基于NB-IoT技術的智能安防監測系統

王賾坤，桂 玲

(武漢華夏理工學院，湖北 武漢 430223)

0 引 言

隨著大數據時代的到來，5G技術的普及，城市智能化也在慢慢興起，萬物連接成了必然的趨勢。移動蜂窩網絡具備廣覆蓋、可移動以及多連接數等特性，能夠帶來更加豐富的應用場景，成為物聯網的主要連接技術。2016年物聯網的應用主要使用WIFI和藍牙技術，數據準確率低、耗電量極大。而廣域物聯網可以用光纖，但只適用于連接攝像頭等寬帶終端；低容量傳感器雖然可以使用2G/3G/4G網絡，但難以滿足低功耗低成本的要求，因此2016年接入到運營商網絡的物聯網終端僅有6%。但如果利用運營商的網絡組織物聯網，就可以真正實現整個城市一張網，便于維護和管理，基于蜂窩的窄帶物聯網(narrow band internet of things，NB-IoT)由此應運而生。NB-IoT聚焦于低功耗，低成本，廣覆蓋，大連接的物聯網(IoT)市場，大連接的特點成為萬物相互連接網絡的重點，可應用于GSM網絡和LTE網絡，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。

近期國際電信聯盟做出重大決議，中國提交的NB-IoT技術正式成為5G標準，這意味著該技術未來有望成為各國5G低功耗廣域網場景應用的首選。目前中國已建立了70多萬個物聯網相關基站，到2020年底中國的移動物聯網設備連接數有望達到12億個，同時NB-IoT網絡也將實現縣級以上城市主城區的普遍覆蓋[1-6]。NB-IoT主要面向低端物聯網終端的特點，更適合廣泛部署，其應用前景將更加廣闊。文中主要對基于NB-IoT無線通信技術的智能安防監測系統進行論述。

1 技術比較分析

當前許多安防監測系統采用無線通信技術進行實現，如采用WIFI、Zigbee、藍牙或GPRS等技術。

(1)采用WIFI技術設計。WIFI技術是目前傳輸速度最快的無線技術，在目前的生活中普及率較高。WIFI技術具有技術研發門檻低，成本低，應用范圍廣的優點，但同時也有安全性差，穩定性弱，功耗大，可連接的設備有限，組網能力低等缺點。

(2)采用Zigbee技術設計。Zigbee是一種近距離、復雜度低、功耗低、成本低的雙向無線通信技術。近距離無線通信安全性高，組網能力強。理論上，一個Zigbee閘道器可以連接65 000多個設備。但速度慢、難兼容，其搭載的設備普及率極低。

利用WIFI技術或Zigbee技術上傳數據時，需要網關接入網絡，即不能直接連上電信或移動運營商，而是需要通過一個網關中轉才能連上運營商，把數據傳輸至網絡。當遇到警情，通過WIFI模塊或Zigbee模塊向外界發出報警信息時，在網絡斷網，停電或室內部分區域沒有無線網絡覆蓋的情況下，利用上述技術設計的安防監測系統報警功能就會缺失，無法實現實時報警，從而有警情延誤的可能。

(3)采用藍牙(Bluetooth)技術設計。藍牙是一種支持設備短距離通信的無線電技術。具有體積小，功耗低，安全性高的特點，但傳輸距離有限，數據速率較低，需要本地數據記錄，以確保數據不間斷可用。設備連接能力有限，且只能在特定空間內使所有支持該技術的設備建立聯系傳輸數據。

(4)采用GPRS模塊設計，不但使用費用高，數據速率低，電源供電也是個問題。如若通信連接不穩定，也易造成警情延誤。

針對利用上述無線通信技術構建的通信網，存在數據準確率較低、耗電量大、信息安全性不高、實時監控管理難等技術問題[7-9]。因此，文中采用NB-IoT技術設計智能安防監測系統，以解決室內外安防監測設備依賴本地網絡、無線傳輸范圍小，以及監控裝置內置電源使用壽命短、信息安全要求難保證等問題。

