基于CTWing和NB-IoT的CO實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，CO排放量的快速增長(zhǎng)，生產(chǎn)生活中對(duì)CO濃度的監(jiān)測(cè)需求日益增大。截至2021年，全國(guó)將近7萬(wàn)家火鍋店、近3億人仍需依賴煤爐取暖、火力發(fā)電站共計(jì)3000余座、汽車保有量達(dá)3.72億輛[1]，且機(jī)動(dòng)車每年產(chǎn)生的一氧化碳高達(dá)4000萬(wàn)噸，上述數(shù)據(jù)說(shuō)明我國(guó)70%以上的生產(chǎn)生活場(chǎng)景需要進(jìn)行CO實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

近年來(lái)，我國(guó)政府高度重視對(duì)CO排放的管理，出臺(tái)了各類法律法規(guī)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動(dòng)車的CO排放量作出了相應(yīng)規(guī)定。2021年4月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局第6次局務(wù)會(huì)議審議通過(guò)《機(jī)動(dòng)車排放召回管理規(guī)定》，該規(guī)定經(jīng)生態(tài)環(huán)境部同意，自2021年7月1日起施行[2]。國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局關(guān)于CO排放標(biāo)準(zhǔn)也出臺(tái)了《工業(yè)“三廢”排放試行標(biāo)準(zhǔn)》《冶金企業(yè)和有色金屬企業(yè)安全生產(chǎn)規(guī)定》等相關(guān)文件。鑒于CO中毒危害大、頻率高、分布廣、發(fā)生途徑多樣，極易造成人民生命健康財(cái)產(chǎn)損失，設(shè)計(jì)一種對(duì)CO濃度實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)迫在眉睫。

目前，市面上CO監(jiān)測(cè)設(shè)備大多需要手工測(cè)量，安裝不方便，需要插電使用，使用場(chǎng)景極其受限，且成本過(guò)高，不便大規(guī)模普及。本設(shè)計(jì)采用NB-IoT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低功耗、廣覆蓋、遠(yuǎn)距離CO濃度監(jiān)測(cè)[3]，且具有體積小、適應(yīng)多種安裝環(huán)境、使用便捷、全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳等優(yōu)勢(shì)，能夠有效抑制家庭、社會(huì)生活、工業(yè)環(huán)境中CO濃度超標(biāo)而產(chǎn)生的安全性問(wèn)題，有效解決現(xiàn)有CO監(jiān)測(cè)設(shè)備缺陷，填補(bǔ)市場(chǎng)空缺。

1 總體架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)CO濃度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、廣覆蓋、低延時(shí)、高靈活監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一種CTWing平臺(tái)與NB-IoT技術(shù)相結(jié)合的CO濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)通過(guò)NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)匯總、遠(yuǎn)距離傳輸和分析處理，具備CO濃度數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、存儲(chǔ)管理和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以集成的STM32F103C8T6芯片為主控制器，由四層結(jié)構(gòu)組成，包含感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，有效針對(duì)CO濃度參數(shù)進(jìn)行分布式監(jiān)控和集中控制，其設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

第一層為感知層，針對(duì)前期項(xiàng)目研究成果——“攀枝花學(xué)院周邊重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域”分別部署，設(shè)計(jì)主要分為5個(gè)部分：主控板設(shè)計(jì)、通信模塊電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)以及嵌入式開(kāi)發(fā)[4]。系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為主控芯片，其內(nèi)核是超低功耗的ARM Cortex處理器，主要包括電源模塊、CO傳感模塊、NB模組等結(jié)構(gòu)。

第二層為傳輸層，主要包含核心網(wǎng)和通信基站。當(dāng)感知層采集到森林環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)傳輸層核心網(wǎng)發(fā)送到附近的通信基站，支持NB-IoT終端，建立用戶面，發(fā)送上下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[5]。

第三層為平臺(tái)層，收集從接入網(wǎng)獲得的IoT相關(guān)數(shù)據(jù)，將CO傳感參數(shù)發(fā)送到監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行具體處理，并向系統(tǒng)開(kāi)放接口，方便CO環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)[6]。

