序流程圖

3.3 通信機(jī)制

根據(jù)NB-IoT通信技術(shù)的架構(gòu)可知，在通信中，終端設(shè)備的識(shí)別是采用IP地址+IMSI號(hào)的方法，每個(gè)終端設(shè)備有且只有一個(gè)IMSI號(hào)，給傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包加入目的IP地址，以保證通信的有效進(jìn)行。通信中一幀數(shù)據(jù)格式：幀頭占2字節(jié)、傳輸數(shù)據(jù)占32字節(jié)、IP地址占15字節(jié)、IMSI號(hào)占15字節(jié)、驗(yàn)證碼占2字節(jié)、幀尾占2字節(jié)。該幀結(jié)構(gòu)可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。為了保證數(shù)據(jù)模塊通信成功，設(shè)置了重復(fù)發(fā)送的次數(shù)，有效避免外界干擾引起的傳輸失敗。

4 通信測(cè)試

為了檢測(cè)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，實(shí)際搭建了模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將傳感器所采集的濕度、溫度、一氧化碳以及二氧化碳等參數(shù)，通過NB-IoT核心網(wǎng)和云平臺(tái)每隔6分鐘發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心的PC機(jī)的檢測(cè)界面中，進(jìn)行操作和觀察。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)分析，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中沒有產(chǎn)生丟包的現(xiàn)象，運(yùn)行較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確。

5 總結(jié)

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于NB-IoT的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過硬件模塊和軟件功能模塊的設(shè)計(jì)，運(yùn)用云平臺(tái)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能對(duì)溫濕度、一氧化碳以及二氧化碳進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過實(shí)驗(yàn)表明:該方案能夠快速地對(duì)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，且運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計(jì)之初的要求，并且具有通用性和擴(kuò)展性。