基于NB-IoT的典型氣體污染物實時監測系統設計*

賈青青， 賈紋紋， 張 秦， 黨 磊， 陳 李

(1.重慶大學 新型微納器件與系統技術國防重點學科實驗室,重慶 400044;2.航天神舟生物科技集團有限公司,北京100080;3.北京市空間生物工程技術研究中心,北京100091)

0 引 言

化工園區內的企業工廠在生產活動中會產生多種氣體污染物，這些污染物的排放時間、排放量具有很強的隨機性，給污染氣體排放監管帶來極大的挑戰。傳統的現場采樣、實驗室檢測的模式，雖然測試結果比較精確，但是難以滿足園區排放監管的需求。在線監測系統具有實時動態監測、可大面積覆蓋等特點，日益成為研究人員關注的熱點。

現有的大型在線監測儀器，測量精度高，如激光在線監測儀、衛星遙感技術等[1，2]，價格高昂、使用與維護成本很高，難以實現大面積、高密度部署?；谖锫摼W的空氣環境監測系統具有易部署、成本低的優點。如基于通用分組無線業務(general packet radio service,GPRS)、藍牙、LoRa等技術的物聯網環境監測系統[3～6]。但是以上技術受通信距離與信號限制，難以組成覆蓋全面的大型網絡。窄帶物聯網(narrow band Internet of Things,NB-IoT)通信技術是低功耗廣域網領域新興的技術，處于低功耗模式的NB-IoT設備僅依靠單節鋰電池能工作10年之久，在同頻段中比GPRS多20 dB網絡增益，可用于地下、高樓之間等多種復雜地形。同時，NB-IoT單扇區可容納65 536個設備，有效降低了傳感節點組網難度。NB-IoT技術在使用大型傳感網絡的場景中已有多種應用[7～9]，是現實可行的大型無線傳感網絡解決方案。

綜合化工園區的空氣環境監測需求、多傳感器組網需求、傳感網絡維護成本等多個方面的因素，本文設計了一種基于NB-IoT通信的空氣污染物實時監測系統。該系統由傳感節點、云端服務器與云端應用三部分組成。傳感節點完成數據的采集處理與上報功能，云端服務器管理與傳輸數據，用戶可通過云端應用遠程獲取傳感節點處的實時信息。

1 系統架構設計

本文設計的NB-IoT無線氣體傳感網絡架構可分為感知層、網絡層與應用層,如圖1所示。感知層包含大量傳感節點，每個節點均由氣體傳感器、主控芯片、NB-IoT模組和電源模塊構成。傳感節點完成數據的檢測、處理與上報等工作，并在主控芯片的控制下，使各個模塊按流程進入低功耗模式或被喚醒，嚴格管理節點的功耗。網絡層由無線基站與云端網關構成，負責數據的傳輸與管理。應用層是基于華為云平臺搭建的云端應用，使用者可通過智能手機、電腦訪問該應用，遠程查看各傳感節點的位置信息、工作狀態以及氣體體積分數數據。

圖1 系統架構

2 系統設計

2.1 硬件設計

傳感節點結構如圖2所示，主控芯片選取高性能低功耗的微控制器STM32L431RCT6器件，其內部具有低功耗定時器與低功耗通信接口通用異步收發器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)。傳感器選用EC SENSE公司的TB200B系列高精度固態聚合物氣體檢測傳感器,如圖3,該系列傳感器具有高精度(0.01×10-6)、低功耗(25 mW)等優點。實驗中使用了可檢測二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)、甲醛(CHOH)、總揮發性有機物(total volatile organic compounds,TVOC)等五種傳感器。

圖2 傳感節點結構

圖3 EC SENSE氣體傳感器

傳感節點的整體電路原理如圖4所示，傳感器與NB-IoT模塊均通過主控芯片的低功耗UART接口接入節點。為了保證傳感節點的穩定工作，防止電量下降導致電池輸出電壓降低，每個節點都設計了電源穩壓電路。