第四層為應(yīng)用層，在上述架構(gòu)基礎(chǔ)上，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署在CTWing云平臺(tái)上。利用查詢接口進(jìn)行CO參數(shù)的預(yù)處理、存儲(chǔ)，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；也可以向底層控制模塊下發(fā)命令，發(fā)出CO濃度超標(biāo)預(yù)警信號(hào)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含STM32單片機(jī)、CO傳感器、煙霧傳感器、NB-IOT模塊、OLED液晶顯示電路和預(yù)警模塊[7]，系統(tǒng)框圖如圖2所示。NB-IOT模塊具有完備的擴(kuò)展IO口，連接兼容多種類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、使用便捷；實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)模塊可自主采集傳感數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、實(shí)現(xiàn)低時(shí)延實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)

STM32F103C8T6采用高性能的72MHz工作頻率的ARM Cortex-M3 RISC內(nèi)核，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，具備多個(gè)擴(kuò)展I/O端口，外設(shè)可與兩條APB總線相連[8]。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)16位通用定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，以及標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展通信接口[9]，例如：2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN。工作溫度適用于-40℃至+105℃，供電電壓2.0V至3.6V，功耗低[10]。STM32F103C8T6電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)

2.2 CO采集電路

CO傳感器使用多功能電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)模塊SC05-CO，它是一個(gè)小型通用模塊[11]。利用電化學(xué)原理檢測(cè)空氣中CO的濃度，具有較好的選擇性和穩(wěn)定性[12]。內(nèi)置溫度傳感器可用于溫度補(bǔ)償，具有數(shù)字輸出和模擬電壓輸出兩種模式，使用便捷。CO采集電路如圖4所示。

圖4 CO采集電路

2.3 溫濕度采集電路

目前市場(chǎng)上各類溫濕度傳感器的通訊方式各不相同，種類繁多。本系統(tǒng)采用HTS221溫濕度傳感器進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集。該采集設(shè)備包括一個(gè)傳感元件和混合信號(hào)ASIC，通過(guò)數(shù)字串行接口提供測(cè)量信息；利用數(shù)字模塊的專用采集技術(shù)，將模擬信號(hào)在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸出；具有較快響應(yīng)速度、超低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[13]。溫濕度采集電路如圖5所示。

圖5 溫濕度采集電路

2.4 煙霧傳感采集電路

MQ-2氣體傳感器中使用的氣體檢測(cè)材料是二氧化錫（SnO2），在清潔空氣中具有低電導(dǎo)率[14]。如果安裝傳感器的房間內(nèi)有煙霧，空氣中的煙霧濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越高?？梢允褂煤?jiǎn)單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出[15]。MQ-2氣體傳感器對(duì)煙霧濃度非常敏感[16]。該傳感器是一種低成本且耐用的傳感器，具有可以檢測(cè)范圍廣泛的特點(diǎn)。煙霧采集電路如圖6所示。

圖6 煙霧采集電路

2.5 NB-IOT通信電路

本系統(tǒng)采用超低功耗通信模塊NB-IOT。該終端是實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信接入和傳輸?shù)莫?dú)立通信單元，通過(guò)集成無(wú)線通信模塊可以快速實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。電路原理如圖7所示。

圖7 NB-IOT通信電路原理

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包含CO傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、手機(jī)APP實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)以及CTWing平臺(tái)實(shí)時(shí)在線調(diào)試系統(tǒng)三部分。軟件系統(tǒng)首先對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行初始化，并通過(guò)NB-IOT模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至CTWing在線開(kāi)發(fā)平臺(tái)?？傮w框圖如圖8所示。

圖8 軟件設(shè)計(jì)總體流程圖

3.1 CO傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

針對(duì)一氧化碳探測(cè)器使用的UART通信協(xié)議，并使用I/O端口配置相應(yīng)的程序。程序的關(guān)鍵是讀取數(shù)據(jù)時(shí)把數(shù)據(jù)總線SDA拉低時(shí)間和傳感器響應(yīng)的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 CO程序流程圖

3.2 手機(jī)APP實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)

手機(jī)APP系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示溫度、濕度、一氧化碳濃度等多源傳感參數(shù)[17]。其手機(jī)APP界面如圖10所示。