2 系統架構體系

文中設計的智能安防監測系統如圖1所示，由感知層、網絡層、應用層構成。各層的構成和實現功能如下：

圖1 系統架構框圖

(1)感知層：由控制模塊、NB-IoT無線通信模塊、報警模塊、存儲模塊、電源模塊等構成。以控制芯片STM32F103為核心，利用傳感器采集溫濕度、煙霧濃度、光照強度、聲音強度、人體等信息，若采集的數據超過設置的報警閾值，則通過NB-IoT無線通信模塊接收報警指令，啟動報警。

(2)網絡層：由NB-IoT基站、IoT核心網、IoT云平臺等構成。傳感器采集的參數通過NB-IoT無線通信模塊發送至NB-IoT基站，通過核心網送到服務器上傳至IoT云平臺，再通過云平臺發送至移動APP客戶端，實現實時監測環境信息。

(3)應用層：包括應用管理平臺、移動APP等。利用移動APP客戶端或應用管理平臺實時查看環境信息。還可根據實時數據，通過移動APP客戶端設置報警閾值，下發報警指令，實現遠程安防監測。

3 硬件系統設計

系統的硬件電路框圖如圖2所示，分為監測設備和NB-IoT無線通信模塊兩部分。監測設備以STM32F103單片機為主控芯片，利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器、聲音傳感器、紅外傳感器等多種傳感器分別進行環境參數的采集，將采集的數據利用UART方式傳輸，通過STM32F103單片機傳輸至NB-IoT無線通信模塊。其部分硬件電路原理圖如圖3所示。

圖2 系統硬件電路框圖

圖3 部分硬件電路原理圖

3.1 主控制器模塊

系統選用STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片具有自帶重置開關，具有十位分辨率數模轉換模塊、模數轉換能力較強等優點。主控芯片的功能為：一、將傳感器采集到的參數分析計算處理后，通過UART封裝發送至NB-IoT模塊；二、利用NB-IoT模塊接收來自手機端和云端下傳的AT命令[7-9]，啟動監測設備的報警。其管腳連接原理圖如圖3所示。

3.2 溫濕度傳感器模塊

采用DHT11[10-13]模塊檢測溫濕度值的變化，實現防火防潮監測功能。模塊中的DATA(2端口)端與主控制器的PA11端口相連(如圖3所示)，采用單總線數據格式，實現數據的通信和同步控制。

3.3 光敏電阻傳感器模塊

采用G5516模塊，檢測周圍環境光線強度的改變。模塊中的DO(3端口)數字信號輸出端與主控制器的PA4端口連接(如圖3所示)。主控制器通過檢測DO端高低電平的變化，判斷環境的光線強度改變。若光線強度超過設定閾值時，系統蜂鳴器報警。

3.4 氣體傳感器模塊

采用MQ-2[14-17]煙霧傳感器模塊檢測有害氣體濃度。MQ-2的AOUT模擬量輸出端，直接與帶有AD功能的主控制器PA1端口連接(如圖3所示)。當MQ-2檢測到周圍環境中有有害氣體時，電壓每爬升0.1 V，說明有害氣體的濃度值增加20 ppm。將測得的模擬電壓值比例代換，轉換為濃度值顯示在OLED屏幕。若檢測到有害氣體濃度值超過設定閾值，系統啟動報警。

3.5 人體監測傳感器模塊

采用HC-SR501模塊檢測有無人存在，實現防盜監測功能。模塊中的OUT輸出端管腳與主控制器PA15端口相連(如圖3所示)，當檢測到有人時輸出3 V電壓，無人時輸出0 V電壓，以實現無人監測報警功能。

