基于NB-IOT环境物联网控制器的研制.docx

??

?

??

基于NB-IOT环境物联网控制器的研制

?

??

?

?

?

?

?

?

?

???

?

?

?

?

?

摘要：随着科技的发展，传统大气污染治理中问题，如监测点固定，单点成本高；采集数据不全面；偏远地区难以布点等越来越突出。为此，在物联网技术的广泛背景下，本文提出一种基于NB-IOT环境物联网控制器。此控制器在户外环境实际测试中，数据精度高，响应及时，数据可实现长距离传输，能够达到长期稳定性，对环境监测工作具有重大意义。

关键词：环境监测；物联网；NB-IOT；长距离

引言

物联网技术应用到环境监测中，能让我们全面、准确的获取实时环境数据,促使环境监测效率大大提高。目前市面上物联网环境监测系统多以3G/4G无线组网的方式，资费昂贵，在信号弱的地方难以部署；或使用ZigBee或无线射频进行数据传输，这种方式传输距离短，覆盖范围小，需要基站多，建设和维护成本高。窄带物联网（NB-IOT）技术相比3G/4G网络、ZigBee等短距离通信技术，具有容量大、覆盖广、成本低、功耗小等优点。

结合环境物联网监测系统具有小数据传输、非频繁传输、低移动性、对时延不敏感等特点，本文提出一种基于NB-IOT环境物联网控制器。适合大范围部署在环境恶劣或信号难以到达的地方，可实现数据长距离传输，并可在线实时监控环境相关参数和控制器运行状况。

1系统结构

基于NB-IOT环境物联网控制器设计如图1：

控制器主要构成有：传感器、单片机、NB-IOT模块、服务器。基于NB-IOT环境物联网控制器的感知层包括感知终端和通知节点。感知终端是环境传感器，安装在户外，用于监测环境参数。网络传输层采用NB-IOT通讯方式，将采集的环境数据汇聚到路由节点后传输给应用管理层。应用层的核心是一台计算机，对监测到的环境数据进行分析处理，同时可发送查询指令至单片机，实现实时查询功能。

2系统介绍：

基于NB-IOT环境物联网控制器系统构成如下：

（1）主控系统：由STM32单片机构成，连接传感器系统采集环境数据。还可对相应的传感器下达查询指令，实现实时查询。连接数据通信系统，将所得环境数据传输至服务器，实现数据可视化。

（2）传感器系统：由环境传感器组成，实现对各项环境参数的采集。根据具体环境需求可进行传感器配置，可扩展性强。

将传感器连接单片机RS485接口。通过其串口向传感器发送Modbus协议下的询问帧，传感器接收到指令后向单片机发送数据帧，并通过中断接收数据。通过PC端的串口调试助手打印数据，进行调试。

（3）数据传输系统：使用NB-IOT模块将主控系统和服务器建立联系。控制器选用UDP传输方式。在NB-IOT网络中，NB模组通过射频信号与基站连接。基站完成运营商网络与设备的通信，NB核心网实现数据的传输与转发，将数据直接发送到云服务器。第三方应用服务器可主动到IOT平台查询数据。同时，第三方应用服务器可以通过IOT平台给终端下发数据。

3实验与结果

3.1实验材料

开发环境：Keil5，实时操作系统：μC-OSII，单片机：stm32，传感器：建大仁科公司的温湿度变送器、光照温湿度变送器，NB-IOT模块：上海移远公司BC95-B5模块。

3.2实验过程

3.2.1传感器系统

①USART2_TX向温湿度传感器发送Modbus协议下的询问帧，传感器接收到指令后向单片机发送数据帧，USART2_RX通过中断接收来自传感器的数据。②如此循环发送所有环境参数所需的询问帧，实现多个传感器数据读取。循环上述步骤实时更新数据，实现监测环境变化的实时情况。③改变光照温湿度传感器1的监测环境观察传感器的监测数据变化情况并与温度湿度传感器2对比，判断传感器系统是否正常工作。例如：用手握住传感器1的探头并且移动到光照强的空间时，监测数据如图2：

图2监测数据

由图可知，在将传感器1的监测环境改变后光照强度数值立刻发生跳变，湿度值迅速变高，温度值变化较慢，环境改变后传感器1所监测的三组数据都发生变化，而传感器2数值，无明显变化。说明控制器可实时监测环境的变化。

3.2.2数据传输系统：

BC95模组连接网络成功后，首先处于连接状态，此时可以进行数据发送和接收，当20s无数据交互后进入IDLE状态，此时能够接收服务器数据，10s后仍无数据交互，进入PSM状态，此时不能接收服务器数据，模块与服务器断开连接。

当环境参数远程传输时，BC95模块接收到主控芯片串口发送的AT指令被唤醒，进入连接状态，立刻将数据传到云服务器，然后传送到监控终端，做到实时响应并且降低了功耗。

3.2.3主控系统：

在单片机上嵌入μc/osII实时操作系统，将定时监测设置为最高优先级，指令查询设为次级优先级。设置成功后，控制器能准确地每隔10分钟采集一次环境数据，并将数据通过NB-IOT模块上传