圖10 手機(jī)APP參數(shù)顯示界面

3.3 CTWing平臺(tái)實(shí)時(shí)在線調(diào)試系統(tǒng)

CTWing在線平臺(tái)提供了定制物模型，可以實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)聚合，云端轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，免除調(diào)用數(shù)據(jù)復(fù)雜的問(wèn)題，基于電信移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)覆蓋范圍廣，可進(jìn)行集群化監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)高級(jí)云告警傳輸功能，其數(shù)據(jù)分析界面如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)分析界面

4 端到端對(duì)接

本設(shè)計(jì)利用中國(guó)電信CTWing在線開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用自定義物模型進(jìn)行CO濃度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。中國(guó)電信CTWing開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可提供數(shù)據(jù)采集、處理及存儲(chǔ)功能。平臺(tái)具備“終端管理”“數(shù)據(jù)管理”“規(guī)則引擎”等多項(xiàng)能力，支持8種主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，具備完整的設(shè)備生命周期管理功能、安全可靠的數(shù)據(jù)管理等能力。CTWing平臺(tái)可對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字建模，以創(chuàng)建物理模型，并提供靈敏度高的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在平臺(tái)對(duì)接中，將傳感數(shù)據(jù)同步至CTWing在線開(kāi)發(fā)平臺(tái)及手機(jī)APP中，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP實(shí)時(shí)顯示傳感數(shù)據(jù)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，手機(jī)APP數(shù)據(jù)與在線開(kāi)發(fā)平臺(tái)數(shù)據(jù)完全吻合，完成了CTWing平臺(tái)與手機(jī)APP的端到端對(duì)接，高效實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)體間快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)互聯(lián)。

5 測(cè)試應(yīng)用

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)空氣中CO濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，實(shí)驗(yàn)針對(duì)“攀枝花學(xué)院周邊重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域”設(shè)置CO濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)三個(gè)，包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)A學(xué)生教學(xué)樓、監(jiān)測(cè)點(diǎn)B萬(wàn)達(dá)商場(chǎng)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)C學(xué)府居民區(qū)。對(duì)其進(jìn)行CO濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，本文增加模擬CO濃度超標(biāo)實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的是否可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確報(bào)警。以監(jiān)測(cè)點(diǎn)A為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，通過(guò)CTWing平臺(tái)與NB-IoT技術(shù)的結(jié)合，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中CO濃度的變化，有效實(shí)現(xiàn)多層次報(bào)警；當(dāng)CO濃度突增時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)突增報(bào)警語(yǔ)音提示；當(dāng)CO濃度逼近成年人置身其中所允許的最大CO含量時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)循環(huán)發(fā)出提醒報(bào)警語(yǔ)音，提示人們離開(kāi)該區(qū)域；當(dāng)CO濃度超過(guò)成年人置身其中所允許的最大CO含量時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)疏散報(bào)警語(yǔ)音提示，并持續(xù)發(fā)出中高頻率的蜂鳴聲；當(dāng)CO濃度超過(guò)200ppm時(shí)，人體會(huì)出現(xiàn)輕微頭痛、頭暈、惡心體征，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)求助報(bào)警語(yǔ)音提示，并持續(xù)發(fā)出高頻率的蜂鳴聲。2021年6月—2021年11月期間，該CO濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在“攀枝花學(xué)院周邊重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域”進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定、測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、CO濃度超標(biāo)報(bào)警靈敏，誤差范圍符合《氣體監(jiān)測(cè)儀通用標(biāo)準(zhǔn)》，可以滿足日常CO濃度監(jiān)測(cè)需求。

表1 實(shí)測(cè)CO濃度數(shù)據(jù)

6 總結(jié)

本文選用作為STM控制器、CO傳感器實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集，結(jié)合NB-IoT通信傳輸技術(shù)，利用CTWing平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)手持式檢測(cè)設(shè)備對(duì)比，該系統(tǒng)在功耗、監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性以及超標(biāo)報(bào)警靈敏度方面都有較大的改善。此外，該系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面優(yōu)勢(shì)極為突出，有效提高了CO濃度監(jiān)管的自動(dòng)化水平，加快了有害氣體監(jiān)控的信息化進(jìn)程。