基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的廣播電視臺站安防系統(tǒng)門磁設(shè)計

□ 鄧廣球 趙小寒

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為掌握無人值守臺站和重要播出臺站安防情況提供了新的思路。物聯(lián)網(wǎng)應用需要考慮的因素有很多，例如節(jié)點成本、網(wǎng)絡(luò)成本、電池壽命、數(shù)據(jù)傳輸速率(吞吐率)、延遲、移動性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以及部署類型等。NB-IoT和LoRa兩種技術(shù)具有不同的技術(shù)和商業(yè)特性，所以在應用場景方面會有不同。NB-IoT可以直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)，在同樣的頻段下，是一種基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)的新興技術(shù)，也被稱為“低功耗廣域網(wǎng)”，相對LoRa采用的是網(wǎng)關(guān)通信，NB-IoT無須另配網(wǎng)關(guān)，即可實現(xiàn)手機APP端、PC端的管理。從通信費用考慮，LoRa通信無需付費，但是前期部署網(wǎng)關(guān)需要費用，適用在節(jié)點密集型地區(qū)使用。NB-IoT在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)下，流量包年，以很低的費用可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，非常適合在數(shù)據(jù)量比較少的零星節(jié)點使用。綜合考慮，本系統(tǒng)選擇采用NB-IoT實現(xiàn)低功耗門磁安防系統(tǒng)。

圖1是安防門磁監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在需要監(jiān)測的臺站門頭內(nèi)側(cè)或者外側(cè)安置NB-IoT門磁，臺站門磁通信或狀態(tài)數(shù)據(jù)通過NB-IoT基站上傳至門磁服務(wù)器，值班人員或者管理人員可以通過各種終端接入服務(wù)器進行數(shù)據(jù)查詢。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了傳輸距離遠、覆蓋范圍廣、功耗低以及能夠?qū)崟r獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的設(shè)計目標。

圖1 安防門磁監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文將從硬件設(shè)計以及服務(wù)端程序開發(fā)等幾部分來介紹。

二、基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)門磁硬件設(shè)計

本設(shè)計采用低功耗系列芯片STM32L031F6P6作為控制芯片，LPM2100作為通信芯片。STM32L031F6P6非常適合電池供電或者供電來自能量收集的低功耗應用場景；LPM2100模塊是上海域格公司開發(fā)的一款多頻段NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)無線通信模塊，具有低功耗、高性能、低成本的優(yōu)勢。

本設(shè)計采用3.3V電池供電。LPM2100與STM32L031 F6P6采用TTL電平的串口連接，不通信時STM32L031F6P 6進入STOP模式。當STM32L031F6P6被定時器或者外部串口或者外部中斷喚醒時，它根據(jù)設(shè)定時間間隔，依次讀取干簧管和防拆開關(guān)狀態(tài)。STM32L031F6P6控制LPM2100連接服務(wù)器并發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。當門磁模塊在睡眠狀態(tài)時，干簧管或者防拆開關(guān)中有一個狀態(tài)被改變，則通過中斷喚醒單片機控制LPM2100連接服務(wù)器并發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

門磁模塊電路框圖見圖2。

圖2 NB-IoT門磁模塊電路框圖

三、單片機低功耗程序設(shè)計

圖3是門磁模塊程序流程圖，程序設(shè)計采用的是KEIL C軟件。系統(tǒng)經(jīng)過RTC和定時器初始化后進入主循環(huán)。如果沒有到定時器喚醒喂狗的時間間隔，單片機進入低功耗模式，低功耗模式設(shè)置為RTC、串口和外部中斷3種喚醒模式，RTC喚醒時間間隔為25秒，系統(tǒng)喚醒后重新進行時鐘設(shè)置和喂狗，防止程序因為看門狗（IWDG）長時間沒喂而復位。

單片機低功耗的軟件設(shè)置方法為：在進入STOP模式前對外設(shè)進行設(shè)置，未用引腳要設(shè)置成模擬輸入狀態(tài)，但用于中斷喚醒的引腳不能設(shè)置為模擬輸入狀態(tài)，串口輸入引腳需要設(shè)置為輸入狀態(tài)，并且開啟對應的中斷。退出STOP模式后要恢復時鐘、恢復各外設(shè)狀態(tài)。外圍電路設(shè)計上也要綜合考慮才能使模塊功耗最低。

四、門磁端通信協(xié)議

LPM2100與單片機之間是通過串口收發(fā)AT指令進行數(shù)據(jù)通信，LPM2100與服務(wù)器之間通信協(xié)議是LwM2M，屬于應用層協(xié)議，通過UDP方式傳送，協(xié)議數(shù)據(jù)直接采用字符串的形式發(fā)出。LPM2100在通信之前先需要在服務(wù)器上注冊，這樣才能使服務(wù)器唯一識別設(shè)備。發(fā)送時 UDP流程為：（1）測試服務(wù)器是否聯(lián)通 ；（2） 創(chuàng) 建 UDP Socket連接；（3）發(fā)送UDP 數(shù)據(jù)；（4）關(guān)閉UDPSocket連接。

圖3 主控程序流程圖

五、服務(wù)器端開發(fā)

服務(wù)器端前端采用JAVA開發(fā)，采用B/S結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫存儲使用MySQL，通信方式使用的是Socket。

服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫主要包含門磁注冊數(shù)據(jù)表和門狀態(tài)數(shù)據(jù)表。門磁注冊數(shù)據(jù)庫表包含了MAC值、設(shè)備類型、設(shè)備屬性、創(chuàng)建時間等幾部分。門狀態(tài)數(shù)據(jù)表記錄設(shè)備編號、設(shè)備類型、門磁狀態(tài)、事件狀態(tài)、目前電壓值、創(chuàng)建時間等幾個字段。

六、項目測試和運行

項目歷時1年完成軟硬件的自主開發(fā)和測試，在欽州廣播電視發(fā)射臺半年的實地測試中，所有門磁電池供電正常，系統(tǒng)功耗低，待機電流僅8uA，軟硬件系統(tǒng)運行良好，達到了設(shè)計要求。本項目在廣播電視發(fā)射臺站復雜電磁環(huán)境中能正常工作，為廣播電視臺站安防監(jiān)控提供了一種新的思路和方案。