基于NB-IOT的“易生”精靈監測系統

劉仕鵬 劉鑫 居東方 陽文杰 詹少杰 潘俊虹

摘要：基于微信小程序設計了一套以KL36開發板為終端的“易生”精靈監測系統。該系統通過在KL36開發板上接人相應傳感器，實現對環境物理量的監測;將檢測的環境數據通過NB-IOT技術遠距離傳送至云端，用戶可以通過手機端的微信小程序對監測對象進行實時數據查看和歷史數據查看;實現了為用戶提供輕便、高效的智能監測系統的設計目的。實驗結果表明，該系統具有較高的精度和實時性;結合NB-IOT技術低功耗和廣連接性的特點，對多用途智能養殖監測具有重要意義。

關鍵詞：NB-IOT;KL36;智能監測;微信小程序

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）15-0121-03

隨著社會的進步，人民生活水平的提升;越來越多的人熱愛于室內綠植、水生動植物的養殖，并形成了不小的風潮以及龐大的市場規模。但是，由于養殖人員的水平以及環境條件的限制造成低存活度的問題;因而誕生了一大批智能花盆、智能魚缸等設備，但大多價格高昂、功能單一且復用度不高，市場亟需一種造價低、用途廣、易于使用的智能設備。這就是“易生”精靈的研發初衷。本文設計了以KL36開發板為終端，連接傳感器采集環境物理量;并選取了網絡結構簡單，部署維護難度低的NB-IOT用于數據傳輸;相比較于傳統的網絡，NB-IOT更適用于小規模的智能監測，而無須搭建私有網絡，使用云服務器接受并存儲上行的數據和下行的命令;并開發微信小程序平臺供用戶查看觀測對象的實時數據與歷史數據。電力上使用了移動電源為終端供電，保證其輕便性與多用性。

1系統分析

1.1系統的主要功能

1）對“易生”精靈監測的各類物理量進行采集：包括有光照強度、土壤（空氣）溫濕度、土壤（水體）pH值、二氧化碳濃度、氧溶解度等環境信息。

2）采用NB-IOT技術將得到的數據上傳至云端：NB-IoT技術有大連接、廣覆蓋、深穿透、低成本、低功耗等五個基本特點。相對于其他LPWAN技術如GPRS、LoRa和SigFox來說，NB-IoT在LPWAN領域具有更好的表現。例如，相較于與其他三種技術，NB-IoT具有高數據傳輸率，覆蓋面積大，終端連接數多等方面的優勢;此外，對于低成本、低功耗方面的要求和信號穿透力上的表現，NB-IOT的性能介于GPRS、LoRa和SigFox之間。另外，NB-IoT是有通信運營商支撐的運營網絡，終端UE數據通過運營商的基站直接送達以太網，終端UE用戶只需要向通信運營商繳納較低額流量費。在綜合考量之下，NB-10T技術是不二之選。

3）使用微信小程序接收云端數據并與用戶交互：通過微信Web開發工具進行開發的微信小程序能同時在各種移動終端上使用，掃描二維碼即可快速使用而不需要下載安裝其他軟件;并且通過公眾號關聯可實現公眾號與小程序之間相互跳轉，功能豐富，用戶體驗出色。

1.2系統的架構

環境信息采集：采用恩智浦KL36芯片作為NB-IOT終端，將在終端上實現對土壤溫濕度、二氧化碳濃度、pH值、光照強度、氧溶解度等物理參數的監控。

數據傳輸：使用NB-IOT模組將數據傳輸至云端，云端將數據與分析數據之后的結果上報至用戶終端，等待并得到命令后回傳給監測系統。

云端與用戶終端：使用云服務器處理、傳輸數據;開發微信小程序接受且可視化云端數據并進行人機互動。

具體系統設計如圖1。

2系統設計

2.1環境數據監測子系統設計

硬件終端使用恩智浦KL36主控芯片作為NB-IOT終端，插帶一系列的傳感器，例如有溫濕度傳感器、光敏電阻、pH值傳感器、二氧化碳濃度傳感器、氧溶解度傳感器等。NB-IOT終端將傳感器獲得的數據按數據幀格式進行編碼，通過MCU串口以AT命令的形式，發送已編碼數據到NB-IOT模組;NB-IoT模組創建和基站之間的傳輸信道后上行發送數據，然后等待并響應云端命令。

2.2 NB-IOT通信架構

以KL36微控制器為核心的NB-IoT終端（uE）收集儲存各個傳感器采集的數據，借助通信模組將MCU的板內連接轉為NB-IoT通信，以便借助NB-IoT基站（eNodeB）與NB-IoT云服務器通信;NB-IoT終端內含“用戶識別卡”，即SIM卡;其含有唯一的國際移動用戶識別碼IMSI，也就是卡號。NB-IoT終端用戶可以通過這個號給信息郵局MPO運營商或者NB-IoT服務機構交費。

