基于NB-IoT的魚(yú)缸溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李楷文　周鑫俊　譚啟日　潘啟勇

摘要：為了促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)信息化的發(fā)展，文章基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能魚(yú)缸溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)和傳感器終端實(shí)時(shí)采集溫度，通過(guò)NB-IoT技術(shù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)，訪問(wèn)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)缸環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)采集溫度的誤差不超過(guò)0.5 ℃，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性較高，溫度低于閾值一定時(shí)間自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信，為魚(yú)類養(yǎng)殖提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)采集；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；自動(dòng)控制；NB-IoT

中圖分類號(hào)：TP302文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言隨著人們生活水平的不斷提高，精致生活成為一種時(shí)尚。為了增添生活情趣，裝飾家居環(huán)境，養(yǎng)殖觀賞魚(yú)已成為一種潮流。伴隨著這種潮流，魚(yú)缸、凈水器等配套用品熱度不斷上升。魚(yú)類生長(zhǎng)對(duì)不同的溫度要求分為冷水、溫水和熱水三種，不同種類的魚(yú)苗只能存活于適合自己水溫的環(huán)境［1］。智能魚(yú)缸是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合傳感器和計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的一種新型養(yǎng)殖模式［2］。智能魚(yú)缸具有自動(dòng)控溫、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，給人們的日常生活帶來(lái)了便利。

目前，有很多研究者開(kāi)展了針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與溫度控制方面的研究。李多［3］利用ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了嵌入式終端對(duì)溫度的無(wú)線監(jiān)控。梁景普等［4］利用GPRS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)缸溫度的監(jiān)控。上述系統(tǒng)各具特色，但ZigBee技術(shù)覆蓋范圍小，GPRS則功耗較高，而NB-IoT技術(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、廣覆蓋和多連接［5］。本文基于NB-IoT技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能魚(yú)缸溫度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚(yú)缸溫度的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)，提高觀賞魚(yú)的存活率。

1系統(tǒng)架構(gòu)本文設(shè)計(jì)的魚(yú)缸溫度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，整體架構(gòu)參考物聯(lián)網(wǎng)分層模型，如圖1所示。從上往下分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中，網(wǎng)絡(luò)層又包含了傳輸層和平臺(tái)層［6］。

感知層由溫度探頭和STM32F103單片機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)魚(yú)缸的數(shù)據(jù)采集和加熱控制，探頭放置在魚(yú)缸內(nèi)部。傳輸層包括核心網(wǎng)和通信基站，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。平臺(tái)層保存業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用層為客戶端，可以通過(guò)手機(jī)App與PC端實(shí)現(xiàn)魚(yú)缸溫度的監(jiān)測(cè)和控制。

2感知層硬件設(shè)計(jì)魚(yú)缸溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路按照功能可劃分為MCU控制模塊、電源模塊、溫度采集模塊和通信模塊。

2.1主控芯片本設(shè)計(jì)選擇了意法半導(dǎo)體的32位增強(qiáng)型單片機(jī)STM32F103C8T6作為主控芯片，其內(nèi)核為ARM公司的Cortex-M3架構(gòu)，工作頻率最高達(dá)72 MHz，64 k的程序存儲(chǔ)器，自帶12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，3個(gè)UARST接口，4種超低功耗模式，工作溫度-40～85℃，足以滿足用戶對(duì)低功耗高性能的需求。

2.2電源模塊設(shè)計(jì)考慮到應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性，環(huán)境的復(fù)雜性，供電電路采用交流火線零線供電，取電方便。STM32的工作電壓為2～3.6 V，通信芯片BC26的工作電壓為2.1～3.63 V，為了使模塊正常工作，選用HLK10 M05作為AC/DC模塊，將220 V交流電轉(zhuǎn)為5 V的直流電。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以RT9193芯片為核心的穩(wěn)壓電路，該芯片具有快速響應(yīng)和超低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。在滿功率輸出的情況下，電壓可降低至220 mV，穩(wěn)壓電路輸出電壓3.3 V，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3檢測(cè)模塊和溫控模塊設(shè)計(jì)檢測(cè)模塊使用NTC熱敏電阻作為測(cè)溫元件。該電阻以過(guò)渡金屬氧化物為主要原材料，采用電子陶瓷工藝制成。由于其具有電阻隨溫度上升而降低的特性，被廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)、汽車空調(diào)、冰箱、冷柜等場(chǎng)合的溫度測(cè)量與控制。其感溫范圍從-50～105 ℃，測(cè)溫精度為±0.5 ℃。

