王鴻磊，任成義，許雨亭

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.中國(guó)電信股份有限公司徐州分公司，江蘇 徐州221000；3.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州221140）

0 引言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)為智能電表、環(huán)境監(jiān)測(cè)等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景提出的一種低功耗廣域覆蓋（low power wide area, LPWA）技術(shù)[1-2]，NB-IoT 采用10-30km 覆蓋范圍的廣域覆蓋、20dB 穿透損耗的深度覆蓋、功率節(jié)省模式（PowerSaving Mode，PSM）和增強(qiáng)型非連續(xù)結(jié)接收模式（Extended Discontinuous Reception，eDRX）兩種低功耗模式[3-5]。

現(xiàn)有的ZigBee 無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)存在傳輸距離短、中繼節(jié)點(diǎn)分布多和系統(tǒng)部署成本高等諸多問題。本文提出了一套基于NB-IoT 的云平臺(tái)無線數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由NB-IoT 開發(fā)板和多種傳感器組成，具有體積小、安裝方便、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢等功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

窄帶物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)包括NB-IoT 終端（UE）、NB-IoT 基站（eNodeB）、NB-IoT 分組核心網(wǎng)（EPS）、IOT 連接管理平臺(tái)和行業(yè)應(yīng)用服務(wù)器?？紤]到NB-IoT 終端（UE）的硬件配置一般很低，與IOT 連接管理平臺(tái)多使用CoAP 等物聯(lián)網(wǎng)專用的應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行通信，連接管理平臺(tái)與行業(yè)應(yīng)用服務(wù)器性能較強(qiáng)，以及代管、安全等因素，所以IOT連接管理平臺(tái)與行業(yè)應(yīng)用服務(wù)器之間使用HTTP/HTTPs 應(yīng)用層協(xié)議。

基于NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)完成無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過傳感器模塊和GPS 模塊采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT 模塊將數(shù)據(jù)輸送到IOT 連接管理平臺(tái)，IOT 連接管理平臺(tái)將數(shù)據(jù)存到行業(yè)應(yīng)用服務(wù)器。客戶端通過訪問行業(yè)應(yīng)用服務(wù)器，查詢并顯示需要的傳感器數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

2 終端設(shè)計(jì)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)終端由微控制芯片、NB-IoT 模塊、傳感器和全球定位模塊等其他外圍電路組成。采用STM32F103 作為終端微控制芯片，負(fù)責(zé)終端數(shù)據(jù)采集、處理、分析，最后通過相關(guān)AT 指令連接NB-IoT 模塊實(shí)現(xiàn)通信連接。NB-IoT 模塊采用BC26 模組，支持全球頻段，提供豐富的外部接口（UART、SPI、ADC 等）和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（TCP、CoAP、MQTT 等），支持OpenCPU 功能，支持中國(guó)移動(dòng)OneNET 云平臺(tái)、中國(guó)電信EasyIoT、華為Ocean－Connect 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。終端可通過SPI、ADC 等接口連接開關(guān)量、數(shù)字量和模擬量等數(shù)據(jù)類型的傳感器以及全球定位模塊。傳感器采用溫濕度傳感器DHT11，全球定位模塊采用北斗定位模組ZS1216F8BD。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖2 所示，其中“構(gòu)建發(fā)送數(shù)據(jù)包”包括各種傳感器數(shù)據(jù)和全球定位經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)。MQTT 是物聯(lián)網(wǎng)的主要通信協(xié)議，它基于TCP 長(zhǎng)連接。先跟MQTT 服務(wù)器建立TCP 連接，然后發(fā)送登錄請(qǐng)求，要保持長(zhǎng)連接，還要定時(shí)發(fā)心跳包跟服務(wù)器保持連接。MQTT 最核心的傳輸協(xié)議是訂閱（Subcribe）和推送（Publish）。物聯(lián)網(wǎng)硬件訂閱一個(gè)主題（topic)，其它的客戶端（例如手機(jī)）向服務(wù)器的這個(gè)主題推送一個(gè)有效數(shù)據(jù)（Payload），服務(wù)器就會(huì)把有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱這個(gè)主題的客戶端（物聯(lián)網(wǎng)硬件），實(shí)現(xiàn)了客戶端（手機(jī)）通過服務(wù)器（MQTT）遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)給物聯(lián)網(wǎng)硬件。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

4 云平臺(tái)搭建

本系統(tǒng)選擇移動(dòng)開發(fā)平臺(tái)的OneNET 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。OneNET 是一款功能強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，使用OneNET 下的開發(fā)者中心創(chuàng)建產(chǎn)品，經(jīng)過MQTT 服務(wù)協(xié)議讀取NB-IOT 開發(fā)板數(shù)據(jù)。設(shè)備的接入方式為MQTT協(xié)議，產(chǎn)品的ID 號(hào)是NB-IOT 開發(fā)板發(fā)送的辨別號(hào)碼。

經(jīng)過MQTT 通信服務(wù)協(xié)議完成窄帶物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)傳輸。采用OneNET 下的開發(fā)插件，通過OneNET 應(yīng)用編輯器，用戶可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)OneNET 平臺(tái)上的設(shè)備數(shù)據(jù)流可視化，可以更加直觀地了解設(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，通過選擇設(shè)備的數(shù)據(jù)流就可以查看云平臺(tái)采集到的開發(fā)板數(shù)據(jù)信息。技術(shù)參數(shù)信息如圖3 所示。

圖3 技術(shù)參數(shù)圖

5 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)正常運(yùn)行后，OneNET 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)云平臺(tái)會(huì)接收到對(duì)應(yīng)的溫度、濕度、全球定位信息和RFID 信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，如圖4 所示。用戶可通過查詢服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的方式在移動(dòng)客戶端顯示對(duì)應(yīng)傳感器信息，如圖5 所示。

圖4 云平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示圖

圖5 溫濕度移動(dòng)端顯示

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用STM32 控制器采集開關(guān)量、數(shù)字量和模擬量等各種類型傳感器以及RFID 和全球定位信息，利用MQTT 通信服務(wù)協(xié)議通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到云端服務(wù)器并存儲(chǔ)，用戶通過查詢服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的方式顯示對(duì)應(yīng)傳感器信息。在運(yùn)營(yíng)商窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)良好的前提下，此系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于無需中繼節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離、低功耗、低成本通信傳輸。