基于NB-IoT技術(shù)的低功耗空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
2020-08-31 14:40王亞磊胡佳銘樓繼鋮劉南燕周琪潘庭龍
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2020年8期
王亞磊 胡佳銘 樓繼鋮 劉南燕 周琪 潘庭龍
摘 要：目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多以短距離通信技術(shù)為基礎(chǔ)，該類(lèi)系統(tǒng)通信距離短、功耗大。鑒于此，文中以STM32為核心，基于傳感器檢測(cè)、NB-IoT無(wú)線(xiàn)傳輸、APP遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)，研發(fā)了一種基于NB-IoT技術(shù)的低功耗空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端、APP組成。系統(tǒng)中各傳感器負(fù)責(zé)搜集信息，通過(guò)NB-IoT模組上發(fā)至云平臺(tái)。APP從云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，處理后在APP界面顯示，并通過(guò)APP向系統(tǒng)發(fā)送控制命令，以實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和顯示功能。
關(guān)鍵詞：NB-IoT;空氣質(zhì)量;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);云平臺(tái);STM32;智能感知
0 引 言
空氣是人類(lèi)和其他生物賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。但如今工業(yè)高度發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)日漸壯大，每時(shí)每刻都在向空氣中排放大量的污染氣體，使得原有空氣的正常組成發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生不利影響。因此對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，對(duì)污染氣體采取有效措施迫在眉睫[1]。
目前，國(guó)內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)市場(chǎng)主要為基于ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，基于WSN的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]和基于ARM技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。這些系統(tǒng)通信距離短，功耗大，無(wú)法運(yùn)用到信號(hào)較弱的地區(qū)。相比藍(lán)牙，WiFi，ZigBee等短距離通信技術(shù)，NB-IoT具備廣覆蓋，可支撐海量連接，更低功耗，更低成本等突出優(yōu)勢(shì)[5]。在對(duì)空氣質(zhì)量越發(fā)重視的今日，基于NB-IoT技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)前景。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境中各項(xiàng)指標(biāo)的定時(shí)采集。包含溫濕度采集、PM2.5含量采集、甲醛含量采集、天然氣含量檢測(cè)，并將上述采集到的信息經(jīng)過(guò)處理后傳送給手機(jī)APP，從而實(shí)現(xiàn)在手機(jī)上實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控空氣質(zhì)量。該系統(tǒng)由空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端、APP監(jiān)測(cè)端組成。空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端由DHT11傳感器、GP2Y1014AU粉塵傳感器、ZE08-CH2O甲醛模組模塊、MQ-4環(huán)境信息傳感器、BC35-G無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、微處理器模塊STM32等構(gòu)成。APP監(jiān)測(cè)端由一款A(yù)ndroid軟件構(gòu)成，待STM32搜集信息后通過(guò)BC35-G將搜集的信息上傳到云平臺(tái)，之后將處理的信息上傳至手機(jī)APP，使用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)APP對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)組成如圖1所示。
1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
1.1.1 溫濕度采集
本文采用DHT11傳感器進(jìn)行溫濕度采集，其連接原理如圖2所示。DATA用于微處理器與 DHT11之間的通信和同步，采用單總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式，與STM32中的PB7管腳相連。
1.1.2 PM2.5含量采集
將GP2Y1014AU粉塵傳感器作為PM2.5傳感器，該傳感器利用光敏原理，通過(guò)輸出電壓的脈沖模式來(lái)檢測(cè)房間內(nèi)的煙霧與空氣中的細(xì)微顆粒[6]。PM2.5含量采集電路如圖3所示，其由單片機(jī)的PA6口讀取數(shù)據(jù)。
1.1.3 甲醛含量數(shù)據(jù)采集
采用ZE08-CH2O甲醛模組進(jìn)行甲醛含量的數(shù)據(jù)采集，并輸出與甲醛濃度相符的模擬電壓。甲醛含量采集連接電路原理如圖4所示。甲醛傳感模組ZE08-CH2O的第3個(gè)引腳接地，第4個(gè)引腳接5 V電源，第5個(gè)引腳接STM32的PA5端口，STM32通過(guò)PA5端口接收模組的數(shù)字信號(hào)。