先將NTC熱敏電阻串聯(lián)一個(gè)電阻，接入3.3 V和GND之間，再用STM32F103單片機(jī)自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換口采集其兩端電壓，并根據(jù)電壓和溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系表得到最終溫度。

溫控部分采用2路5 V繼電器控制。當(dāng)溫度達(dá)到規(guī)定的閾值時(shí)，由主控芯片控制啟閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)缸升溫和降溫控制。

2.4NB-IoT通信模塊設(shè)計(jì)通信模塊選用的是基于NB-IoT技術(shù)的無(wú)線通信模塊BC26，采用LCC封裝，具有3種工作模式，電流功耗在省電模式下低至3 μA，能最大限度地滿足終端對(duì)小尺寸低功耗模塊的要求。BC26模塊采用NB-IoT無(wú)線通信協(xié)議3GPP-rel.13與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備進(jìn)行連接，能夠提供最大62.5 kbit/s的上行速率和25.5 kbit/s的下行速率，電路如圖2所示。STM32通過(guò)串口TXD，RXD與BC26進(jìn)行交互。BC26通過(guò)外置天線以及專用的SIM卡引腳與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)。

3傳輸層數(shù)據(jù)通信協(xié)議本系統(tǒng)的傳輸層數(shù)據(jù)協(xié)議為UDP協(xié)議，是OSI模型中的一種無(wú)連接的傳輸層協(xié)議。區(qū)別于TCP協(xié)議建立連接時(shí)的“三次握手”和斷開(kāi)連接時(shí)的“四次揮手”，UDP協(xié)議是一種面向無(wú)連接、無(wú)緩沖數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，在應(yīng)用層發(fā)送數(shù)據(jù)前無(wú)需建立連接，發(fā)送完成后也無(wú)需斷開(kāi)，只要接收方提前建立端口連接，即可通過(guò)端口號(hào)和IP地址向目標(biāo)發(fā)送指定的數(shù)據(jù)，大大減少了因?yàn)檫B接和斷開(kāi)帶來(lái)的時(shí)延，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。此外，與TCP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接不同，UDP傳輸協(xié)議還支持一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一和多對(duì)多的交互通信。

UDP協(xié)議也是一種面向報(bào)文的無(wú)線傳輸協(xié)議。其數(shù)據(jù)格式分為UDP報(bào)頭和UDP數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。UDP報(bào)頭部分由4個(gè)兩字節(jié)字段組成，分別表示該報(bào)文的源端口、目的端口、報(bào)文長(zhǎng)度和校驗(yàn)值。

4應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最頂層，可以對(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和挖掘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策。應(yīng)用層的核心功能圍繞“數(shù)據(jù)”和“應(yīng)用”兩個(gè)方面。在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用層采用MQTT協(xié)議連接到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)感知層溫度采集模塊所采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及對(duì)于升溫、降溫開(kāi)關(guān)的控制。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

4.1溫度采集模塊程序設(shè)計(jì)將NTC熱敏電阻與主控芯片的ADC引腳相連，在對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行AD采樣時(shí)，NTC的電阻值會(huì)隨著溫度改變。為了提高精度，先根據(jù)電壓溫度特性表進(jìn)行擬合；再用Matlab軟件對(duì)曲線進(jìn)行仿真，不斷逼近；最終得到精度較高的溫度電壓特性曲線函數(shù)，檢測(cè)溫度與實(shí)際值相差±0.5 ℃。

4.2通信模塊程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，BC26通信模塊采用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（MQTT）與阿里云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。MQTT是一種“輕量級(jí)”的基于發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議。其優(yōu)點(diǎn)是能夠以較少的代碼、有限的帶寬，為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。

在系統(tǒng)上電后，MCU采用通過(guò)串口向模塊發(fā)送AT指令的方式，實(shí)現(xiàn)NB模塊初始化、連接、溫度采集數(shù)據(jù)的收發(fā)、短信發(fā)送等等功能，相關(guān)AT指令如下：

AT+CIMI//查詢SIM卡號(hào)

