基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

鄒文虎

（江西省景德鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題愈來愈嚴重，因而使用先進技術(shù)提高環(huán)境監(jiān)測準確性，整治和保護環(huán)境勢在必行。目前，通訊技術(shù)正快速發(fā)展，如5G 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、WiFi、GPRS、ZigBee、LoRa、NBIoT 等，在其中NB-IoT 相比于其他專業(yè)性具有耗能低、成本費用低、遮蓋廣和連接點半等特點。文中設(shè)立了一種基于NB-IoT 的生活環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該網(wǎng)站以STM32 F103RBT6 單片機設(shè)計為微控制器，應(yīng)用多種多樣感應(yīng)器來精準測量空氣溫度環(huán)境濕度、PM2.5 和CO等主要參數(shù)，運用BC26 控制器將收集的數(shù)據(jù)保存到云管理平臺，用戶可根據(jù)網(wǎng)頁頁面及時查看環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并設(shè)計出對應(yīng)的治理方案。

1 環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

本研究設(shè)計的一種環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要針對大氣污染監(jiān)測工作，其整體結(jié)構(gòu)包含包括應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層及感知層。圖1 為結(jié)構(gòu)示意圖。應(yīng)用層做為自然環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的終端用戶，能夠提供更好的人機交互，并且通過監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器手機軟件解決、剖析、表明和儲存從感知層收集的數(shù)據(jù)信息[1]，從而使得用戶可對大氣污染有更加清楚、更加直觀地掌握。網(wǎng)絡(luò)層主要是對數(shù)據(jù)的傳送，包含短距離傳送和長離傳輸兩大類。短距離傳送通常采用ZigBee、WiFi、手機藍牙等新技術(shù)，大氣環(huán)境監(jiān)測里的短距離傳送最優(yōu)方案為ZigBeewifi 網(wǎng)絡(luò)傳送；長距傳送時，選用4G 互聯(lián)網(wǎng)開展，是因為4G 互聯(lián)網(wǎng)具備大空間、高速傳輸?shù)奶卣?。感知層關(guān)鍵應(yīng)用ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)來搜集環(huán)境空氣數(shù)據(jù)信息等主要參數(shù)[2]。ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)由監(jiān)管區(qū)域范圍一組功耗低、降低成本傳感器節(jié)點而構(gòu)成，其具有數(shù)據(jù)收集、文件存儲、數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)信息接收作用[8-9]，并實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)環(huán)境空氣數(shù)據(jù)收集整理以及有效的展示[3]。

圖1 環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的總體框架圖

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整體設(shè)計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和云端接點組成，拓撲結(jié)構(gòu)見圖2。傳感器節(jié)點主要選擇環(huán)境溫度、濕度、光照強度、大氣壓等數(shù)據(jù)作為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的主要收集數(shù)據(jù)，并且通過LoRa 模塊發(fā)送至匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點根據(jù)LoRa 無線通信網(wǎng)絡(luò)開展互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的收集整理與分享；網(wǎng)關(guān)節(jié)點選用LoRa 與NB-IoT 無線接收模塊聯(lián)合設(shè)計，根據(jù)LoRa 模塊搜集互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)NB-IoT 控制模塊將收集到的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至云端，云端接收到數(shù)據(jù)信息之后進行數(shù)據(jù)儲存和顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)信息超出閥值時，用郵件、短消息等方式提示報警。運用兩種通訊方式形成混和組網(wǎng)方案，既發(fā)揮出LoRa 成本低、功耗低、長距離通訊的優(yōu)點，也能夠通過利用NB-IoT 填補LoRa 不能通過運營商網(wǎng)絡(luò)向云端傳送數(shù)據(jù)的缺陷[4]。

圖2 系統(tǒng)拓撲圖

2.2 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由控制器最小耗能電路系統(tǒng)，溫濕度采集電路、PM2.5、CO 數(shù)據(jù)采集電路，聲光報警電路，電源電路和NB-IoT 模塊組成，其硬件系統(tǒng)架構(gòu)見圖3[5]。