3.6 NB-IoT通信模塊

NB-IoT模塊是感知層必備模塊，它是感知層與網絡層的連接橋梁。系統核心部件采用電信版BC26的NB-IoT101模塊，內置SIM卡槽，兼容移動通信中M26(GSM/GPRS系列)模塊，方便現有的3G，4G用戶快速、靈活地切換至NB-IoT通信網絡進行數據交互。同時，BC26提供豐富的外部接口(UART，SPI，ADC等)和網絡協議棧(TCP/CoAP/MQTT等)，支持OpenCPU功能，支持中國移動OneNET云平臺、中國電信EasyIoT、華為OceanConnect物聯網云平臺。如圖4所示，該模塊主要由IPEX射頻天線座，5 V轉3.3 V LDO穩壓電源，Micro-SIM卡座，ESD防護電路，開機電路等組成，即插即用。模塊中的PWRKEY，RXD，TXD管腳分別與圖3中STM32的PB7，PA2和PA3端口相連，實現數據的控制、收發。當PWRKEY為低電平時，啟動NB-IoT模塊工作；TXD為高電平時，發送監測終端設備采集的環境參數信息至云平臺；當RXD為高電平時，接收手機APP端通過云平臺下發的報警指令信息。

圖4 NB-IoT模塊實物與電路原理圖

4 系統軟件設計

軟件主要是對各傳感器進行初始化，并將采集的數據通過NB-IoT模塊上傳阿里云平臺，送至移動客戶APP，再通過APP設置報警閾值，達到智能監測和報警的目的。

系統軟件設計主要分為三部分，第一部分為監測終端的主控程序設計(主程序流程)；第二部分為阿里云平臺的服務器插件開發；第三部分為網絡數據的通信和移動APP客戶端的開發。首先確認基礎設備接入到阿里云平臺服務器，將數據和命令發送到服務器后確認相關流程，確認接入平臺后配置外圍設備組件，最后啟用阿里云物聯網遠程服務操作系統，上載數據或下傳報警命令。

4.1 系統總體流程設計

系統的軟件總體流程設計如圖5所示，其工作流程如下：

圖5 軟件流程

(1)主控制器STM32和NB-IoT模塊初始化；

(2)各傳感器采集環境數據送至STM32控制器，同時NB-IoT模塊對接阿里云平臺；

(3)STM32將傳感器采集的數據信息顯示在OLED屏，同時將數據通過NB-IoT模塊送至阿里云平臺；

(4)利用阿里云平臺將數據傳送至移動APP環境監測客戶端；

(5)APP環境監測客戶端設置各種環境參數的報警閾值，如果傳感器采集的參數超過報警閾值，則手機APP利用阿里云平臺將報警命令通過NB-IoT模塊，送至STM32控制蜂鳴器報警。

4.2 云平臺插件開發

系統數據的處理需要在云平臺服務器上開發相對應的設備屬性文件以及編解碼插件，并上傳至云平臺服務器后臺調用，具體內容包括調用服務器權限、注冊實際設備、定義設備信息接口、在線調試等。

配置屬性文件是對監測設備能力和需要服務類型的描述，將終端設備型號、終端設備類型等實際信息注冊到平臺，然后在云平臺服務器中來定義監測終端的功能，進而嚴格制定功能需求和編解碼插件。由于應用層的協議有很多，終端設備和IoT平臺之間的應用層協議不統一，但為了能接入不同協議的終端設備并成功調用監測終端設備提供的相對應的插件包，在檢測正確后，可向阿里云平臺上傳屬性文件和編解碼插件注冊設備。

4.3 系統數據通信

依據云平臺服務器上定義的數據流通信方式，對數據流打包，并上報數據，再根據控制器和云平臺服務器之間發出的有效命令，以實現對環境參數的遠程實時監測。數據在進行上傳時，通常以“at+nmgs=數據長度，數據信息”的格式對數據進行打包，AT指令通過串行口發送到NB-IoT模塊進而上傳至云平臺服務器和移動終端設備。發布時云平臺服務器臺將“NNMI數據長度，數據”格式的數據信息發送到NB-IoT模塊，環境數據監測終端設備執行聲光的報警命令。

4.3.1 系統數據上報流程

多種傳感器采集環境參數信息后，依據系統制定的編碼規則對數據進行編碼，再進行傳輸。環境監測設備終端通過串行口采用AT命令的上傳形式，向NB-IoT通信模塊發送編碼數據信息。NB-IoT模塊接收到控制器的AT命令后，自動將相應的數據信息封裝成COAP協議報文，發送到系統已配置的物聯網平臺。物聯網平臺接收到數據后會對COAP協議包進行自動解析。通過環境監測裝置的配置屬性文件找到與之相對應的環境監測裝置編解碼插件，將有效載荷數據包解析到物聯網平臺上。此外在環境監測設備檔案描述的文件中，與服務屬性文件匹配的JSON數據也一并存儲在物聯網平臺上。移動客戶APP通過API口對接的restful接口獲取平臺上的環境參數信息。同時環境監測數據實時上傳，平臺也將通過POST消息推送到移動客戶APP端。

