鐘銳 劉凱

摘要：針對(duì)古鎮(zhèn)的環(huán)境和安全管理效率低、人工巡檢強(qiáng)度大和監(jiān)測(cè)范圍有限等問題，設(shè)計(jì)了一套基于NB-IoT和OneNET云平臺(tái)的古鎮(zhèn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由應(yīng)用層、云平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層和終端感知層4個(gè)部分構(gòu)成。終端設(shè)備層由場(chǎng)景內(nèi)溫濕度、煙霧、氣象和人流量監(jiān)測(cè)等傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)感知并通過NB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，將采集的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺(tái)層的服務(wù)器，同時(shí)下達(dá)相關(guān)指令，用戶可通過PC端的Web界面隨時(shí)登錄管理系統(tǒng)進(jìn)行訪問控制。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、安全可靠，且能夠有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的要求，有效提高了古鎮(zhèn)的智能化管理水平，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：NB-IoT；OneNET云平臺(tái)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；Web界面

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）15-63-5

0引言

隨著人們生活水平的提高和對(duì)精神生活的追求，旅游成為人們生活中不可或缺的一部分，擁有歷史文化底蘊(yùn)的古鎮(zhèn)成為人們游玩的首選。伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺(tái)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速崛起，其相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)逐漸延伸到日常生活的各個(gè)角落。隨著古鎮(zhèn)監(jiān)管力度的加強(qiáng)，為了更好地對(duì)環(huán)境進(jìn)行管理，將互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用到古鎮(zhèn)管理系統(tǒng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)古鎮(zhèn)的智能化管理。當(dāng)前的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置大多是互聯(lián)網(wǎng)的單點(diǎn)設(shè)備[1]，不具備遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能；還有一些聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備多為開發(fā)者自行部署的服務(wù)器，對(duì)系統(tǒng)建設(shè)成本要求相對(duì)較高。本文提出一種采用多種NB傳輸?shù)慕K端傳感器節(jié)點(diǎn)，并將傳感器采集到的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到OneNET云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[2]，驗(yàn)證了對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的可行性，且提高了古鎮(zhèn)安全管理的時(shí)效性和安全性。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于OneNET云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為4個(gè)部分，包含應(yīng)用層、云平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層和終端感知層，如圖1所示。終端設(shè)備層是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)完成古鎮(zhèn)內(nèi)安置的各類傳感器的數(shù)據(jù)信息采集，其中包含溫濕度、煙霧濃度和氣象指數(shù)等采集模塊[3]。網(wǎng)絡(luò)層位于感知與云端之間，主要負(fù)責(zé)接入網(wǎng)的信息傳輸，通過低功耗的NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)有效地傳送至平臺(tái)層。云平臺(tái)層使用OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入、安全認(rèn)證以及數(shù)據(jù)推送等。應(yīng)用層使用前后端分離的系統(tǒng)架構(gòu)，云服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，同時(shí)與Web端采用MQTT協(xié)議建立通信連接，用戶通過PC端登錄Web管理界面，從云平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的位置及狀態(tài)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的查詢等。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展[4]，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)逐漸以運(yùn)營(yíng)商通道為基礎(chǔ)向客戶端延伸，形成了“端、管、云”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5]。設(shè)計(jì)從古鎮(zhèn)管理需求出發(fā)，根據(jù)管理單位的需要，通過瀏覽器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問控制，可以擺脫用戶對(duì)客戶端的需求，免除安裝的環(huán)節(jié)，并且采用可以安裝物聯(lián)網(wǎng)卡的傳感設(shè)備，用戶可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行手機(jī)綁定，并通過短信通知的方式告知用戶設(shè)備的告警狀態(tài)，為古鎮(zhèn)的安全管理創(chuàng)造了安全且高效的管理模式。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所涉及的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件包含控制模塊、通信模塊、傳感器以及電源，控制模塊選用STM32系列[6]，通信模塊選用華為BC28與OneNET平臺(tái)基于MQTT協(xié)議進(jìn)行信息交互。

2.1系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)

為了方便系統(tǒng)的移植、擴(kuò)展以及更換等需求，系統(tǒng)選用ST公司的STM32L4R5[7]，其具有高性能和配置滿足系統(tǒng)的需求，通過BC28通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與OneNET平臺(tái)進(jìn)行連接，并搭載溫濕度傳感、煙霧傳感、人流量傳感、氣象指數(shù)傳感和電源監(jiān)測(cè)傳感等模塊[8]，基本原理是以STM32為MCU，將傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過BC28傳輸?shù)皆破脚_(tái)，通過開發(fā)的基于Web的B/S監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行訪問和控制[9]。