圖3 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計

STM32 最小耗能系統(tǒng)電路由微處理器、復(fù)位電路、晶振電路和電源電路組成，見圖4。微控制處理器選用STM32F103RBT6，該處理芯片具有豐富的外接設(shè)備網(wǎng)絡(luò)資源，包括通用USART、I2C、SPI、CAN 和USB 等接口，工作標準電壓為2.0～3.6V，工作溫度范圍-40～105 ℃，是一款性能卓越、功耗低的單片機。該硬件系統(tǒng)應(yīng)用采用USB 供電，且供電電壓為5 V，而單片機設(shè)計工作標準電壓為3.3 V，所以需要經(jīng)過AMS1117-3.3 降壓[6]。

圖4 最小系統(tǒng)電路

2.2.2 溫濕度采集、PM2.5 和CO 采集模塊設(shè)計

目前市面上濕度傳感器品種繁多，本研究設(shè)計的主要是選用DHT11 型濕度傳感器。該濕度傳感器是一款功能損耗低、帶審校功能性的溫度濕度復(fù)合性感應(yīng)器，該感應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含一個電阻式感濕電子器件和一個NTC 測溫元件，可確保測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和長期穩(wěn)定性。該控制板應(yīng)用CAN總線通訊，因此，與單片機設(shè)計通信只需再加上4.7 kΩ 匹配電阻就可以，溫度濕度收集電源電路見圖5[7]。此外，現(xiàn)在市面上用于檢測空氣中PM2.5 感應(yīng)器通常是紅外感應(yīng)型激光器型，該平臺選用一款光電子器件細顆粒物檢測傳感器GP2Y1014AU。該傳感器檢測的顆粒物最少直徑為0.8 μm，導(dǎo)出模擬電壓和所測的物質(zhì)濃度值正相關(guān)，其電源電路見圖6。本系統(tǒng)選擇MQ-9 傳感器來精確測量CO 濃度值，這款感應(yīng)器對CO 檢測靈敏度比較高，堅固耐用，成本費用低，電路原理較簡易，見圖7。

圖5 溫濕度采集電路

圖6 PM2.5 采集電路

圖7 CO 采集電路

2.3 無線通信模塊

LoRa 通訊技術(shù)選用CSS 無線通信調(diào)制技術(shù)，既能夠完成遠程傳輸，還能降低接收器的復(fù)雜度，有效的對抗多普勒效應(yīng)和多徑衰落。與傳統(tǒng)式FSK 技術(shù)相比，LoRa 調(diào)制解調(diào)器在犧牲一定數(shù)據(jù)傳輸速率的情形下，顯著提升了接收器的靈敏度。本次所選用的SX1280 控制模塊具有較高的同信道抑制能力，發(fā)射功耗為12 dBm，LoRa 調(diào)配模式中接收機靈敏度最多可達到-132 dBm[8]。此外，SX1280 還有著極低功耗，在休眠狀態(tài)模式下電流量耗費僅8 μA，接收模式中電流量耗費僅20 mA，推送模式中電流量耗費僅46 mA。NB-IoT 是一種面向低傳輸速率的多源物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，該技術(shù)覆蓋面積廣、敏感性低，適用傳輸距離遠且低功耗要求較高的情景，如無線智能抄表等服務(wù)。NB-IoT 能根據(jù)現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)來進行設(shè)計，可憑借運營商網(wǎng)絡(luò)將傳輸數(shù)據(jù)傳輸至云端。與傳統(tǒng)式GPRS 網(wǎng)絡(luò)相比，NBIoT 鏈接有著更遠的傳輸距離，更低的功耗。本次采用的WH-NB75-B5 控制模塊推送電流量約336 mA，接受電流量約40 mA，PSM 省電模式電流量約6 mA。