4.3.2 系統命令下發流程

系統中的移動客戶APP應用程序創建并發送警報的信息命令格式，當與云平臺描述一致時，發送至物聯網平臺。物聯網平臺接收后開始判斷環境監測終端設備是否正常在線。當環境監測終端設備入網在線時，環境監測編解碼器插件會通過詳細查找進行編碼輸出，將輸出的二進制數據信息打包成COAP報文，隨后向環境監測終端設備中的NB-IoT通信模塊發送報警信號。如果云平臺判斷終端設備離線，則前面發送的信令將存儲在云平臺服務器的歷史數據中。

當本地報警命令成功發出后，環境監測終端設備將會自動接收儲存在歷史數據的命令，然后再報告該命令的執行結果。此外，環境監測設備終端通過云平臺服務器上相應的配置文件也可以搜索出環境監測編解碼器插件的執行解碼，進而輸出二進制數據消息，再獲取信息命令的執行結果，并將當前默認狀態修改為報警提示狀態，打開向移動客戶APP傳送數據的通道，發送環境監測終端設備的本地報警信息。

4.3.3 移動客戶APP界面設計

系統基于安卓環境開發移動客戶APP，其設計界面主要包括登錄界面，環境參數監測界面以及各個環境參數實時報警提示界面。在環境參數監測界面中，顯示實時的溫濕度、煙霧濃度、光照強度、人體、聲音的數據信息。在報警提示界面中也顯示實時數據，并可設置報警閾值。當檢測的實時環境信息接近或超出設置報警閾值時，則會出現報警提示界面。

在界面設計上，采用Vue框架，Vue的核心為視圖層，它是一種自底層逐漸向上的框架。同時，引用CSS表述HTML5修飾手機界面，以設計彈窗式報警界面。

4.4 NB模塊子程序設計

搭建完阿里云服務器和創建產品后，利用監測設備中NB-IoT模塊上的SIM卡提供的網絡連接服務器。NB-IoT模塊與主控制器通過AT串行通信協議進行數據傳輸。故在程序設計上，主要將相關指令通過AT串行通信協議發送至主控制器即可。部分代碼如下：

char *AT_Cmd[CMD_MAX] = {

"AT+NRB",

"AT+CGATT?",

"AT+QMTCFG="aliauth",0,"a11RfGpdd7C","TPT01","TWXPvTrGRSLaJxKoiUIHB5CIVNXJBoIi"",

"AT+QMTOPEN=0,"a11RfGpdd7C.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com",1883",

"AT+QMTCONN=0,"123456|securemode=3,signmethod=hmacsha1,timestamp=1585932175|","TPT01&a11RfGpdd7C","C85F0E73041C5E1B6B1EA12ACA1DE8F4C5306580"",

"AT+QMTSUB=0,1,"/sys/a11RfGpdd7C/TPT01/thing/event/property/post_reply",2",

"AT+QMTSUB=0,1,"/sys/a11RfGpdd7C/TPT01/thing/service/property/set",2",

"AT+QMTPUB=0,1,2,1,"/sys/a11RfGpdd7C/TPT01/thing/event/property/post",89",

"{"method":"thing.service.property.set","id":"1064104057","params":{},"version":"1.0.0"}",

};

通信過程中，數據成功后，將會發回一個ACK數據，對于不同的數據，發回的ACK也會不同，對于以上發送的數據指令，相對應的ACK發回如下代碼所示：

char *AT_Cmd_Ack[CMD_MAX] = {

"REBOOT_CAUSE",

"+CGATT:0",

"OK",

"+QMTOPEN: 0,0",

"+QMTCONN: 0,0,0",

"+QMTSUB: 0,1,0,1",

"+QMTSUB: 0,1,0,1",

">",

"property/post_reply"",

};

