基于NB-IoT的大氣干濕沉降采集系統設計與實現

伯成才，于會山

(聊城大學物理科學與信息工程學院，聊城 252059)

0 引言

環境污染是當今社會存在的重要問題。通常環境污染經過大氣通過一定的途徑被沉降至地面或水體的過程，分為干沉降和濕沉降。干沉降是指顆粒物通過重力下落、擴散傳輸或兩者的共同作用，沉積于土壤、巖石、植被和水面等地表面移出大氣，也可以通過與表面碰撞或被突出物攔截而移出[1]。濕沉降是指顆粒物參與云滴的形成，并發展為降水的過程中，被降水收集、沖刷而隨降水下落至地表的過程[2]。

對于相關研究人員來說，樣本的收集是一個難題，傳統的樣本收集大多采用人工，即費時又費力。隨著物聯網、傳感器技術、無線通信技術等新型技術的不斷發展，以ZigBee、Wi-Fi、藍牙等短距離無線通信方式的產品在人們的生活中愈來愈多。但ZigBee、Wi-Fi等無線通信技術具有穿透能力弱、信號覆蓋等問題。對于干濕沉降的數據采集來說，由于需要對不同場景、不同地點、不同時間段的干濕沉降進行采集，因此，ZigBee、Wi-Fi等無線通信技術的不足會影響數據采集的傳輸和效率[3]。

窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)技術作為一種新興的物聯網技術，具有低功耗、廣覆蓋、大容量、大連接等優點，與嵌入式技術相結合，廣泛應用于如環境監測、智能抄表等諸多領域[4]。此外，窄帶物聯網的覆蓋能力較GPRS有20 dB的增益。因此，結合樣本數據采集的條件等客觀因素，使用NB-IoT技術能夠更好地實現實驗樣本數據的采集和傳輸[5]。本文結合具體實際，提出一種基于NB-IoT的大氣干濕沉降采集系統，選擇NB-IoT低功耗的無線通信方式、相關嵌入式設備、傳感器，通過硬件設計、軟件優化設計完成整個系統的功能實現。

1 系統總體框架設計

系統總體框架設計分為三層，分別是感知層、傳輸層和應用層。其中感知層又稱數據采集層，數據采集層主要由嵌入式技術、傳感器技術和NB-IoT無線通信技術實現樣本數據的采集、顯示、傳輸和控制[6]。數據傳輸層由NB-IoT無線通信模塊將數據通過MQTT協議經由NB基站傳輸至服務器[7]。應用層顯示終端經過服務器下發實現數據的實時查看和管理。系統總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架

2 系統硬件設計

系統以STM32F103C8t6作為主控制器，結合相應的翻斗雨量計、光學雨量傳感器、存儲模塊、時鐘模塊、電源模塊、無線通信模塊、顯示模塊、驅動模塊組成。硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

硬件設計思路如下：主控MCU通過RS-485接口和Modbus協議實現翻斗雨量計數據的讀取、控制12通閥實現樣本數據的收集；7英寸顯示屏實現數據的顯示、工作模式的選擇、參數的調節；驅動裝置實現干濕沉降采集模式的選擇；同時采集的數據通過NB-IoT無線傳輸模塊將采集的數據傳輸至OneNET云平臺。

2.1 主控電路

主控電路由STM32F103C8t6單片機最小系統組成，最小系統包括：主控、電源、復位、JLINK下載接口等部分組成，基于ARM Cortex-M內核STM32系列的STM32F103C8t6微控制器，程序存儲器容量64KB，工作電壓為2V～3.6V，工作溫度為-40℃ ～ 85℃。系統供電采用開關電源輸出24V接入，經過保護電路輸出24VIN，24VIN電壓經TPS54331降壓芯片和穩壓電路輸出12V，經過MP2359降壓芯片降為5V，5V電壓經過SGM2019-3.3穩壓芯片輸出3.3V為單片機系統和NB-IoT模塊供電。電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

2.2 光耦隔離電路

光學雨量傳感器采用光學感應原理測量降雨，內置六個光學探頭，使得測量結果更精確。與傳統的機械式傳感器，光學雨量體積小、靈敏度高、智能且易維護。其分辨率0.1mm。當檢測到下雨時會持續輸出1min左右5V的脈沖，本文只需檢測是否下雨，因此選用5V脈沖輸出模式。

U形微型光電傳感器是一種NPN輸出型光電傳感器，檢測距離5mm，相應速度≤1ms，能夠檢測2×0.8mm以上非透明體。當開關門時，通過光電傳感器的輸出高低信號可以檢測門的到達。

為了使輸出端的信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩定，因此電路設計中采用光耦隔離使得輸出穩定。光耦隔離電路圖如圖4所示。