2.4 報警電路設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分設(shè)置了聲光報警器控制模塊，該組件由三極管、聲控開關(guān)和發(fā)光二極管構(gòu)成，當(dāng)某個因素不符合城市空氣質(zhì)量標準時，系統(tǒng)會傳出聲光報警提示，工作人員應(yīng)采取相應(yīng)措施。聲光報警器電源電路見圖8。

圖8 聲光報警器電源電路圖

2.5 軟件設(shè)計

2.5.1 傳感器節(jié)點的軟件開發(fā)

傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)收集和實時傳輸數(shù)據(jù)等功能。當(dāng)終端節(jié)點接入到網(wǎng)絡(luò)時，最開始進入睡眠模式，系統(tǒng)根據(jù)睡眠質(zhì)量記時器來設(shè)置初始計數(shù)值，當(dāng)記數(shù)器的計數(shù)值相當(dāng)于初始計數(shù)值時，造成中斷數(shù)據(jù)信號以喚起該節(jié)點。節(jié)點喚起后，開展數(shù)據(jù)收集和傳輸。隨后，該節(jié)點再度進入睡眠模式以達到節(jié)能降耗效果。路由節(jié)點除收集信息外還擔(dān)負互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無線路由橋接的功效，因此該平臺無法使用睡眠模式。連接路由器點加上至互聯(lián)網(wǎng)后，務(wù)必每日進行兩項工作目標：一是探尋子節(jié)點并將其導(dǎo)到網(wǎng)絡(luò)里，明確“父子關(guān)系”，之后將子節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)；二是搜集本身源數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上級領(lǐng)導(dǎo)路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器。

2.5.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件開發(fā)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，主要包括ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接口模塊，主控制器控制模塊和4G 網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)關(guān)節(jié)點上電后，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，實時進行數(shù)據(jù)處理，圖9 為網(wǎng)關(guān)節(jié)點的工作流程。首先，通過主動掃描確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，發(fā)送要求指令，并設(shè)定掃描限期。假如在這段時間未檢測到信號，則可將這一鏈接點作為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)器設(shè)置ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。其次，掃描儀從可用的安全通道中選擇最佳安全通道作為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通道。最后，協(xié)調(diào)器明確唯一的網(wǎng)絡(luò)標識并實現(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)復(fù)位。協(xié)調(diào)器承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)運行期間的監(jiān)控與維護工作，識別出服務(wù)器接收的數(shù)據(jù)信息后，對數(shù)據(jù)種類進行核對并把其分享至對應(yīng)的連接點，同時把每個連接點上傳的數(shù)據(jù)幀傳輸至IP 地址，然后發(fā)給監(jiān)控系統(tǒng)的主機服務(wù)器。監(jiān)控系統(tǒng)中心儲存處理后，顯示通過終端設(shè)備接收到的各種數(shù)據(jù)信息。

圖9 網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作流程

2.5.3 云端節(jié)點設(shè)計

云端連接點采用云平臺設(shè)計方案，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存、顯示與報警功能，便于查看現(xiàn)階段的信息數(shù)據(jù)及歷史時間數(shù)據(jù)。警報推送功能設(shè)置在警報標識后，若數(shù)據(jù)信息超過規(guī)定閥值，就可利用電子郵件、短消息等形式推送報警信息。

2.5.4 監(jiān)控中心組網(wǎng)設(shè)計

監(jiān)控軟件根據(jù)VC 編程實現(xiàn)，包含登陸界面、數(shù)據(jù)信息監(jiān)控和數(shù)據(jù)儲存。其能通過4G 通訊模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和手機客戶端的數(shù)據(jù)傳輸和資料顯示，并把獲得的數(shù)據(jù)儲存在后臺的Excel 表格中，這樣可以方便員工對數(shù)據(jù)記錄進行處理分析。監(jiān)控APP 基于TCP協(xié)議搭建，在通信過程中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器必須指定IP 地址和服務(wù)器端口才可以與手機客戶端建立通訊，手機客戶端只需瀏覽訪問互聯(lián)網(wǎng)并獲得云服務(wù)器IP 地址及其服務(wù)器端口參數(shù)，就可以實現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測中心通信流程見圖10。

