基于CTWing和NB-IoT的CO實時監測物聯系統設計

0 引言

隨著工業化進程的不斷推進，CO排放量的快速增長，生產生活中對CO濃度的監測需求日益增大。截至2021年，全國將近7萬家火鍋店、近3億人仍需依賴煤爐取暖、火力發電站共計3000余座、汽車保有量達3.72億輛[1]，且機動車每年產生的一氧化碳高達4000萬噸，上述數據說明我國70%以上的生產生活場景需要進行CO實時監測。

近年來，我國政府高度重視對CO排放的管理，出臺了各類法律法規，對工業生產、機動車的CO排放量作出了相應規定。2021年4月，國家市場監督管理總局第6次局務會議審議通過《機動車排放召回管理規定》，該規定經生態環境部同意，自2021年7月1日起施行[2]。國家環境保護總局關于CO排放標準也出臺了《工業“三廢”排放試行標準》《冶金企業和有色金屬企業安全生產規定》等相關文件。鑒于CO中毒危害大、頻率高、分布廣、發生途徑多樣，極易造成人民生命健康財產損失，設計一種對CO濃度實時采集的監測預警系統迫在眉睫。

目前，市面上CO監測設備大多需要手工測量，安裝不方便，需要插電使用，使用場景極其受限，且成本過高，不便大規模普及。本設計采用NB-IoT技術，實現低功耗、廣覆蓋、遠距離CO濃度監測[3]，且具有體積小、適應多種安裝環境、使用便捷、全天候自動監測、數據實時上傳等優勢，能夠有效抑制家庭、社會生活、工業環境中CO濃度超標而產生的安全性問題，有效解決現有CO監測設備缺陷，填補市場空缺。

1 總體架構

為了實現對CO濃度數據的遠距離、廣覆蓋、低延時、高靈活監測，本文設計了一種CTWing平臺與NB-IoT技術相結合的CO濃度實時監測系統。該設計通過NB-IoT技術實現傳感數據匯總、遠距離傳輸和分析處理，具備CO濃度數據采集、遠程傳輸、存儲管理和遠程監測功能。該監測系統以集成的STM32F103C8T6芯片為主控制器，由四層結構組成，包含感知層、傳輸層、平臺層和應用層，有效針對CO濃度參數進行分布式監控和集中控制，其設計架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

第一層為感知層，針對前期項目研究成果——“攀枝花學院周邊重點監測區域”分別部署，設計主要分為5個部分：主控板設計、通信模塊電路設計、數據幀格式設計、電源模塊設計以及嵌入式開發[4]。系統采用STM32F103C8T6作為主控芯片，其內核是超低功耗的ARM Cortex處理器，主要包括電源模塊、CO傳感模塊、NB模組等結構。

第二層為傳輸層，主要包含核心網和通信基站。當感知層采集到森林環境數據時，通過傳輸層核心網發送到附近的通信基站，支持NB-IoT終端，建立用戶面，發送上下行業務數據[5]。

第三層為平臺層，收集從接入網獲得的IoT相關數據，將CO傳感參數發送到監控應用系統進行具體處理，并向系統開放接口，方便CO環境數據的采集和存儲[6]。

第四層為應用層，在上述架構基礎上，將監測系統部署在CTWing云平臺上。利用查詢接口進行CO參數的預處理、存儲，有效實現數據監測；也可以向底層控制模塊下發命令，發出CO濃度超標預警信號。

2 硬件系統設計

硬件系統設計主要包含STM32單片機、CO傳感器、煙霧傳感器、NB-IOT模塊、OLED液晶顯示電路和預警模塊[7]，系統框圖如圖2所示。NB-IOT模塊具有完備的擴展IO口，連接兼容多種類型的傳感器，可實現實時監測、數據傳輸準確、使用便捷；實時預警預報模塊可自主采集傳感數據、進行數據實時上傳、實現低時延實時預警預報。

圖2 硬件系統框圖

2.1 STM32F103C8T6最小系統

STM32F103C8T6采用高性能的72MHz工作頻率的ARM Cortex-M3 RISC內核，內置高速存儲器，具備多個擴展I/O端口，外設可與兩條APB總線相連[8]。STM32F103C8T6最小系統包含2個12位的ADC、3個16位通用定時器和1個PWM定時器，以及標準和擴展通信接口[9]，例如：2個I2C和SPI、3個USART、1個USB和1個CAN。工作溫度適用于-40℃至+105℃，供電電壓2.0V至3.6V，功耗低[10]。STM32F103C8T6電路設計如圖3所示。

圖3 STM32F103C8T6最小系統

2.2 CO采集電路

CO傳感器使用多功能電化學一氧化碳氣體檢測模塊SC05-CO，它是一個小型通用模塊[11]。利用電化學原理檢測空氣中CO的濃度，具有較好的選擇性和穩定性[12]。內置溫度傳感器可用于溫度補償，具有數字輸出和模擬電壓輸出兩種模式，使用便捷。CO采集電路如圖4所示。

