羅天舒 李源潮

（1.常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 江蘇省常州市 213001）

（2.蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 江蘇省蘇州市 215009）

1 引言

在生產(chǎn)和生活中，溫度對人們的影響很大，也是工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中非常重要的一個基本工藝參數(shù)。溫度監(jiān)測是常見的需求。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，在萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的浪潮中，NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，具備低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優(yōu)勢，只需要消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級。借助其多種優(yōu)勢可以廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，在家居安防、衛(wèi)生醫(yī)療、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通管理、環(huán)境監(jiān)測、智能監(jiān)控等領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)均可得到了廣泛應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于NB-IoT的溫度監(jiān)測系統(tǒng)由終端設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)云平臺組成，終端設(shè)備分為主控制器模塊、溫度采集模塊和NBIoT通信模塊三個部分，終端設(shè)備將溫度信息處理，使用NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)通過LWM2M協(xié)議傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。搭配本系統(tǒng)使用的物聯(lián)網(wǎng)云平臺為中國電信CTWing云平臺，借助中國電信CTWing云平臺的能力實(shí)現(xiàn)對溫度信息采集的控制，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸，并通過平臺創(chuàng)建手機(jī)應(yīng)用程序，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時的溫度監(jiān)測功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片

本系統(tǒng)使用賽元SC95F8617單片機(jī)作為主控芯片，具有超高速1T8051 CPU內(nèi)核，運(yùn)行頻率高達(dá)32MHz，集成有超級豐富的硬件資源，具有非常優(yōu)異的抗干擾性能、高可靠性、大資源、多接口、低功耗、高效率等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于智能家電、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 、醫(yī)療、可穿戴設(shè)備、消費(fèi)品等應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2 溫度采集模塊

本系統(tǒng)使用NTC熱敏電阻作為測溫組件，NTC熱敏電阻器是一種以過渡金屬氧化物為主要原材料，采用電子陶瓷工藝制成的熱敏陶瓷組件。其電阻值隨溫度的升高而降低，根據(jù)這個特性可用來作為測溫組件。將NTC熱敏電阻串聯(lián)在電路中，使用ADC采集其兩端電壓值，并根據(jù)其轉(zhuǎn)化關(guān)系表得到最終溫度值。因其體積小，不帶引線，響應(yīng)速度快，裝入電子設(shè)備中所占空間小。本系統(tǒng)使用NTC熱敏電阻測溫范圍-15~84℃，溫度采集電路如圖2。

圖2：溫度采集電路

3.3 NB-IoT通信模塊

本系統(tǒng)選用的NB-IoT通信模塊是上海移遠(yuǎn)公司的基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺的BC26，它可同時支持全球頻段，支持2.1V~3.63V的低供電電壓，BC26模塊使用LCC貼片封裝，并具超小尺寸，其小尺寸可以很好的封裝或安裝連接到其他終端設(shè)備上。BC26有豐富可靠的外部接口，可以與其他設(shè)備使用串口連接，還有支持多種協(xié)議TCP/MQTT/LwM2M等，BC26具有廣連接性，支持多家物聯(lián)網(wǎng)平臺的接入，支持中國移動、中國電信、華為、阿里等的物聯(lián)網(wǎng)平臺，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中很受歡迎。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)對軟件復(fù)位，完成系統(tǒng)和各模塊的初始化，協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，通過采集程序設(shè)定好溫度傳感器采集數(shù)據(jù)的周期和頻率，采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊上傳到云平臺。最后根據(jù)其設(shè)定的基礎(chǔ)溫度對比當(dāng)前溫度，判斷當(dāng)前溫度是否超過設(shè)定溫度，如果超過則進(jìn)行聲光警示。程序流程如圖3所示。

圖3：主程序流程圖

4.2 溫度采集模塊程序設(shè)計(jì)

NTC熱敏電阻與主控芯片ADC引腳相接，在使用ADC進(jìn)行采樣時，當(dāng)NTC熱敏電阻的阻值隨溫度改變時，ADC所采集的數(shù)據(jù)亦隨之改變，由熱敏電阻的溫度特性可通過當(dāng)前ADC采集的數(shù)值求得當(dāng)前的溫度值。首先需要將ADC進(jìn)行初始化，接著多次進(jìn)行ADC采樣，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化去掉最大最小值取其平均數(shù)，最后讀取最終結(jié)果。

ADC轉(zhuǎn)化完成需要等待中斷標(biāo)志位為1，手動清除標(biāo)志位，先高位后低位的從ADCVH、ADCVL獲得12位數(shù)據(jù)，一次轉(zhuǎn)換完成。重復(fù)10次，去掉最大值和最小值取平均值。

SC95F8617有12位高精度的ADC，12位無符號數(shù)取值范圍0~4095，而ADC引腳采集NTC與電阻R8之間電壓，在程序中定義ADCValueToTemp數(shù)組，通過該數(shù)組將ADC值轉(zhuǎn)化為溫度值。ADCValueToTemp數(shù)組用表1表示。

