基于NB-LoT物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)設(shè)計

楊 翼

（廣州市智慧城市投資運營有限公司，廣東 廣州 510045）

隨著我國逐步步入經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的全新階段，建設(shè)智慧城市已經(jīng)成為未來城市的重要發(fā)展方向[1]。智慧園區(qū)是組成智慧城市的更小單元，智慧園區(qū)的智能程度將最終反映出城市的智慧水平。要建立達標的智慧園區(qū)，必須要大力推動園區(qū)的信息化建設(shè)[2]。這其中的關(guān)鍵就是依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，獲得更豐富的園區(qū)信息。通過對這些信息的采集、處理和融合，可以全面增強園區(qū)管理的感知能力、安全系數(shù)、交通和通信便利程度[3]。這就需要給園區(qū)配置不同種類、數(shù)量豐富的傳感器，進而采用物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)將各個傳感器節(jié)點連接起來，實現(xiàn)這些信息的采集和融合。在這種思路下，該文以NB-LoT 窄帶蜂窩技術(shù)為通信架構(gòu)，進行物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計，以提升智慧園區(qū)的信息化、智慧化水平。

1 基于NB-LoT 的智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)設(shè)計

智慧園區(qū)的信息采集，關(guān)鍵在于各個節(jié)點傳感器的配置、各節(jié)點間的信息交互以及各節(jié)點和智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)平臺的信息交互。考慮通信性能、性價比等多方面因素，該文選擇NB-LoT 作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的通信技術(shù)。

1.1 智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的框架設(shè)計

在各種物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)通信技術(shù)中，NB-LoT 技術(shù)是一種窄帶的蜂窩技術(shù)，其硬件設(shè)備的復(fù)雜程度不高，功率消耗也比較低，既能滿足智慧園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的組網(wǎng)要求，又可以實現(xiàn)靈活自由的組網(wǎng)配置。同時，NB-LoT 技術(shù)的實現(xiàn)成本低，性價比也比較好。鑒于這些突出的優(yōu)勢，該文選擇NB-LoT 技術(shù)進行智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的組網(wǎng)。

在NB-LoT 通信技術(shù)框架下，該文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的總體框架如圖1 所示。

從圖1 可以看出，基于NB-LoT 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)可以同時采集多個智慧園區(qū)的狀態(tài)，如1 號智慧園區(qū)、2 號智慧園區(qū)、3 號智慧園區(qū)……n 號智慧園區(qū)。

圖1 基于NB-LoT 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的總體框架

每個智慧園區(qū)內(nèi)配置了多個節(jié)點。這些節(jié)點帶有自己的傳感器，可以進行附近區(qū)域的相關(guān)信息采集。節(jié)點數(shù)量可根據(jù)園區(qū)規(guī)模進行適應(yīng)調(diào)整，并通過NB-LoT 通信模塊和信息采集系統(tǒng)進行通信。

1.2 信息采集系統(tǒng)的節(jié)點設(shè)計

在智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)中，每個節(jié)點不僅配置了傳感器，還具有一定程度的自主能力。為了達到這個設(shè)計要求，在每個節(jié)點配置一個控制芯片，據(jù)此給出每個節(jié)點的硬件設(shè)計結(jié)果，如圖2 所示。

圖2（a）為智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的每個節(jié)點的硬件，包括主控電路、NB-LoT 通信電路和4 類傳感器電路。圖2（b）為氣體傳感器配置，這里主要是對含氧量進行測量。圖2（c）為溫度傳感器配置，用于采集智慧園區(qū)內(nèi)的溫度。圖2（d）為濕度傳感器配置，用于采集智慧園區(qū)內(nèi)的濕度。圖2（e）為光照傳感器配置，用于采集智慧園區(qū)內(nèi)的光照強度。

圖2 智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)節(jié)點的設(shè)計

智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的每個節(jié)點的主控電路采用了比較常見的STM32 嵌入式微型處理器，其價格便宜，但性能完全能滿足該文的設(shè)計要求。其他類傳感器的選擇，一方面考慮它們的測量精度、低功耗等指標，另一方面考慮其體積小，便于在節(jié)點上安裝。同時，考慮是在智慧園區(qū)內(nèi)使用，要進行相應(yīng)的密封、防雨以及防雷等處理。