圖4 CO采集電路

2.3 溫濕度采集電路

目前市場上各類溫濕度傳感器的通訊方式各不相同，種類繁多。本系統采用HTS221溫濕度傳感器進行環境參數采集。該采集設備包括一個傳感元件和混合信號ASIC，通過數字串行接口提供測量信息；利用數字模塊的專用采集技術，將模擬信號在內部轉換為數字信號并輸出；具有較快響應速度、超低功耗、遠距離傳輸、抗干擾能力強等優點[13]。溫濕度采集電路如圖5所示。

圖5 溫濕度采集電路

2.4 煙霧傳感采集電路

MQ-2氣體傳感器中使用的氣體檢測材料是二氧化錫（SnO2），在清潔空氣中具有低電導率[14]。如果安裝傳感器的房間內有煙霧，空氣中的煙霧濃度越高，傳感器的電導率就越高。可以使用簡單的電路將電導率的變化轉換為與氣體濃度相對應的輸出[15]。MQ-2氣體傳感器對煙霧濃度非常敏感[16]。該傳感器是一種低成本且耐用的傳感器，具有可以檢測范圍廣泛的特點。煙霧采集電路如圖6所示。

圖6 煙霧采集電路

2.5 NB-IOT通信電路

本系統采用超低功耗通信模塊NB-IOT。該終端是實現無線通信接入和傳輸的獨立通信單元，通過集成無線通信模塊可以快速實現無線通信功能。電路原理如圖7所示。

圖7 NB-IOT通信電路原理

3 軟件系統設計

軟件系統包含CO傳感數據采集系統、手機APP實時顯示系統以及CTWing平臺實時在線調試系統三部分。軟件系統首先對各個傳感器進行初始化，并通過NB-IOT模塊將數據發送至CTWing在線開發平臺。總體框圖如圖8所示。

圖8 軟件設計總體流程圖

3.1 CO傳感數據采集系統

針對一氧化碳探測器使用的UART通信協議，并使用I/O端口配置相應的程序。程序的關鍵是讀取數據時把數據總線SDA拉低時間和傳感器響應的時間相對應。其軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9 CO程序流程圖

3.2 手機APP實時顯示系統

手機APP系統可實時顯示溫度、濕度、一氧化碳濃度等多源傳感參數[17]。其手機APP界面如圖10所示。

圖10 手機APP參數顯示界面

3.3 CTWing平臺實時在線調試系統

CTWing在線平臺提供了定制物模型，可以實現云數據聚合，云端轉發，實現數據共享，免除調用數據復雜的問題，基于電信移動網絡，實現了監測覆蓋范圍廣，可進行集群化監控，并實現高級云告警傳輸功能，其數據分析界面如圖11所示。

圖11 數據分析界面

4 端到端對接

本設計利用中國電信CTWing在線開發平臺，采用自定義物模型進行CO濃度數據實時監測。中國電信CTWing開發平臺，可提供數據采集、處理及存儲功能。平臺具備“終端管理”“數據管理”“規則引擎”等多項能力，支持8種主流物聯網協議，具備完整的設備生命周期管理功能、安全可靠的數據管理等能力。CTWing平臺可對設備進行數字建模，以創建物理模型，并提供靈敏度高的監測系統。

在平臺對接中，將傳感數據同步至CTWing在線開發平臺及手機APP中，實現手機APP實時顯示傳感數據參數。實驗結果表明，手機APP數據與在線開發平臺數據完全吻合，完成了CTWing平臺與手機APP的端到端對接，高效實現設備實體間快速穩定的數據互聯。

5 測試應用

該系統主要實現空氣中CO濃度的實時監測功能，實驗針對“攀枝花學院周邊重點監測區域”設置CO濃度監測點三個，包含監測點A學生教學樓、監測點B萬達商場、監測點C學府居民區。對其進行CO濃度實時監測。此外，本文增加模擬CO濃度超標實驗對照組，驗證監測系統的是否可實現準確報警。以監測點A為例，實驗結果如表1所示。

由表1可知，通過CTWing平臺與NB-IoT技術的結合，監測系統可以實時監測空氣中CO濃度的變化，有效實現多層次報警；當CO濃度突增時，監測系統可實現突增報警語音提示；當CO濃度逼近成年人置身其中所允許的最大CO含量時，監測系統循環發出提醒報警語音，提示人們離開該區域；當CO濃度超過成年人置身其中所允許的最大CO含量時，監測系統可實現疏散報警語音提示，并持續發出中高頻率的蜂鳴聲；當CO濃度超過200ppm時，人體會出現輕微頭痛、頭暈、惡心體征，監測系統可實現求助報警語音提示，并持續發出高頻率的蜂鳴聲。2021年6月—2021年11月期間，該CO濃度監測系統在“攀枝花學院周邊重點監測區域”進行實地測試，監測系統狀態穩定、測試數據準確、CO濃度超標報警靈敏，誤差范圍符合《氣體監測儀通用標準》，可以滿足日常CO濃度監測需求。

表1 實測CO濃度數據

6 總結

本文選用作為STM控制器、CO傳感器實現傳感數據采集，結合NB-IoT通信傳輸技術，利用CTWing平臺，實現對CO濃度的實時監測。與傳統手持式檢測設備對比，該系統在功耗、監測時長、系統實時性以及超標報警靈敏度方面都有較大的改善。此外，該系統在遠程監控方面優勢極為突出，有效提高了CO濃度監管的自動化水平，加快了有害氣體監控的信息化進程。