基于STM32L151R8芯片的NB_IoT技术在文物保护中的应用研究
2019-08-10成澜
成澜
摘要：博物馆小气候的调节需求决定了环境监测和调控系统的重要性。该文以一个博物馆环境监控系统的解决方案为例阐述了NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）技术在文物保护中的应用。通过分布式部署温度、湿度、光线、烟雾、火焰等传感终端，并配合远程监控平台，实现对博物馆各项环境指标的实时监测与调节，为文物保护提供物联网新技术的思路。
关键词：文物保护;NB-IoT;环境监控;传感器;STM32
中图分类号：TP3 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）17-0239-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Abstract： The adjustment requirement for microclimate in museums determines the importance of environmental monitoring system. Take a solution of museum environment monitoring system for example， this paper describes the NB-IoT technology and its application in the protection of historical relics. Through distributed deployment of temperature sensors， humidity sensors，light，smoke sensors and flame sensors， and with the remote monitoring platform， the real-time monitoring and adjustment of various environmental indicators of the museum can be realized. This provides ideas of new technologies of Internet of things for heritage conservation.
Key words： protection of historical relics; NB-IoT; environmental monitoring; sensor; STM32
2018年9月2日晚，一场大火让有着200年历史的巴西国家博物馆陷入劫难，2000万件珍贵藏品被大火吞噬。博物馆承载着一个国家数千年甚至上万年文明发展史，火灾这类重大事故是对历史文物的毁灭，是对文脉的中断，但是收藏和展出过程中经年累月的不适宜的温度、湿度、光照度、含氧量等等，也都不同程度累积着对文物的伤害。例如：环境湿度，湿度作为单一因素不会对文物有太明显的影响，但是当它与光照、气体联合作用会在文物身上发生化学反应，而温度更会加速这一损伤过程[1]。据统计，截至2017年我国有博物馆4721个[2]，所以对博物馆文物保存环境的控制策略研究，对减轻、减缓文物的损伤有非常积极的意义。
博物馆传统上采用大环境中央空调+小环境适度控制的方法辅以数字化的监控和数据记录。在我国，自2008年陕西历史博物馆建立全国首个无线环境传感监测系统[3]，国内已有多家博物馆对环境进行无线传感器监测。但是系統运行存在着改进需求，对外界环境变化的响应速度慢、可调范围小、通信稳定性差等，特别是全天候运行对传感器和无线收发系统的耗电以及高覆盖的要求。博物馆人流变化的实时波动性很大，而人流带来的温湿度、空气污染影响都需要系统能对环境参数进行实时微调。本文提出的文物保护环境监测系统是利用分布式部署的大量温度、湿度、光照传感器采集文物周边环境的相关数据，通过NB_IoT（Narrow Band-Internet of Things）无线网络传输到监控云平台，进行数据存储和处理，对比不同文物设定的环境参数阈值，远程控制相应环境设备工作。
1 NB_IoT技术概述
NB-IoT是3GPP R13无线接入技术的标准之一，是一种新兴的LPWAN（（Low Power Wide Area Network）技术，它可在现有运营商移动网络授权频谱范围内，提供物联网终端设备的海量接入。上行3.75kHz的子载波带宽，使得其功率谱密度相比于LTE增强17dB，具有更远的覆盖能力。PSM（Power Saving Mode）和eDRX（extended Discontinuous Reception）技术的合力，使得5瓦·时的电池可以续航10年以上。利用LTE网络现有技术和设备，降低部署成本，同时低采样率、半双工的窄带系统也大大降低终端成本。除此以外，还有安全性、大连接等特点，特别适合以大量低速率小包业务为特点的物联网垂直行业应用领域[4]。
2 博物馆环境监控系统架构
环境监控由分布式部署的温度、湿度、光线、甚至火焰等传感终端、NB-IoT无线网络和远端IoT智能云平台组成。各类传感器模块负责测量博物馆环境以及展柜小环境中的温湿度大小、光照强度，以及是否有明火;测量数据通过无线小包形式由NB-IoT无线通信模组、运营商的NB-IoT基站及核心网传输至远端IoT智能云平台。智能云平台负责检测数据的存储和管理，WEB页面可提供用户远程登录查看，可定期提供基于大数据的监控数据分析与展示。进一步开发还可根据设定阈值实现对火警的远程报警，以及馆内调温调湿设备运行的远程控制。
