基于NB-IoT技术的低功耗空气质量监测系统
2020-08-31王亚磊胡佳铭楼继铖刘南燕周琪潘庭龙
王亚磊 胡佳铭 楼继铖 刘南燕 周琪 潘庭龙
摘 要：目前市场上广泛应用的空气质量监测系统大多以短距离通信技术为基础，该类系统通信距离短、功耗大。鉴于此，文中以STM32為核心，基于传感器检测、NB-IoT无线传输、APP远程监控等技术，研发了一种基于NB-IoT技术的低功耗空气质量监测系统。该系统由空气质量监测终端、APP组成。系统中各传感器负责搜集信息，通过NB-IoT模组上发至云平台。APP从云平台获取数据，处理后在APP界面显示，并通过APP向系统发送控制命令，以实现空气质量的远程监测和显示功能。
关键词：NB-IoT;空气质量;远程监测;云平台;STM32;智能感知
0 引 言
空气是人类和其他生物赖以生存的基础。但如今工业高度发展，交通运输行业日渐壮大，每时每刻都在向空气中排放大量的污染气体，使得原有空气的正常组成发生变化，进而对人们的身体健康产生不利影响。因此对空气质量进行及时检测，对污染气体采取有效措施迫在眉睫[1]。
目前，国内空气质量监测市场主要为基于ZigBee的室内环境监测系统[2]，基于WSN的室内环境监测系统[3]和基于ARM技术设计研发的室内环境监测系统[4]。这些系统通信距离短，功耗大，无法运用到信号较弱的地区。相比蓝牙，WiFi，ZigBee等短距离通信技术，NB-IoT具备广覆盖，可支撑海量连接，更低功耗，更低成本等突出优势[5]。在对空气质量越发重视的今日，基于NB-IoT技术的空气质量监测系统具有广阔的市场前景。
1 系统总体方案设计
本文设计的系统主要能够实现对室内环境中各项指标的定时采集。包含温湿度采集、PM2.5含量采集、甲醛含量采集、天然气含量检测，并将上述采集到的信息经过处理后传送给手机APP，从而实现在手机上实时远程监控空气质量。该系统由空气质量监测终端、APP监测端组成。空气质量监测终端由DHT11传感器、GP2Y1014AU粉尘传感器、ZE08-CH2O甲醛模组模块、MQ-4环境信息传感器、BC35-G无线传输模块、微处理器模块STM32等构成。APP监测端由一款Android软件构成，待STM32搜集信息后通过BC35-G将搜集的信息上传到云平台，之后将处理的信息上传至手机APP，使用户可以通过手机APP对室内环境进行实时远程监测。系统组成如图1所示。
1.1 数据采集模块
1.1.1 温湿度采集
本文采用DHT11传感器进行温湿度采集，其连接原理如图2所示。DATA用于微处理器与 DHT11之间的通信和同步，采用单总线数据格式，与STM32中的PB7管脚相连。
1.1.2 PM2.5含量采集
将GP2Y1014AU粉尘传感器作为PM2.5传感器，该传感器利用光敏原理，通过输出电压的脉冲模式来检测房间内的烟雾与空气中的细微颗粒[6]。PM2.5含量采集电路如图3所示，其由单片机的PA6口读取数据。
1.1.3 甲醛含量数据采集
采用ZE08-CH2O甲醛模组进行甲醛含量的数据采集，并输出与甲醛浓度相符的模拟电压。甲醛含量采集连接电路原理如图4所示。甲醛传感模组ZE08-CH2O的第3个引脚接地，第4个引脚接5 V电源，第5个引脚接STM32的PA5端口，STM32通过PA5端口接收模组的数字信号。
1.1.4 天然气含量检测
采用MQ-4进行天然气含量检测，其原理如图5所示。图中第1管脚接+5 V，第4管脚接地，AOUT管脚接STM32的PA7管脚，STM32通过PA7端口接收传感器的模拟信号。
1.2 NB-IoT通信模组
本系统选用BC35-G系列通信模组。相比BC95，BC35-G系列在定位、移动性、功耗等方面的性能均得到提升。BC35-G功耗低，支持 B1/B3/B5/B8/B20/B28多个频段[7]，其连接原理如图6所示。
为了确保良好的ESD防护性能，在外部USIM卡的引脚增加TVS管。SMF05C是TVS管阵列，由5个TVS二极管组成[8]。在模块和外部USIM卡之间串联22 Ω的电阻用以抑制杂散EMI，增强ESD防护[9]。在USIM_DATA，USIM_VDD，USIM_CLK和USIM_RST线上并联电容用于滤除射频干扰，通过TTL串口与STM32相连。