表1：ADCValueToTemp表（-15~84℃）

4.3 NB-IoT模塊程序設(shè)計(jì)

BC26使用LWM2M協(xié)議接入電信物聯(lián)網(wǎng)平臺。LWM2M協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖4所示，是OMA定義的一種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，主要用于資源有限的窄帶物聯(lián)網(wǎng)終端。LwM2M將設(shè)備上的服務(wù)抽象為對象和資源，并在XML文件中定義各種對象的屬性和功能。CoAP是IETF定義的Constrained Application Protocol，用來做LwM2M的傳輸層，下層可以是UDP或者SMS，UDP是必須支持的，SMS可選。DTLS用來保證客戶端和服務(wù)器間的安全性。

圖4：LwM2M協(xié)議棧

終端設(shè)備要與電信云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，首先要完成NB-IoT模塊的初始化，并插入AT指令封裝，通過調(diào)用AT指令，檢查BC26的狀態(tài)（卡號、激活網(wǎng)絡(luò)、獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等）。接著對BC26進(jìn)行平臺注冊，讓終端設(shè)備在平臺注冊才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。平臺注冊同樣是插入AT指令封裝，通過調(diào)用AT指令，讓BC26在電信云物聯(lián)網(wǎng)平臺注冊。主要獲取BC26的IMEI號，填入IMEI號，因?yàn)長WM2M協(xié)議要求填入IMEI信息，開啟連接，設(shè)置上下數(shù)據(jù)格式。在程序工作中BC26要在每段時間內(nèi)將溫度信息上傳，發(fā)送到云平臺。BC26在接收指令并執(zhí)行相關(guān)操作后，會通過串口返回反饋?zhàn)址?，方便查看BC26執(zhí)行指令情況。主要使用的AT指令如表2所示。

表2：AT指令

4.4 電信物聯(lián)網(wǎng)平臺

中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是中國電信傾力打造的，聚集了智能終端管理、應(yīng)用開發(fā)和運(yùn)行服務(wù)、在線應(yīng)用模板等服務(wù)提供。電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺降低了終端設(shè)備接入和應(yīng)用開發(fā)的門欄，提供了終端設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的管理，并且提供許多解決方案，為終端開發(fā)商、個人開發(fā)商等提供服務(wù)和技術(shù)支持。用戶在注冊并成功登錄平臺，進(jìn)入控制臺創(chuàng)建產(chǎn)品完成設(shè)備的接入，以及后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)?；谥袊娦盼锫?lián)網(wǎng)開放平臺的開發(fā)流程如圖5所示。

圖5：平臺開發(fā)流程

5 系統(tǒng)測試

硬件設(shè)備參數(shù)配置完成，并且將設(shè)備入網(wǎng)，登錄電信物聯(lián)網(wǎng)平臺查看設(shè)備狀態(tài)，查看設(shè)備是否在線，在電信物聯(lián)網(wǎng)平臺還可以查看設(shè)備的ID、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備認(rèn)證信息等。

終端設(shè)備成功入網(wǎng)，BC26模塊初始化成功接收AT指令，終端設(shè)備會按照事先設(shè)定好的指令工作，主控芯片會將ADC采集的溫度信息通過串口發(fā)送給NB通信模塊，然后將數(shù)據(jù)上傳到電信物聯(lián)網(wǎng)平臺。用戶登錄平臺進(jìn)入數(shù)據(jù)查看頁面，可以查看數(shù)據(jù)詳情。平臺數(shù)據(jù)查看頁面會顯示實(shí)時上報的溫度數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6：溫度數(shù)據(jù)

在終端設(shè)備一步一步測試完成之后，將進(jìn)行設(shè)備與手機(jī)應(yīng)用的聯(lián)合調(diào)試，手機(jī)應(yīng)用部署在AEP平臺中，可以方便調(diào)用平臺的能力。將設(shè)備重新連接，并重新檢查一下線路是否由松動，檢查完畢之后，打開手機(jī)應(yīng)用同時打開平臺提供的虛擬設(shè)備測試服務(wù)，對照試驗(yàn)，檢查終端和虛擬設(shè)備端上傳數(shù)據(jù)和接收指令是否不一致。調(diào)試結(jié)果如圖7所示。

圖7：聯(lián)合調(diào)試

6 總結(jié)

NB-IoT技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個重要分支，近幾年物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)主要研究方向和重點(diǎn)就是在這，憑借著其低功耗、低成本、廣覆蓋、多連接等優(yōu)點(diǎn)在各個領(lǐng)域脫穎而出。本系統(tǒng)將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于溫度監(jiān)測，使其具有實(shí)時監(jiān)測的能力，得益于與物聯(lián)網(wǎng)平臺連接，借助平臺能力開發(fā)手機(jī)應(yīng)用程序，方便人們使用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)成本低廉，系統(tǒng)運(yùn)行溫度可靠，后續(xù)可以通過軟硬件結(jié)合向其添加更多功能，實(shí)現(xiàn)更多的環(huán)境監(jiān)測。