圖4 傳感節點硬件原理

2.2 軟件設計

系統軟件設計包括傳感節點數據采集軟件、云端應用程序兩部分。

傳感節點程序負責數據采集和處理，并控制各模塊的工作狀態，軟件流程如圖5所示。主控芯片STM32初始化后，向傳感器與NB-IoT模組分別發送命令，使傳感器進入睡眠模式，等待NB模組與網絡附著成功后，進入省電模式(power saving mode，PSM)。隨后，主控芯片自身進入低功耗模式。待內部定時事件發生時，主控芯片被喚醒，向傳感器發送命令并獲取數據并完成格式轉換，通過專門為物聯網設備之間提供的輕量型通信協議——LWM2M(light-weight machine-to-machine)發送至云端服務器。

圖5 傳感節點程序工作流程

云端服務器應用程序界面，可以向使用者展示所有傳感節點的工作狀態、分布位置以及監測到的氣體體積分數數據。使用者可以點擊界面頂部的下拉框，選擇不同的傳感節點進行觀察。

3 系統測試

3.1 輸出傳輸測試

為了檢測該系統長時間檢測氣體體積分數的能力，搭建了如圖6所示的實驗環境，其中氣體試驗箱的頂部有一個進氣管與出氣口，用于通氣和排氣。氣泵將氨氣或者空氣泵入實驗箱中，以改變箱內氨氣體積分數。氨氣傳感節點放置于氣腔中，進行了連續1 h的監測。云端記錄數據如圖7所示。其中，(a)時間段為實驗開始時第一次向實驗箱中通入氨氣，6 s后在云端接收到氣體體積分數數據，并且觀察到體積分數逐漸上升，并在約2 min后體積分數穩定于10×10-6附近。在(b)、(c)和(d)時間段中，可以觀察到在停止通入氨氣并通入空氣后，云端數據在4～6 s后呈下降趨勢。同樣的，開始通入氨氣并停止通入空氣后，云端數據在4～6 s后呈上升趨勢。其中，(b)與(c)一直開放出氣口，(d)通入氨氣過程中關閉出氣口，氣體體積分數更快達到了穩定值附近。

圖6 實驗環境與設備

圖7 氨氣體積分數測試結果

3.2 系統實時性測試

在檢測系統實時性的實驗中，選取了二氧化硫、硫化氫傳感節點在化學實驗室通風櫥內進行了2 h的持續檢測。傳感節點設定的內部喚醒時間間隔為2 s,其中上位機可以即時獲取傳感器數據(本地數據)以及數據接收時間，云端數據由服務器自動記錄。圖8(a)、圖8(b)分別是兩種氣體傳感節點在上電后80 s內記錄的本地數據與云端數據，其中坐標橫軸第0 s為傳感節點上電后獲取到第一個本地數據的時刻。在NB-IoT模塊與網絡成功連接之前，云端無法接收數據。觀察同一節點兩種數據的接收時間，可以發現，本地數據的接收時間間隔與程序設定的2 s嚴格一致，云端接收數據與傳感器發送數據的時間基本同步。在2 h的持續實驗中，每個傳感節點分別向云端服務器發送了3 600個數據，表1記錄了2 h內云端接收數據的情況。其中，服務器與傳感節點通信成功后接收到了所有數據，少數數據接收略有延時，云端接收數據出現延時的原因與基站信號變化有關。

圖8 傳感器本地數據與云端數據接收時間

表1 云端接收的數據

4 結束語

本文設計了一種空氣污染物實時監測系統，該系統基于NB-IoT通信技術，可實時監測空氣中幾種典型污染物濃度并上傳數據至云端服務器，能滿足化工園區的實時、大范圍監測需求。傳感節點中各個模塊能根據工作流程進入與退出低功耗模式，有效降低了傳感節點功耗。在實際測試中，云端服務器獲取傳感器數據的時間與傳感節點程序發送數據時間基本一致，系統的實時性良好。