基于NB-IoT的道路施工环境监测的低功耗分析与设计

韩伶俐

(安徽三联学院 交通工程学院，安徽 合肥 230601)

交通工程专业是安徽三联学院交通工程学院重点建设的省级振兴计划专业，也是协同我校计算机工程学院和电子电气工程学院，作为信息传输-智能监控-交通工程等多学科交叉的新工科建设的专业，其培养方向为：道路施工与养护、监理与造价。在修订人才培养方案调研过程中，发现道路施工时的影响因素有很多。比如光照度、温湿度、气压等对施工的影响，比如施工时对环境噪音、水质等因素的影响等。

1 存在问题及解决方法

在道路施工领域，当前市场上的物联网技术都还无法得到广泛使用。Zigbee技术虽然功耗和成本低，但是通信距离短，连接数量受限。蓝牙技术通信距离短，功耗太高。GSM模块覆盖强度低，某些环境下没有信号[1]。4G模块价格高，流量资费贵，维护成本也居高不下。种种原因导致目前应用于道路施工的物联网产品举步维艰，迟迟无法得到突破性的发展。道路施工的特点是距离远、覆盖面积广泛，发送数据量小，对延迟要求不高，低成本，长寿命(数年不需要更换电池和维护)。

而最新的窄带物联网技术NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)，它的特点就是：低成本，长寿命(当然这对于电池寿命也提出了新的要求)，低功耗，对延迟不敏感，不需要实时关注，数月甚至数年不需要人力干涉检修。这无疑正好契合智能控制的需求，将完美解决目前其他技术存在的诸多问题。

NB-IoT的覆盖半径约是GSM/4G的4倍，模块功耗和模块成本却低于GSM和4G，这使得高通、英特尔、华为、中兴等上游企业纷纷推出NB-IoT芯片，同时在全球已经有超过30家通信运营商在部署NB-IoT[2]。

2 设计思路

基于NB-IOT的道路施工环境监测系统将设计一种基于STM32和NB-IoT的道路施工监测系统。通过对NB-IoT技术的发展优势，通讯协议以及数据传输流程等内容的分析，详细介绍了监测系统的终端节点的实现方案，整体组成架构，以及每个功能模块的硬件电路和软件处理流程，并结合STM32关键部分的代码解析来完成基于NB-IoT和STM32单片机的监测系统的设计，功能特点，联网处理过程。

基于NB-IOT的道路施工环境监测系统的软件设计思路如图1所示。

图1 软件设计

为了实现超低功耗，本系统在MCU功耗管理方面设置了低功耗处理程序。STM32L4系列进入停止模式的库函数为：

PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower,PWR_STOPEntry_WFE);

停止模式下，MCU被再次唤醒之后，时钟和频率是没有经过倍频的，本项目中，唤醒之后，MCU是8MHz频率运行，而我们的程序要求正常运行是72MHz。所以，在唤醒停止模式之后，还需要重新配置时钟[3]。

进入停止模式之前，可以将所有负载的电源开关关闭，让所有端口进入输入模式，AHB，APB1，APB2总线可以选择性的关闭。同时，需要关闭看门狗，否则，看门狗程序会打断停止模式。

在个别对于功耗要求苛刻的应用上，还可以采取降低MCU时钟频率的方法，降低数据处理和传输的速度。

同时，还针对NB-IoT的主要特点，结合实际使用过程中的重要参数的测试，来对比分析NB-IoT技术在监测系统应用中的独特优势。

(1)研究NB-IoT和当前主流物联网技术的关联和区别，分析NB-IoT的组织架构，协议特点，安全机制等核心技术。

(2)研究了NB-IoT在广覆盖、低功耗、低成本、大连接量方面的优势及其工作原理。

(3)设计一种基于NB-IoT的施工现场的定位、以及光照度、温湿度、气压、噪音及水质等影响因素的实时数据进行在线监测。包括监测系统的终端节点的实现方案，整体组成架构，以及每个功能模块的硬件电路和软件处理流程，完成数据的采集以及联网处理功能。

(4)制作节点实物样品，并对关键参数进行测试，分析NB-IoT技术在监测系统应用中的独特优势。

3 可行性分析

对于光照度、温湿度、气压、噪声及水质等相关因素超标的数据会通过湿度、光照、水质等传感器进行自动采集，再通过网络将采集到的数据传输到手机APP及电脑端，实现远程监控，可以随时掌控环境发生的变化。

基于NB-IOT的道路施工环境监测系统设计的基于NB-IoT低功耗道路施工环境监测系统，将采用低静态电流的电源芯片，ARM Cortex-M4内核的32位低功耗单片机，通过NB模块实现NB-IoT网络连接，并结合温湿度、光照、水质等传感器，采集道路施工关键数据并进行联网传输，实现智能化道路施工监测。