基于窄帶物聯網的城市環境監測系統設計

徐思燕

（四川工商學院 電子信息工程學院，四川 成都 611745）

0 引 言

隨著中國經濟迅速發展，中國環境問題越來越突出，導致環境污染的主要原因是大氣中含有的大量有害物質[1]。隨著生活水平的提高，人們已經意識到生活環境的重要性。因此，利用先進的技術手段加強對環境的監測，分析相關參數，治理和保護環境勢在必行。目前，通信技術發展迅猛，例如4G網絡、WiFi[2]、GPRS[3]、ZigBee、LoRa[4]、NB-IoT 等，其中NB-IoT相比其他技術具有功耗低、成本低、覆蓋廣和海量連接等特點[5]，將其融入環境監測能更好地解決布線、傳輸、監測等方面的問題。因此，本文設計了基于NB-IoT的環境監測系統。該系統以STM32F103RBT6單片機為微控制器，利用傳感器測量空氣中溫濕度、PM2.5和CO等參數，通過BC26模塊將采集到的數據上傳到云平臺，用戶可通過網頁實時查看環境監測數據。

1 系統結構

圖1所示為基于NB-IoT的環境監測系統結構，該系統由信息采集層、傳輸層和平臺層組成。信息采集層通過溫濕度傳感器、粉塵傳感器、CO傳感器對環境相關參數進行采集；傳輸層通過NB-IoT模塊將采集的環境數據傳輸到基站，再通過基站將數據傳輸到云平臺，傳輸層是信息采集層與平臺傳遞信息的橋梁；平臺層接收和顯示環境參數，可通過PC機進入相關網頁查看。

圖1 系統結構

2 硬件設計

硬件系統主要由控制器最小系統電路，溫濕度、PM2.5、CO數據采集電路，聲光報警電路，電源電路和NB-IoT模塊組成，其硬件系統架構如圖2所示。

圖2 硬件系統架構

2.1 最小系統設計

STM32最小系統由微控制器、復位電路、晶振和電源電路構成，如圖3所示。微控制器采用STM32F103RBT6，該芯片具備豐富的外設資源，擁有128 KB FLASH，20 KB SRAM，包含通用的USART、I2C、SPI、CAN、USB接口，工作電壓為2.0～3.6 V，工作溫度為-40～105 ℃，是一款高性能、低功耗的單片機。該硬件系統使用USB供電。USB供電電壓為5 V，而單片機工作電壓為3.3 V，因此需經過AMS1117-3.3降壓。

圖3 最小系統電路

2.2 溫濕度采集電路

市場上的溫濕度傳感器種類多樣，本系統選用DHT11。該傳感器是一款低功耗、含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[6]，包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可確保測量數據的可靠性和長期穩定性。該傳感器使用單總線通信方式，因此，與單片機通信只需添加4.7 kΩ上拉電阻即可。溫濕度采集電路如圖4所示。

圖4 溫濕度采集電路

2.3 PM2.5采集電路

目前市場上用于檢測空氣中PM2.5的傳感器主要分為紅外型和激光型，本系統選用一款光學灰塵監測傳感器GP2Y1014AU。該傳感器監測粒子最小直徑為0.8 μm，輸出的模擬電壓正比于所測粉塵濃度，其電路如圖5所示。

圖5 PM2.5采集電路

2.4 CO采集電路

本系統選擇MQ-9傳感器[7]（采用高低溫循環檢測方式低溫檢測CO）采集CO濃度，這款傳感器對CO檢測靈敏度較高，壽命長，成本低，驅動電路簡單。CO采集電路如圖6所示。

圖6 CO采集電路

2.5 報警電路

本系統硬件部分帶有聲光報警模塊，該模塊由三極管、蜂鳴器和發光二極管組成，當城市環境中的某些環境要素不符合城市環境標準時，系統發出聲光報警提醒該城市區域相關人員采取必要措施。聲光報警電路如圖7所示。

圖7 聲光報警電路

2.6 通信電路

NB-IoT通信的實現采用BC26模塊。BC26是一款高性能、低功耗、多頻段無線通信模塊，該模塊可提供豐富的外部接口和協議棧。BC26模塊自帶供電電源，與微控制器只需進行串口連接即可通信，其電路和實物如圖8所示。

圖8 BC26模塊通信電路和實物

3 軟件設計

環境監測系統軟件設計主要分為主程序和模塊程序的設計，其中主程序是對系統和各模塊初始化，然后對各環境數據進行采集并通過NB-IoT上傳到云平臺，當采集數據超過預設值時進行聲光報警，其主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程

3.1 溫濕度程序設計

DHT11與微控制器間的通信方式為單總線通信，控制器讀取該傳感器溫濕度數據的流程如圖10所示。DHT11傳輸的數據為5 B，其中溫濕度整數和小數各占2 B，校驗位占1 B，數據從高位開始發送給主機。

圖10 讀取溫濕度程序流程

3.2 模數轉換程序設計

紅外粉塵傳感器和CO傳感器采集的數據為模擬信號，需將模擬信號經過A/D轉換為數字信號，經控制器處理后上傳云平臺。STM32內部資源帶有A/D轉換器，轉換流程如圖11所示。

圖11 模數轉換流程

3.3 BC26模塊程序設計

BC26模塊采用MQTT協議將環境數據上傳至阿里云物聯網平臺，其中設備注冊、指令下發和數據上傳均通過串口發送AT指令控制，具體流程如圖12所示。

圖12 BC26模塊工作流程

3.4 阿里云平臺搭建

環境監測數據平臺使用阿里云物聯網平臺，該平臺支持多網絡、多協議、多地域設備快速接入，設備管理，監控運營和安全傳輸。每個用戶可通過支付寶或自行注冊帳號登錄阿里云平臺，然后進入管理控制臺，建立產品與設備間的連接。

4 系統測試

4.1 硬件測試

系統上電后，若控制器運行指示燈、NB-IoT模塊指示燈和環境傳感器指示燈均亮，表明系統正常工作且系統初始化成功，效果如圖13所示。

圖13 硬件系統測試效果

4.2 數據測試

系統正常運行時，按照系統要求下載程序，系統每隔一段時間向云平臺發送一組環境參數數據，可通過串口助手查看系統數據發送成功后返回信息的情況，也可查看云平臺環境參數是否更新，如圖14所示。

圖14 系統數據包發送情況

通過PC進入云平臺界面，可查看環境參數，如溫濕度、PM2.5和CO等，如圖15所示。通過數據傳輸測試中串口數據與云平臺接收數據的對比，可知系統通信正常。

圖15 云平臺界面

5 結 語

針對目前環境污染問題，本文實現了基于NB-IoT技術的環境監測系統。系統可提供環境溫濕度、PM2.5、CO等信息的實時監測和查看功能，當測量數據超過預設值時發出聲光報警。該系統與傳統方案相比部署更方便，成本更低廉，采用無線通信方式監測范圍更大，可視化界面更直觀。