圖10 監(jiān)測中心通信流程

3 系統(tǒng)測試

3.1 組網(wǎng)測試

組網(wǎng)系統(tǒng)檢測是測試系統(tǒng)各部件功能的實現(xiàn)狀況。測試中，應(yīng)用2 個傳感器節(jié)點、2 個匯聚節(jié)點、1 個網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行系統(tǒng)的功能測試。檢測時間為2021 年5月7 日星期四00：00-24：00，天氣為晴轉(zhuǎn)陰。云端平臺獲得了2 個傳感器器節(jié)點環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強度、大氣壓強的相關(guān)測試數(shù)據(jù)。如圖11 所示，2個連接點所測定的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)趨勢相同，但是由于兩連接點處于不同的檢測部位，環(huán)境溫度、相對濕度及陽光照度有微小差別。大氣壓強數(shù)據(jù)信息沒有出現(xiàn)明顯變化，且因為兩連接點數(shù)據(jù)信息一致，圖上僅展示出一條曲線圖。

圖11 常規(guī)傳感器數(shù)據(jù)圖

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)云平臺解決方案，可以通過智能移動設(shè)備、計算機系統(tǒng)開展實時動態(tài)查詢，以Andorid 設(shè)備為例，用戶可以通過APP 查詢實時動態(tài)。由于檢測系統(tǒng)在規(guī)劃之前就已經(jīng)充分考慮可擴展性，中后期可在系統(tǒng)軟件中加入多個終端設(shè)備數(shù)據(jù)收集連接點。通過試驗，可得到被測量點的PM2.5 濃度值、溫度、環(huán)境濕度狀況趨勢圖（周期時間為30 天），其數(shù)據(jù)測試見圖12。

圖12 污染物數(shù)據(jù)

3.2 通信距離測試

通信距離測試是檢測連接點在復(fù)雜條件下的合理通信距離，該性能是評價整個系統(tǒng)信號覆蓋能力的指標。檢測地址設(shè)置在道路的輔路上，兩邊設(shè)置密集的綠植，從而模擬野外情況。檢測傳輸速度為1 Kb/s，發(fā)送功能損耗為12 dBm，無線天線類型是2.4 GHz 無線天線。每一組數(shù)據(jù)檢測3次，每一次推送100 個18B 數(shù)據(jù)包文件，網(wǎng)絡(luò)丟包率取3 次均值進行測算，測試數(shù)據(jù)見表1。LoRa 連接點在1 Kb/s 傳輸速度下以低于3%的丟包率完成800 m 通訊距離的復(fù)雜自然環(huán)境通信測試。

表1 通信距離測試數(shù)據(jù)

3.3 功耗測試

根據(jù)LoRa MAC ClassC 協(xié)議設(shè)計系統(tǒng)協(xié)議，該協(xié)議中LoRa 控制模塊在工作模式中未傳輸數(shù)據(jù)時均處在接收狀態(tài)。實驗操作中，應(yīng)用3.3 V 電源供電，對各個模式中開關(guān)電源端電流量消耗模式進行測試。測出系統(tǒng)功耗在低功耗模式下，電流量耗費為0.842 mA，接收模式中電流量消耗為47.4 mA，推送模式中電流量耗費為47 mA。

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用LoRa 與NB-IoT 兩種低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對檢測區(qū)域環(huán)境監(jiān)控信息進行數(shù)據(jù)采集，再依托LoRa 與NB-IoT 混和網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，并能對超出閥值的數(shù)據(jù)信息報警。為驗證結(jié)果，對所測量點30 天內(nèi)的PM2.5 濃度值、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度數(shù)據(jù)信息繪制曲線圖，并與標準的PM2.5 細顆粒物濃度值、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度檢測儀數(shù)據(jù)信息對比，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)方案相比部署更方便，成本更低廉，采用無線通信方式監(jiān)測范圍更大，可視化界面更直觀，因此值得推廣與應(yīng)用。