2 智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 不同節(jié)點的信息交互處理

在智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)中，不同節(jié)點之間的信息交互程序設(shè)計結(jié)果如圖3 所示。

在智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)中，每個節(jié)點都配置了NB-LoT 通信模塊，這就需要按照NBLoT 通信協(xié)議來構(gòu)建各節(jié)點的信息交互程序。按照圖3 給出的具體流程，各個節(jié)點之間進行信息交互的實現(xiàn)過程如下。1）將NB-LoT 通信連接的2 個節(jié)點分別設(shè)置為源節(jié)點和目的節(jié)點。2）在NB-LoT 通信連接的2 個節(jié)點中分別注冊通信資格。3）在NB-LoT 通信連接的2 個節(jié)點中分別設(shè)定通信頻率。4）在NB-LoT 通信連接的2 個節(jié)點中分別設(shè)置計數(shù)器。5）在NBLoT 通信連接的2 個節(jié)點中分別設(shè)置發(fā)送和接收狀態(tài)。6）在NB-LoT 通信連接的2 個節(jié)點中，當指示燈輪流閃爍時，表明節(jié)點之間的通信已經(jīng)建立。

圖3 智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)各個節(jié)點的信息交互流程

2.2 節(jié)點和信息系統(tǒng)平臺的交互處理

從NB-LoT 通信模塊的工作性質(zhì)看，NBLoT 協(xié)議執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢機制，進而實現(xiàn)各個級別之間的協(xié)調(diào)通信。結(jié)合NB-LoT 通信協(xié)議的分層機制，可以建立NB-LoT 的通信流程，如圖4 所示。

圖4 各個節(jié)點和智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的通信流程

3 智慧園區(qū)的信息采集試驗與分析

為了驗證該文設(shè)計的基于NB-LoT 的智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的性能，針對我市一處智慧園區(qū)進行信息采集試驗，A 節(jié)點回傳給信息采集系統(tǒng)的結(jié)果見表1。

為了更直觀地顯示表1 中的數(shù)據(jù)，繪制成曲線，如圖5所示。

圖5 智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)曲線

表1 基于NB-LoT 的智慧園區(qū)信息采集系統(tǒng)的信息采集結(jié)果

從圖5（a）可以看出，從08:00—13:00，智慧園區(qū)內(nèi)的溫度不斷升高，當溫度適宜，適合人員出行或在園區(qū)內(nèi)活動。從5（b）圖中的濕度曲線的繪制結(jié)果可以看出，從08：00—13：00，智慧園區(qū)內(nèi)的濕度先升后降，與溫度變化有一定關(guān)系。隨著溫度的升高，園區(qū)內(nèi)水蒸氣減少，導(dǎo)致后面的濕度下降。從圖5（c）可以看出，從08：00—13：00，智慧園區(qū)內(nèi)的光照升高后趨于飽和。從圖5（d）可以看出，從08：00—13：00，智慧園區(qū)內(nèi)的含氧量階梯式升高，與園區(qū)內(nèi)綠植的光合作用有關(guān)。

4 結(jié)論

該文針對智慧園區(qū)的信息采集問題，設(shè)計了基于NBLoT 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的信息采集系統(tǒng)。在這個采集系統(tǒng)中，NBLoT 是各節(jié)點之間、各節(jié)點和信息采集系統(tǒng)軟件平臺之間的通信模塊。在硬件層面上，完成了每個節(jié)點的硬件設(shè)計，包括主控電路、NB-LoT 通信電路和4 類傳感器電路。在軟件層面上，完成了節(jié)點之間的NB-LoT 通信程序設(shè)計、各節(jié)點與信息采集系統(tǒng)的通信程序設(shè)計。試驗結(jié)果顯示：基于NBLoT 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的信息采集系統(tǒng)可以實時采集園區(qū)信息，為園區(qū)內(nèi)是否宜居、是否便于出行以及綠化水平是否達標提供了參考和依據(jù)。