AT+CGSN=1//查詢IMEI

AT+CSQ//查看信號(hào)質(zhì)量

AT+CGPADDR=1//獲取模塊IP地址

AT+CGATT=1//模塊網(wǎng)絡(luò)已連接

AT+QIOPEN=1，0，“UDP”，“101，201，213，232”，1001，0，1//連接服務(wù)器

AT+QISEND=0，10//發(fā)送數(shù)據(jù)

在上電后，系統(tǒng)會(huì)檢查BC26的工作狀態(tài)（卡號(hào)、信號(hào)強(qiáng)度、是否入網(wǎng)等），狀態(tài)不正常會(huì)經(jīng)過(guò)串口返回對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤代碼，檢查通過(guò)后BC26會(huì)采用設(shè)定的IP地址、端口號(hào)連接至服務(wù)器云平臺(tái)，定時(shí)發(fā)送溫度信息，用戶就可以在PC端遠(yuǎn)程觀察到魚(yú)缸的實(shí)時(shí)溫度。

5系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)備、參數(shù)配置完成，NB模塊連接成功后，登錄阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)不僅可以查看設(shè)備狀態(tài)，還可以查看設(shè)備ID、型號(hào)等。進(jìn)入數(shù)據(jù)查看頁(yè)面，觀察NB模塊上傳的溫度信息，并與實(shí)際溫度值進(jìn)行比對(duì)，誤差不超過(guò)±0.5 ℃，滿足預(yù)期。將測(cè)試溫度降低至閾值，加熱裝置自動(dòng)打開(kāi)，待溫度穩(wěn)定后，自動(dòng)關(guān)閉，若溫度長(zhǎng)時(shí)間維持在閾值之下時(shí)，服務(wù)器會(huì)向指定手機(jī)號(hào)發(fā)送預(yù)警短信。經(jīng)測(cè)試，所設(shè)計(jì)的功能均能正常使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量精度較高。

6結(jié)語(yǔ)本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT技術(shù)的魚(yú)缸溫度監(jiān)控系統(tǒng)，解決了目前智能魚(yú)缸面臨的通信距離短，功耗較高的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)測(cè)試，溫度控制穩(wěn)定，誤差不超過(guò)±0.5 ℃，提高了養(yǎng)殖魚(yú)類的存活率。

參考文獻(xiàn)

［1］馮茹.淡水魚(yú)類養(yǎng)殖技術(shù)及水環(huán)境對(duì)養(yǎng)殖的影響［J］.新農(nóng)業(yè)，2021（5）：53.

［2］李曄，曾昂.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚(yú)缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)新通信，2022（16）：62-64.

［3］李多.基于ZigBee和ARM的電熱膜供暖控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［D］.南京：東南大學(xué)，2016.

［4］梁景普，傅卓軍.基于物聯(lián)網(wǎng)的觀賞魚(yú)智能喂養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2022（3）：8-13，88.

［5］王官云，王浩宇，唐穎.基于NB-IoT技術(shù)的數(shù)據(jù)中心溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2022（5）：42-43.

［6］梁志勛，施運(yùn)應(yīng)，趙家祺，林芳.基于NB-IoT技術(shù)的高壓開(kāi)關(guān)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2020（16）：126-130，134.

（編輯 姚鑫）

Design of the fishtank temperature monitoring system based on NB-IoTLi Kaiwen Zhou Xinjun Tan Qiri Pan Qiyong

（1.School of Electronic and Information Engineering， Soochow University， SuZhou 215000， China;

2.School of Electronic and Information Engineering， Changshu Institute of Technology， SuZhou 215500， China）Abstract： In order to promote the development of aquaculture informatization， an intelligent fish tank temperature monitoring system based on NB-IoT technology was designed. The system uses STM32F103C8T6 microcontroller and sensor terminal to collect temperature in real time， and transmits it to the cloud platform of Internet of Things through NB-IoT technology， and accesses the cloud platform to realize remote monitoring and automatic control of the aquarium environment. Through testing， the error of the temperature collected by the system is less than 0.5℃， the stability of data transmission is high， and the temperature is lower than the threshold for a certain period of time， the automatic alarm message will be sent， which provides a strong guarantee for fish breeding.

Key words： collect in real time; remote monitoring; automatic control; NB-IoT