1.1.4 天然氣含量檢測(cè)
采用MQ-4進(jìn)行天然氣含量檢測(cè)，其原理如圖5所示。圖中第1管腳接+5 V，第4管腳接地，AOUT管腳接STM32的PA7管腳，STM32通過(guò)PA7端口接收傳感器的模擬信號(hào)。
1.2 NB-IoT通信模組
本系統(tǒng)選用BC35-G系列通信模組。相比BC95，BC35-G系列在定位、移動(dòng)性、功耗等方面的性能均得到提升。BC35-G功耗低，支持 B1/B3/B5/B8/B20/B28多個(gè)頻段[7]，其連接原理如圖6所示。
為了確保良好的ESD防護(hù)性能，在外部USIM卡的引腳增加TVS管。SMF05C是TVS管陣列，由5個(gè)TVS二極管組成[8]。在模塊和外部USIM卡之間串聯(lián)22 Ω的電阻用以抑制雜散EMI，增強(qiáng)ESD防護(hù)[9]。在USIM_DATA，USIM_VDD，USIM_CLK和USIM_RST線(xiàn)上并聯(lián)電容用于濾除射頻干擾，通過(guò)TTL串口與STM32相連。
1.3 主控電路模塊
STM32L431RCT6是一種超低功耗微控制器，以高性ARM Cortex-M4 32位RISC內(nèi)核為基礎(chǔ)，具有64 KB的SRAM，F(xiàn)LASH ROM高達(dá)256 KB，工作頻率達(dá)8 MHz，能夠在-40～85 ℃的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，具有低功耗、低成本、高可靠?jī)?yōu)點(diǎn)。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖7所示。
1.4 供電模塊
供電模塊采用7.2 V可充放電的鋰電池供電，由LM2940和AMS1117兩款降壓芯片將電壓降到其他模塊需要的5.0 V和3.3 V。LM2940是低壓差三端穩(wěn)壓芯片，輸出電壓為5 V，輸出電流[10]為1 A。AMS1117內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇[11]。這套電路契合系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)理念，使產(chǎn)品更便攜。圖8所示為供電模塊的電路設(shè)計(jì)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要包括APP界面設(shè)計(jì)、信息發(fā)送與搜集等。首先對(duì)質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行調(diào)試，使傳感器工作，實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)的環(huán)境信息，并通過(guò)NB-IoT上傳至云平臺(tái)，APP通過(guò)云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)后顯示在其界面上。
2.1 通信程序設(shè)計(jì)
傳感器采集的信息經(jīng)過(guò)STM32處理后由NB-IoT將信息上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器。本設(shè)計(jì)采用的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊為BC35-G。
如圖9所示，單片機(jī)通過(guò)NB-IoT傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)的信息主要分為4種，即溫濕度含量、甲醛含量、PM2.5指標(biāo)、天然氣含量。為這4種信息加上記號(hào)，便于分辨。溫濕度含量標(biāo)記為“D”，甲醛含量標(biāo)記為“C”，PM2.5含量標(biāo)記為“B”，天然氣信息標(biāo)記為“A”。通過(guò)辨別這4種信息的記號(hào)，使得服務(wù)器能夠?qū)Σ煌男畔⒎謩e進(jìn)行處理。
2.2 APP軟件設(shè)計(jì)
APP的制作基于Android Studio平臺(tái)。該款軟件分為UI模塊、數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊等，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)室內(nèi)溫濕度監(jiān)控、室內(nèi)煙霧報(bào)警、室內(nèi)甲醛濃度監(jiān)控的可視化功能。在UI模塊，運(yùn)用文本框組件
本軟件的工程文件分為2個(gè)模塊，APP模塊包括manifests子目錄，用于存放APP的運(yùn)行配置文件AndroidManifest.xml;Java子目錄用于存放APP的Java代碼文件;res子目錄用于存放APP的資源文件。編譯配置模塊包含文件build.gradle，用于存放工程的編譯配置文件。Proguard-rules.pro文件用于描述Java文件的代碼混淆規(guī)則。
APP設(shè)計(jì)流程及界面設(shè)計(jì)如圖10，圖11所示。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文旨在研究一種基于NB-IoT的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足現(xiàn)階段的生活需求。其特色在于相比其他通信方式，NB-IoT信號(hào)功耗低、穿透能力強(qiáng)、成本低、穩(wěn)定性高。文中對(duì)數(shù)據(jù)的搜集，信息的傳送，以及對(duì)APP的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)功能完善，通過(guò)硬件與軟件的配合，人們能夠方便地在APP端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境，從而對(duì)異常情況做出及時(shí)反應(yīng)。
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