3 博物馆环境监控系统设计
本系统用到的开发工具为STM32CubeMX和MDK5。其中，STM32CubeMX是意法半导体提供的一套功能完善的免费嵌入式软硬件开发工具，此工具支持开发者在STM32的平台上轻松地开展常规的开发应用。它包含两个主要部分：（1）STM32CubeMX图形配置工具，帮助开发者通过图形化界面工具生成C语言工程。（2）嵌入式软件开发包（STM32Cube库），包含ST官方推荐使用的HAL库以及配套的中间件。MDK源自德国的Keil公司，是RealView MDK的简称， uVision5 IDE集成开发环境，是目前针对ARM处理器，尤其是Cortex-M内核处理器的最佳开发工具。
基于STM32CubeMX和MDK5文物保护环境监测系统开发包含以下几个步骤：
3.1 硬件设计
主控制器：STM32L151开发板，CPU为STM32L151R8T6，LQFP64。1 路485 接口，1 路RS232 串口接口，1 个TFT显示模块接口，1 个无源蜂鸣器，一个模拟AD采样电位器，1组5V电源接口，1 个IIC接口温湿度传感器（SHT20），12个IO 口。
火焰传感器：其实是红外接收传感器，可以检测火焰或者波长在760nm～1100nm的光源，普通打火机火焰的测距范围为80cm，火焰越大，测距范围越远。与主控板的IO口相连。
温湿度传感器：SHT20温湿度传感器可以检测周围环境的-40～125℃范围的温度和0%～100%范围的湿度[5]。SHT20传感器的SCL和SDA接口与主控板IO口PB8和PB9相连实现数据的串行收发。
光线传感器：可调节的光线传感器，检测周围环境亮度，超过阈值输出高电平数字输出，或者模拟输出再经由模数转换获得更精确的光亮度值。
近端显示模块：16位真彩色TFT_LCD模块采用SPI方式与STM32L151相连，占用5个IO口，实现传感器采集数据的近端实时显示。
无线通信模块：BC95-B5是一款性能高且功耗低的NB-IoT无线通信模块，工作在中国电信B5频段，上行824MHz～849MHz，下行869MHz～894MHz，发射功率23dBm±2dB，能与各种形式的终端设备进行无线连接，单个小区所支持的用户数理论可达100000 个。
3.2 系统开发
首先，使用STM32CubeMX生成带FreeRTOS操作系统的STM32L151R8芯片的工程文件。其中，配置PC0引脚的ADC采样接口负责连接光照传感器采集数据;配置SPI2负责LCD显示;配置TIM计时器用于发送计时;配置PA2、PA3引脚通过串口2实现处理器与BC95模块之间的通信，BC95模块负责与NB-IoT基站通信;配置PB8、PB9引脚连接SHT20温湿度传感器采集数据。RCC配置使用晶振/陶瓷振荡器的低速时钟（LSE）为RTC提供32.768kHz时钟，以及32MHz高速时钟（HSE）作为系统时钟。创建三个FreeRTOS任务，分别执行传感器数据采集、LCD数据显示、控制器与云平台之间数据传输[6]。
然后，使用MDK打开生成的工程文件并修改Application/User中的文件源代码。在主函数中完成各个模块的初始化，例如：LCD的初始化和清屏、SPI使能、BC95初始化等。用软件模拟IIC读取SHT20的温度数据和湿度数据，并进行数据的转换处理，主函数中通过循环控制函数调用读取温湿度数据。涉及采集数据的近端显示，需要用专用小软件生成需显示汉字的点阵数据，并写入font.h文件，主函数中调用LCD_Show函数，将接收到的传感器測量值经过数值处理，调用HAL库函数实现SPI数据传输，确定显示坐标及字体颜色，逐位显示在近端LCD显示屏上。同时，通过BC95模块将数据传送至电信的IOT平台，此时，操作系统主动查询串口2是否接收到数据，如果有，以中断形式收下，同时调用回调函数，检测接收到的数据中是否有连续的 ：1 （：1是因为在AT指令集中，AT+CGATT？的响应为+CGATT：
IoT云平台的WEB应用是基于ASP.NET和MySQL的动态网页，存储和管理传感终端发送来的数据，并实现实时的可视化呈现。
4 结束语
本文介绍了基于STM32L151R8芯片的NB_IoT技术在博物馆环境监测系统中的应用设计，分析了NB-IoT的硬件设计过程和软件开发方法。租用运行商的云平台，通过开发的动态网页实现博物馆各项监控数据的实时呈现及人机交互控制。传感器、无线收发器件的低功耗和广覆盖，能满足博物馆对监控参数的实时微调的要求。如果能将光线传感器进一步细化成紫外线传感器，增加气体传感器、PM2.5传感器，并且提高传感器的精度，更适合博物馆特殊环境的要求。
参考文献：
[1] 崔巧凤. 馆藏文物保存环境研究的发展与现状[J]. 决策与信息，2015（12）：160.
[2] 2018-2023年中国互联网+博物馆行业商业模式创新与投资机会深度研究报告[R]. 北京：前瞻产业研究院
[3] 唐铭，柳敏，张然，杨琴，吕晓芳. 博物馆环境监控技术现状与前景分析[C]. 北京：《《环境工程》2018年全国学术年会论文集（下册）》，2018.
[4] 田敬波. NB_IoT网络覆盖能力分析[J]. 电信技术，2017.
[5] 盛思锐贸易（深圳）有限公司. SHT20技术手册
[6] 中科四平. STM32L1系列NB_IoT物联网实验手册
【通联编辑：梁书】