4.5 報警模塊設計

在報警模塊中設一個限定閾值，當所測數據超過設定閾值時，移動客戶APP顯示報警提示信息，并通過云平臺下發報警指令至監測模塊執行警鈴報警，以實現實時安防監測。

移動客戶APP是基于安卓軟件進行開發設計，可實現用戶賬號密碼登錄，實時的消息推送，各個環境參數顯示及實時更新，此外還可以設置報警閾值范圍，以及發送命令等功能。具體的流程處理如圖6所示。

圖6 APP報警設計流程

ApiCloud IDE軟件設計出的報警模塊需要在手機軟件上顯示出來，在VUE框架中，需要顯示報警信息和一些報警功能，部分報警模塊代碼如下：

if (item = = = 'temp')

{

params.Items = '{" temp ": ' + val + '}'

if (this. tempAlarm && Number(val) < this. temp)

{

window.navigator.vibrate(1000)

setTimeout(function () {

alert('溫度過高，請注意')

}, 1000)

}

this.max_ temp = val}

else if

{

params.Items = '{"smoke ": ' + val + '}'

if (this. smokeAlarm && (Number(val) < this.smoke))

{

window.navigator.vibrate(1000)

setTimeout(function () {

alert('煙霧濃度過高，請注意')

}, 1000)

}

this.max smoke= val}

else

{

params.Items = '{" humidity": ' + val + '}'

if (this. humidityAlarm && (Number(val) < this. humidity))

{

window.navigator.vibrate(1000)

setTimeout(function () {

alert('濕度過高，請注意！')

}, 1000)

}

this.max_humidity= val}

5 系統測試

將系統監測終端放置室內進行測試，采集環境參數。電路通電之后，如圖7所示，OLED屏顯示當前環境參數，“T”表示實時環境溫度，溫度測量的范圍為-55 ℃～100 ℃，當前溫度顯示“26 ℃”；“H”表示環境相對濕度，當前相對濕度為“90%”；“gas”表示氣體煙霧濃度比，當前煙霧濃度為“35%”；“ill”表示光照強度；“vol”表示檢測聲音是否存在，有聲音顯示“1”，否則為“0”；“man”表示檢測到人體是否存在，檢測到人體存在顯示為“1”，否則為“0”。終端監測設備將采集到的信息通過云平臺發送到手機APP端。如圖手機APP環境監測系統主界面顯示的各類型環境參數值與OLED顯示屏上的數據一致，表明監測終端設備數據傳輸正確，能夠實時將環境參數信息上傳至手機客戶端。

圖7 系統測試主界面圖

如圖8(a)所示，為單獨測試溫度與煙霧濃度的二級界面圖。如圖8(b)所示，在手機APP環境監測應用端，設置溫度報警閾值為22oC，當溫度逐漸升高，接近設定閾值時，移動APP上出現預警提示“溫度過高，請注意”，一旦超過設定閾值，則手機APP端會在1s左右的時間通過云平臺下發報警指令到監測終端設備，終端設備上的蜂鳴器發出響聲報警。同樣如圖8(c)所示，可以設置煙霧濃度報警閾值為500 ppm，當煙霧濃度接近設定報警閾值時，APP上出現“煙霧濃度過高，請注意”的預警提示。當超過設定閾值時，監測終端設備上的蜂鳴器發出報警響聲。

(a)溫度與煙霧濃度值正常 (b)溫度值超閾值報警 (c)煙霧濃度值超閾值報警

6 結束語

隨著中國5G技術的快速發展和部署，物聯網技術與應用得到了極大的發展。文中設計的智能安防監測系統，利用了NB-IoT、移動互聯網、云計算等技術，采用各種環境類傳感器采集數據，通過NB-IoT網絡傳輸到IoT管理平臺，將數據實時發送到云端，再送至移動APP，實現消防和安全的統一監控與管理，從而高效地做出相關執行決策。通過測試表明，系統方案設計合理，能夠達到實時監測與遠程控制報警的功能。同時，系統具有低功耗、運行穩定可靠、部署靈活等優點，適用于各種室內外場所。