圖4 光耦隔離電路

2.3 驅動電路

驅動電路設計通過12V繼電器控制12V電機的正反轉，進而實現開關門的操作。正轉工作原理如下：當輸入高電平時，NPN三極管Q1飽和導通，繼電器線圈通電，觸點吸合。當輸入低電平時，NPN三極管Q1截止，繼電器線圈斷電，觸點斷開。其中Q1為控制開關。電阻R21主要起限流作用，降低晶體管Q1功耗。電阻R22使三極管Q1截止。二極管D12反向續流，為三極管由導通轉向關斷時為繼電器線圈中的提供泄放通路，并將其電壓箝位在+12V上。電機驅動電路如圖5所示。

圖5 電機驅動電路

2.4 485通信模塊

翻斗雨量計用來測量當前的降雨量，其檢測范圍：≤30mm/min，測量精度0.2mm，翻斗雨量計作為從機設備使用485通信接口與主機之間進行通信，使用Modbus通信協議實現主從之間的數據傳輸[8]。

Z20 系列多通旋轉閥是利用光耦采集信號，依靠步進電機進行控制，用于樣液體進樣或流路轉換的自動部件；在系統設計中，Z20系列多通旋轉閥主要用于雨水的流通和收集。系統通過485通信接口實現與從機之間的通信。在Modbus協議中，采用一主多從的規則，系統根據從機地址的不同實現多從機的訪問。主機485電路如圖6所示。

圖6 主機485電路

2.5 NB-IoT無線模塊

NB-IoT無線傳輸模塊選用移遠BC26集成模塊，移遠BC26集成模塊包括卡槽、通信接口，主控電路設計中，只需預留相關供電I/O口和串口即可，BC26集成模塊是一款多頻段(B1/B3/B5/B20/B27...)、全網通的無線通信模塊，主控通過串口發送相關AT指令即可實現模塊間通信。

3 系統軟件設計

3.1 數據采集軟件設計

數據采集軟件設計通過485接口和Modbus協議實現數據的采集和相關設備的控制，翻斗雨量計和多通閥作為從機設備，單片機作為主機通過Modbus主機協議實現[9]。Modbus主機協議根據從機寄存器地址碼發送相關詢問幀，從機接收指令碼，校驗正確，向主機發送應答幀，主機串口接收中斷接收到應答幀后，進行CRC校驗，CRC校驗正確后，通過解析應答幀獲得當前雨量數據。485數據采集流程如圖7所示。

圖7 數據采集流程圖

3.2 控制部分軟件設計

控制部分軟件設計通過繼電器控制電機的正反轉旋轉遮擋板實現干濕沉降采集桶的選擇。光學雨量計檢測到下雨，電機正轉，遮擋板旋轉至干沉降采集桶上方，系統采集濕沉降，當到達限位開關時，電機停轉；雨量計繼續檢測降雨，當降雨停時，遮擋板旋轉至濕沉降采集桶上方，干沉降收集桶收集干沉降樣品。

3.4 顯示軟件設計

顯示部分軟件設計主要由顯示界面設計和顯示與主機之間通信設計組成。其中顯示界面設計采用DGUS軟件設計GUI界面，通過設計相應的參數顯示區域和按鈕，分配對應的變量地址，主機串口根據串口中斷接收地址實現數據的顯示、按鈕的操作等功能。

3.3 NB-IoT模塊傳輸軟件設計

系統通過移遠BC26模塊采用MQTT協議實現數據上傳至中國移動OneNET平臺，NB-IoT模塊設計包括串口2的初始化、查詢卡的狀態、注冊網絡、數據上傳、數據下發等操作，系統通過發送相關AT指令實現上述相關操作。部分AT指令集如表1所示。

表1 部分AT指令

4 系統測試

系統測試包括NB模塊數據傳輸、7英寸液晶顯示屏顯示、樣本數據收集等功能測試。在功能測試方面，系統設置三種工作模式，第一種模式：按照降雨場次進行分段采樣。設置每場雨的采樣量和采集時間，雨水被十二通閥引流到采樣瓶中；第二種模式：按降雨量先后分段采樣，即對某一場降雨進行分段采樣，設置每段的采樣量，每一采樣瓶采集夠采樣量后，進入下一采樣瓶繼續收集；第三種模式：采集混合樣，設置好要采集的采樣量，雨水通過十二通閥均進入采樣桶，達到采樣量后多余降雨通過十二通閥引流到采集儀外。系統測試界面如圖8所示。

圖8 系統測試界面

5 結語

基于NB-IoT的大氣干濕沉降采集系統的設計與實現以STM32作為主控制器，系統搭載移遠的BC26無線通信模塊，通過485通信接口和Modbus協議，實現當前樣本數據的采集；NB模塊實現數據的遠程傳輸。同時，在采集濕沉降過程中，根據選擇的模式不同，可以實現對不同場景下的樣本數據自動采集。該系統能夠較好地緩解人工采取樣本費時費力問題。