基于NB-IoT的智能控制器設計

吳旦鈞 孟莉莉

摘要：為了實現分布式污水處理設備的聯網管理，本文設計開發了基于NB-IoT的物聯網智能控制器。該控制器適用于分布式污水處理設備的運行控制，物聯網平臺的接入，可便捷實現分布式污水處理設備信息系統的構建，對提升生活污水的運維工作有著十分積極的意義。

關鍵詞：NB-IoT;STM32;智能控制器;物聯網

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A??文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

0引言

NB-IoT（Narrow Band Internet of Thing）窄帶寬物聯網是基于3GPP（3rd Generation Partnership Project）規范的網絡通信技術，相比傳統的移動網絡（2G/3G/4G），具有覆蓋面廣、海量連接、低功耗、安全性高等多種優點，在智能水表、智能路燈和智能煙感等分布式監控行業已經有成功應用的經驗，非常適用于分布式的污水處理設備的聯網管理。

本文設計的基于NB-IoT技術智能控制器，采用國內運營商商業化的物聯網平臺，以STM32 ARM控制器為內核，實現污水處理設備的運行控制、傳感器數據和設備運行狀態數據的采集，并通過應用程序調用物聯網平臺的數據，實現污水處理終端的聯網管理。

1系統整體架構組成

基于NB-IoT的智能控制器系統主要包括底層設備層，平臺層和應用層。其中底層設備層主要包括智能控制器和與其相連接的設備、傳感器;平臺層主要包括可供設備的接入的NB-IoT基站和物聯網平臺;應用層主要包括在電腦終端或者手機終端運行的應用程序。基于NB-IoT的智能控制器系統網絡架構如圖1所示。

智能控制器控制水處理設備的運行，并采集傳感器和設備的狀態，通過NB-IoT的基站上傳到物聯網平臺層;物聯網平臺通過訂閱的方式將數據提供給用戶，用戶可以通過電腦端或者手機端的應用程序進行數據的監控。同時平臺也可以進行控制指令的下發， 實現應用程序對設備的遠程控制。

2智能控制器硬件設計

2.1 智能控制器硬件功能設計

智能控制器由電源模塊、控制器、傳感器接口、NB-IoT模組、設備驅動模塊組成。控制器設計框圖如圖2所示。

系統電源采用三級設計，由家用220V電源供電。初級電源采用AC-DC模塊LDB2405將220V交流電源轉換為24V直流電源，且該模塊具有較好的EMC性能，可以實現EMC EN55032 CLASS B標準。后級通過78L05和LM1117-3.3分別實現24V轉5V、5V轉3.3V，為控制器各功能模塊工作提供電源。

2.2 主控制器電路設計

主控制器采用意法半導體公司STM32F1系列單片機，處理器基于ARM COTEX-M3的處理器，工作電壓3.3V，工作主頻可達到72MHz，同時具有串口、ADC、GPIO等豐富的外設，工作性能穩定。主控制器原理圖如圖3所示。

2.3 NB-IoT接入網絡設計

NB-IoT接入網絡設計包括NB-IoT模塊、USIM卡和天線組成。系統采用利爾達NB-IoT模塊NB86-G設計，采用3.3V供電，支持3GPP標準，支持多頻段IoT接入，內嵌CoAP、UDP和IP等網絡協議。NB-IoT模塊NB86-G和主控制器MCU通過USART接口連接，并要求配有USIM卡和射頻天線。NB-IoT網絡接入電路如圖4所示。

2.4設備接入電路設計

設備接入電路設計主要包括固態繼電器、隔離光耦兩個部件。主控器MCU的IO控制信號通過光耦TLP521-1進行隔離，并驅動固態繼電器HF32FA-G工作開啟設備，單路設備驅動能力可以達到2A。

2.5 采樣接口電路設計

采樣電路包括液位開關量信號的采樣和流量計模擬量信號采樣。其中液位開關量信號采用TLP521光耦隔離器隔離后連接至MCU的數字輸入接口采樣;流量計模擬量信號則通過分壓采樣電阻連接到MCU的ADC端口進行采樣，采樣電阻精度必須到達千分之一。

3系統軟件設計

智能控制器通過MCU實現全局的控制。控制器通過定期采集傳感器數據實現設備的自動化控制，并定期上傳數據到物聯網平臺。控制器工作流程如圖5所示。

智能控制器上電后進行外設的初始化和NB-IoT模塊的初始化，控制器循環周期采集一次傳感器數據，通過數據分析計算來進行處理設備的控制，其中水泵的開啟根據進水水位高低進行判斷，并要求當日進水流量小于污水處理設備的設計處理能力;風機和加藥裝置采用時段工作，滿足工藝運行的要求。系統每15分鐘向平臺傳送一次控制器的狀態和傳感器數據，其中NB-IoT模塊工作于eDRX工作模式，可以用較少的心跳幀來實現設備長時間在線，單次心跳可實現24小時在線。

4 平臺應用的開發

平臺采用MVC（Model View Controller）思想設計，用戶通過權鑒登陸平臺應用和物聯網平臺進行通信。系統可以實現控制器數據的查詢、設備的控制和設備控制命令的下發。應用程序主控界面如圖6所示。

將智能控制器接入流量計和污水處理的各類設備，連接到物聯網平臺，通過7天時間的平臺觀察和操作實驗。發現控制器控制功能完善、監測數據準確，運行穩定，滿足分布式污水處理監控的要求。

5結語

本文設計的智能控制器設計合理，采用合適的物聯網通信技術，非常貼合分布式污水處理使用，已經在浙江等地進行了項目應用。

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收稿日期：2019-06-28

作者簡介：吳旦鈞（1984—），男，浙江嘉興人，本科，中級工程師，研究方向：物聯網應用。

：鐵道運輸。