基于NB-IoT和OneNet云平臺的環境監測系統

蔡友宏

摘要

STM32 MCU接收GY-BME2 8 0三合一傳感器測得的溫濕度、氣壓參數和MAX44009光照強度傳感器測得的光照強度參數，通過WH-NB7 3 NB-IoT模塊上傳至OneNet云平臺，PC端通過瀏覽器或移動端通過APP可實時查看環境參數，以圖形的方式直觀的顯示。

【關鍵詞】NB-IoT OneNet 環境監測 STM32

NB-IoT是窄帶物聯網（Narrow BandIntemet of Things）的簡寫，是基于蜂窩移動通信網絡的一種物聯網技術，目前中國的三大運營商都己展開了商用。NB-IoT相比于傳統的移動通信網絡，具有覆蓋廣、海量連接、功耗低等多個優點;相比于藍牙、ZigBee、WiFi等短距離無線通信技術，具有傳輸距離長、功耗更低、能直接連接運營商網絡等優點。隨著NB-IoT商用部署的不斷推進和相應通訊模塊價格的不斷降低，基于NB-IoT的物聯網應用將廣泛應用于人們的生產生活當中。

OneNet是中國移動物聯網有限公司面向公共服務推出的開放云平臺，能助力各類終端設備方便、快捷的接入互聯網。為各種跨平臺物聯網應用、行業解決方案提供簡便的海量連接、云端存儲、消息分發和大數據分析等優質服務。

本設計利用NB-IoT和OneNet，選用合適的傳感器、MCU和通訊模塊，設計了一環境監測系統，僅需使用2節AA或AAA電池供電，可適用于各種室內外環境，特別是農田、牧場、林地等野外需要遠距離無人監測的場合，也可以作為便攜式移動氣象監測站使用。

1系統設計

本系統選擇溫度、濕度、氣壓參數三合一傳感器、光照強度傳感器通過I2C通信接口上傳環境參數至STM32 MCU，MCU通過NB-IoT通訊模塊將參數上傳至OneNet云平臺，通過PC端瀏覽器、移動端APP查看參數。圖1為系統總體圖。

2硬件設計

2.1 GY-BME280三合一傳感器電路

GY-BME28是一款溫度、濕度、氣壓參數三合一傳感器，具有8個引腳，可以通過I2C或SPI通信模式與MCU進行數據通信。本設計采用I2C通信模式，GY-BME280傳感器與STM32MCU相連，電路圖如圖2所示。其中VDD是傳感器內部模擬電路電源端;VIO傳感器內部數字電路電源端;SCL、SDA分別是12C通信模式時鐘信號、數據信號;SDO是傳感器地址控制位，接GND時I2C中器件地址為11101100，接高電平為11101101，本設計該引腳接低電平。CSB是SPI通信模式下用到的引腳，本設計未使用，故懸空。

2.2 MAX44009光照強度傳感器電路

MAX44009光照強度傳感器具有6個引腳，工作在1.7V至3.6V供電電壓范圍，器件工作電流小于1uA，且提供I2C數字輸出，非常適合于NB-IoT應用場景。圖3是MAX44009與STM32MCU通過I2C總線連接的電路圖。其中AO為地址選擇端，高電平時選擇地址lOOlOllx，低電平時選擇地址lOOlOlOx，本設計該引腳接地即低電平;INT為中斷輸出，由于本設計采用STM32 MCU周期性讀取數據的方式，故沒有使用該引腳。

2.3 WH-NB7 3-B8通訊模塊電路

本設計采用WH-NB73-B8是一款透傳版NB-IoT通訊模塊，適用于中國電信、中國移動、中國聯通三家運營商的NB-IoT網絡，支持3GPP標準指令、UDP指令傳輸、CoAP指令傳輸、云服務、UDP透傳、CoAP透傳、心跳包、DTLS加密等。該模塊內置了天線和SIM卡，可通過USART串口與STM32 MCU相連，進行數據傳輸。

2.4 STM32主控電路

本設計采用STM32最小系統板，主芯片采用STM32L151C8，該MCU是ST公司出品的高性能低功耗系列MCU之一，供電電壓范圍1.65V-3.6V，采用超低漏電工藝技術，使得MCU的運行速度和功耗與其供電無關;具有48個引腳、128kB程序Flash、lOkBRAM、8個16位定時器、2路USART、2路SPI、2路I2C和1路USB通信接口;內置16MHz和38kHzRC振蕩器，使得電路無需外部晶振也能正常運行。該系列MCU可長時間運行在低功耗狀態，具有周期性喚醒功能，快速喚醒時間低至4us，非常適合電池供電，且數據量較小、數據傳輸間隔周期較大，需要長時間（以年計）不更換電池的應用場合，例如本設計的環境監測系統。

為了盡可能降低功耗，本設計未使用外部晶振，而使用內部16MHz的MSI RC振蕩器作為系統主時鐘源，經160分頻成lOOkHz供I2C外設使用，I2C采用低速率，可以穩定傳輸且降低功耗。MCU長時間處于停止狀態，內部除RTC實時時鐘（采用內部LSI 40kHzRC振蕩器，低于luF電流）外，其余定時器全部停止計數，RTC實時時鐘每隔30秒喚醒MCU，內部16MHz RC振蕩器開始工作，主控程序正常運行，讀取傳感器參數，并上傳至OneNet云平臺。

為了進一步降低功耗，最小系統板上電后，IO端口全部初始化為無上拉的模擬輸入模式，以降低漏電電流;USART的Rxd引腳設置成模擬輸入模式，Txd引腳設置成開漏無上下拉輸出模式;關閉中斷源;MCU停止前關閉USART、I2C等所有外設，然后進入停止狀態;當RTC時鐘周期性喚醒MCU后重新初始化之前配置的10和外設設置。

圖5是STM32主控電路圖，采用最小系統板，其中VBAT為系統電源，使用2節AA或AAA電池供電;BOOTO和BOOT1引腳都接地，系統上電后默認從用戶Flash啟動。STM32L151C8通過I2C接口連接GY-BME280溫濕度傳感器、MAX44009光照強度傳感器;通過USART串口連接WH-NB73-B8 NB-IoT模塊。

3軟件設計

3.1 0neNet接入流程

本設計采用中國移動物聯網有限公司的OneNer方案，OneNet接入流程如圖6所示。其中賬號注冊、創建產品、添加設備3個步驟需要用戶在https：//open.iot.10086.cn/頁面上進行操作，過程比較簡單。賬號注冊時填寫用戶的個人信息;創建產品時，產品信息的聯網方式須選擇“NB-IoT”，協議須選擇“LWM2M”;添加設備時填寫“環境監測系統”，并添加WH-NB73-B8模塊上的IMEI和IMSI號碼;STM32主控程序完成接入流程中的上報數據步驟，將傳感器參數上傳至OneNet云平臺;通過瀏覽器或中國移動的“和物”APP可以查看展示數據。

3.2上報數據

STM32主控程序完成接入流程中的上報數據步驟，其流程如圖7所示。

4測試

完成上述開發后，編寫相應程序，下載至STM32最小系統板，運行后成功將傳感器測得的環境參數數據上傳至OneNet云平臺;通過瀏覽器或中國移動的“和物”APP可以查看展示數據，如圖8所示。

參考文獻

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