具體應用框架如圖2所示。

2.3云端服務器的構建及功能

在NB-IoT終端通信編程中，需要提供一個固定IP地址和端口號，以供終端UE與信息郵局MPO服務器建立連接并進行數據交互。許多大型互聯網公司都會提供服務器租賃服務，購買后即可獲有固定lP地址的服務器。當NB-IoT終端（uE）成功與信息郵局MPO（NB-IoT信息郵局是一種基于NB-IoT協議的信息傳送系統。由NB-IoT基站eNodeB與NB-IoT云服務器組成。在NB-IoT終端（uE）與NB-IoT人機交互系統（HCI）之間起信息傳送的橋梁作用。）建立連接時，需要基站向連接的終端（uE）分配一個臨時的IP地址以供NB-IoT終端（uE）與信息郵局MPO進行數據交互。

偵聽程序（uS-Monitor）。用戶偵聽程序可運行于任意一臺連接了網絡的電腦Jk;US-Monitor處理的數據通過云端轉發軟件CSFS轉發，因而監聽程序US-Monitor的運行須要云端轉發軟件CSFS的運行;其工程框架中有四個文件夾，分別為工程說明文件夾、工程類文件夾、工程窗體文件夾、工程資源文件夾。

具體工程框架及說明如表l。

數據庫的搭建。NB-IoT終端上行的數據需要存放在數據庫中以便觀察、使用與保留，在本次項目工作中我們使用了較為普遍的Microsoft SQL Server數據庫。該數據庫中主要包含三張表，分別是：設備信息表（存儲終端設備的配置信息，一個設備對應一條記錄，只保存最新信息，不保存更改記錄）、上行數據表、下行數據表。

2.4微信小程序設計

1）開發環境搭建：先申請一個屬于自己的微信小程序賬號，需要進人微信公眾平臺獲得開發許可AppID;配置開發服務器信息可在“測試號管理”頁面的“可信域名”欄目中找到并點擊“開始配置”按鈕，此時可以對四類可信域名進行配置：requset合法域名、downloadFile合法域名、uploadFIle合法域名和socket合法域名。配置完成后可打開網頁https：//mp.weixin.qq.com/debug/wxadoc/dev/devtools/download.html下載微信開發者工具，運行工具后導人工程即可開始界面設計及功能完善等。

2）功能分析：為了方便用戶能隨時隨地查看接收到的數據，微信小程序主要分為三個界面，即實時數據，實時曲線，歷史數據。實時數據界面能夠實時顯示終端發送上來的數據，實時曲線則是根據數據幀傳人的物理量進行曲線的繪制，歷史數據界面則展示歷史數據內容。這些功能主要是通過與偵聽程序進行交互實現的。

3）界面設計：智能監測客戶端包括了基礎界面、首頁、數據查看界面以及工程資源界面，實現了實時數據的可視化顯示、繪畫實時數據的曲線圖、查看歷史數據及工程資源版本說明等信息。設計之初本著界面簡易、友好的原則，盡量方便用戶與系統的人機交互并提升用戶的使用體驗。

具體微信小程序界面如圖3。

4）數據傳輸流程：WebSocket服務是網頁程序、安卓App、微信小程序等獲得數據和服務的接口，是基于TCP的一種新的網絡協議;它實現了瀏覽器與服務器全雙工通信。在微信小程序與云服務器建立通信時，先進入實時數據界面，建立web-socket連接，順利建立連接后請求一幀歷史數據用于創建頁面文本框。下一步準備接收數據;實時偵聽是否有新的數據傳送，當終端發送一幀數據時，云偵聽程序接收到一幀數據后將數據寫入數據庫中，并將消息傳給微信小程序，確定為指定的imsi號數據后，向云偵聽程序請求完整數據。最終將數據回發;將在一定的時間內對數據進行修改，通過回發按鈕，將數據組幀后回發給云偵聽程序，云偵聽程序將數據寫入數據庫中，并發送給終端，完成數據下行過程。

3結束語

本文研究設計了基于NB-IOT網絡傳輸技術的智能監測系統，旨在為動植物養殖者提供一款輕便多用、實惠耐用的智能監測設施。目前國內外研究和市場上的智能養殖監測只是作為智能養殖系統的組成部分而已，例如智能花盆、智能魚缸等;“易生”精靈的研究則解決了在不同環境下監測相關物理量并實時反饋給客戶端的問題，真正實現了使智能養殖監測獨立運行并廣泛適用。設計采用了NB-IOT技術傳輸數據，具有無需布線、高效快速且降低功耗的優勢;采用了方便簡潔的微信小程序可視化云端數據，隨時供用戶查看。實驗結果表示，“易生”精靈準確高效，具有良好的應用前景;并且可以在原有的基礎之上，在終端添加一些機械組件，實現用戶的操作命令。