2.2電源模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)器各單元的功耗情況不同，系統(tǒng)需要使用3.3 V，5 V，12 V的直流電壓，其中3.3 V和5 V是對(duì)單片機(jī)、傳感器等進(jìn)行供電，12 V的直流電壓是由220 V的交流電通過逆變器（DC-AC）轉(zhuǎn)換得到，主要對(duì)設(shè)備的制冷裝置進(jìn)行供電。

2.3網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)

NB-IoT模組通信模塊使用移遠(yuǎn)通信生產(chǎn)的BC28模塊，該模塊支持所有運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，帶有Arduino接口，支持多種頻段，通過NB無線電通信協(xié)議與各運(yùn)營(yíng)商基站間建立通信連接。模塊通過串口使用AT指令進(jìn)行命令控制，終端設(shè)備向適配器或者數(shù)據(jù)終端發(fā)送建立連接的指令。BC28模塊有58個(gè)LCC引腳，各接口功能包含電源供電電路、復(fù)位模塊、串口、USIM接口、天線接口等，內(nèi)部配有穩(wěn)壓器可以延長(zhǎng)電池壽命，背部有單獨(dú)SIM卡槽，方便SIM卡插入，且SIM加入ESD保護(hù)，防止插卡過程因靜電造成設(shè)備損壞。BC28外部引腳如圖2所示。

2.4數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)需要采集的參數(shù)包含溫度、濕度、氣壓和PM值等環(huán)境信息，使用各類無線外接傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用OneNET平臺(tái)提供的“設(shè)備-數(shù)據(jù)流-數(shù)據(jù)點(diǎn)”模型，基于EDP協(xié)議完成定制業(yè)務(wù)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，OneNET應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示[10]。

本文終端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)上傳和接受指令反饋3個(gè)功能。采用STM32L4R5系列芯片做開發(fā)板，通過外接傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集上傳，BC28模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，相關(guān)設(shè)備開關(guān)通過繼電器實(shí)現(xiàn)控制，STM32開發(fā)板外接蜂鳴器、LED燈和無線模塊等，所以主程序需要完成系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)初始化和相關(guān)指令，循環(huán)上傳環(huán)境數(shù)據(jù)，終端設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1古鎮(zhèn)管理系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)采用移動(dòng)OneNET云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、命令下達(dá)等。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的終端設(shè)備接入前，需要在OneNET平臺(tái)（https：//open.iot. 10086.cn/）注冊(cè)賬號(hào)，成功注冊(cè)后，終端節(jié)點(diǎn)通過三元組進(jìn)行設(shè)備綁定[11]、身份密匙認(rèn)證從而獲取設(shè)備證書，在平臺(tái)完成設(shè)備的添加和數(shù)據(jù)上傳發(fā)布，OneNET云平臺(tái)設(shè)備接入基本流程如圖5所示。

平臺(tái)設(shè)計(jì)是基于OneNET云平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)提供存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上報(bào)點(diǎn)、API接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理以及數(shù)據(jù)推送等功能，搭配主流物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議并且兼容各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。注冊(cè)賬號(hào)后在平臺(tái)的控制端創(chuàng)建產(chǎn)品并選擇相應(yīng)協(xié)議[12]，創(chuàng)建好產(chǎn)品后添加設(shè)備，獲取相應(yīng)的API地址，該信息將作為設(shè)備的身份信息，在連接組件中用于設(shè)備的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)實(shí)體設(shè)備與云平臺(tái)之間的對(duì)應(yīng)連接，在設(shè)備成功連接后，進(jìn)行設(shè)備發(fā)布并公布到公開的網(wǎng)站中，最后對(duì)網(wǎng)頁框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)和采集時(shí)間[13]。

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選擇TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與OneNET來建立連接，通過構(gòu)建HTTP協(xié)議封裝實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)平臺(tái)提供的特定格式將數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)[14]，平臺(tái)上的數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)分析上傳的數(shù)據(jù)點(diǎn)，同時(shí)建立系統(tǒng)應(yīng)用，設(shè)備成功接入云平臺(tái)后，在開發(fā)者中心可以看到上傳的數(shù)據(jù)流，采用MQTT協(xié)議從OneNET平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，實(shí)施遠(yuǎn)程訪問控制[15]。用戶通過授權(quán)訪問進(jìn)入Web端管理系統(tǒng)界面，輸入用戶名、密碼，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖6所示。

上層的瀏覽器應(yīng)用程序用于滿足用戶對(duì)溫濕度、氣象和PM等環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)需要，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)終端上傳數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展現(xiàn)。服務(wù)器通過API接口向OneNET平臺(tái)拉取數(shù)據(jù)信息或推送控制信息，然后再實(shí)時(shí)展現(xiàn)在前端網(wǎng)頁上供用戶瀏覽、操作控制等。另外，在平臺(tái)側(cè)添加設(shè)備告警閾值規(guī)則，對(duì)超過規(guī)定值的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警引起管理員的注意。瀏覽主要運(yùn)用的技術(shù)包含HTML，CSS等[16]。應(yīng)用端的呈現(xiàn)主要是將OneNET平臺(tái)生成的應(yīng)用嵌入進(jìn)來，以表盤和柱狀圖的形式反應(yīng)數(shù)據(jù)的變化，還調(diào)用了實(shí)時(shí)天氣的控件，以便于用戶對(duì)各個(gè)環(huán)境參數(shù)有直觀的了解。

系統(tǒng)的邏輯控制主要是實(shí)現(xiàn)古鎮(zhèn)內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過通信模塊實(shí)現(xiàn)與OneNET平臺(tái)之間的信息交互，終端設(shè)備上電后，通過NB-IoT連接至OneNET平臺(tái)[17]，平臺(tái)接收消息后，與設(shè)備進(jìn)行消息交換，并上傳采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)指令操作，邏輯控制流程如圖7所示。

3.2系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)入網(wǎng)選用無線通信的方式，通信模塊選用移遠(yuǎn)BC28模組，該模塊是我國(guó)自產(chǎn)的一款NB-loT通信模塊，兼容GSM的M26模式，便于用戶升級(jí)。BC28通信模塊內(nèi)部含有射頻功能、基帶功能、電源管理以及外圍接口，并且支持多種協(xié)議棧，負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，通過CoAP報(bào)文協(xié)議格式發(fā)送。主控模塊選用STM32系列通過UART2接口互聯(lián)[18]，實(shí)現(xiàn)主控器與通信模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過AT指令實(shí)現(xiàn)對(duì)BC28的控制，AT指令如表1所示。

BC28通信模塊通過MQTT協(xié)議連接至云平臺(tái)，在平臺(tái)創(chuàng)建業(yè)務(wù)，發(fā)布消息并上傳，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的消息通信[19]，系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)應(yīng)創(chuàng)建完整的數(shù)據(jù)報(bào)文才可通過BC28進(jìn)行發(fā)送，消息發(fā)布流程如圖8所示。

4系統(tǒng)的測(cè)試與運(yùn)行

將系統(tǒng)中的各硬件模塊進(jìn)行功能集成，對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行安裝上電并進(jìn)行組網(wǎng)調(diào)試，然后通過PC終端登錄中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)。用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，終端設(shè)備通過綁定的手機(jī)號(hào)碼短信通知用戶設(shè)備告警狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了后續(xù)的用戶需求，以及場(chǎng)景的多樣化發(fā)展，在后續(xù)的研發(fā)上可以進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展。經(jīng)過一系列測(cè)試驗(yàn)證后，系統(tǒng)可以有效監(jiān)測(cè)各傳感器采集的環(huán)境信息，且實(shí)時(shí)穩(wěn)定地接收平臺(tái)的命令下達(dá)及轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)云端可以儲(chǔ)存部分設(shè)備歷史記錄供用戶進(jìn)行調(diào)閱，提供一定參考。

5結(jié)束語

本文圍繞古鎮(zhèn)環(huán)境治理以及安全管理設(shè)計(jì)了一款圍繞OneNET云平臺(tái)，以NB-IoT技術(shù)為核心的古鎮(zhèn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)古鎮(zhèn)的氣象、溫濕度、煙霧濃度以及人流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)以STM32L4R5為核心，利用BC28和OneNET云平臺(tái)設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了古鎮(zhèn)當(dāng)前的環(huán)境保護(hù)以及安全管理需求，不僅可以方便管理人員通過遠(yuǎn)程訪問控制的方式對(duì)古鎮(zhèn)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)管和安全管理，而且基于Web頁面的管理系統(tǒng)操作方便、使用簡(jiǎn)單，模塊化的開發(fā)和設(shè)計(jì)為后期的功能擴(kuò)展提供了方便，極大地提高了古鎮(zhèn)管理的及時(shí)性與安全性。

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