1.3 主控电路模块
STM32L431RCT6是一种超低功耗微控制器，以高性ARM Cortex-M4 32位RISC内核为基础，具有64 KB的SRAM，FLASH ROM高达256 KB，工作频率达8 MHz，能够在-40～85 ℃的温度范围内运行，具有低功耗、低成本、高可靠优点。单片机最小系统如图7所示。
1.4 供电模块
供电模块采用7.2 V可充放电的锂电池供电，由LM2940和AMS1117两款降压芯片将电压降到其他模块需要的5.0 V和3.3 V。LM2940是低压差三端稳压芯片，输出电压为5 V，输出电流[10]为1 A。AMS1117内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择[11]。这套电路契合系统低功耗的设计理念，使产品更便携。图8所示为供电模块的电路设计。
2 系统软件设计
软件设计主要包括APP界面设计、信息发送与搜集等。首先对质量监测终端进行调试，使传感器工作，实时获取室内的环境信息，并通过NB-IoT上传至云平台，APP通过云平台获取数据后显示在其界面上。
2.1 通信程序设计
传感器采集的信息经过STM32处理后由NB-IoT将信息上传至远程服务器。本设计采用的无线传输模块为BC35-G。
如图9所示，单片机通过NB-IoT传输到数据库的信息主要分为4种，即温湿度含量、甲醛含量、PM2.5指标、天然气含量。为这4种信息加上记号，便于分辨。温湿度含量标记为“D”，甲醛含量标记为“C”，PM2.5含量标记为“B”，天然气信息标记为“A”。通过辨别这4种信息的记号，使得服务器能够对不同的信息分别进行处理。
2.2 APP软件设计
APP的制作基于Android Studio平臺。该款软件分为UI模块、数据获取模块、数据存储与处理模块等，实现了实时室内温湿度监控、室内烟雾报警、室内甲醛浓度监控的可视化功能。在UI模块，运用文本框组件
本软件的工程文件分为2个模块，APP模块包括manifests子目录，用于存放APP的运行配置文件AndroidManifest.xml;Java子目录用于存放APP的Java代码文件;res子目录用于存放APP的资源文件。编译配置模块包含文件build.gradle，用于存放工程的编译配置文件。Proguard-rules.pro文件用于描述Java文件的代码混淆规则。
APP设计流程及界面设计如图10，图11所示。
3 结 语
本文旨在研究一种基于NB-IoT的室内环境监测系统，以满足现阶段的生活需求。其特色在于相比其他通信方式，NB-IoT信号功耗低、穿透能力强、成本低、稳定性高。文中对数据的搜集，信息的传送，以及对APP的结构和功能进行了具体设计。该系统功能完善，通过硬件与软件的配合，人们能够方便地在APP端实时监测室内环境，从而对异常情况做出及时反应。
参考文献
[1]佚名.Q&A有问有答[J].标准生活，2013（3）：78-82.
[2]汪雷.基于ZigBee的室内环境监测系统设计研究[J].江苏理工学院学报，2018，24（2）：14-19.
[3]魏玉婷. 基于WSN的室内环境监测系统[D].镇江：江苏科技大学，2016.
[4]宋高峰. 基于ARM单片机的空气质量检测系统研究[D].长春：吉林大学，2018.
[5]杨继东，吕蒙.基于NB-IoT/GPS技术的电动车综合管理项目的网络搭建及测试保障[J].河南科技，2018（17）：31-34.
[6]叶金晶，周健，乔颖硕，等.基于Arduino的PM2.5和温湿度实时检测器设计[J].传感器与微系统，2016，35（8）：67-69.
[7]李艳娇.基于NB-IoT的小区智能路灯监控系统的设计与实现[D].上海：上海师范大学，2019.
[8]赵柳.基于0.6 μm CMOS工艺ESD保护器件研究[D].成都：电子科技大学，2017.
[9]张弛.智能家居中家电远程监控系统的设计与实现[D].南京：东南大学，2013.
[10]刘艳艳.基于嵌入式的智能家居监控系统[J].电子世界，2017（24）：112-113.
[11]孙英，赵丹枫，李雪，等.MSP430单片机终端控制的智能静脉曲张预防仪设计与实现[J].实验室研究与探索，2019，38（11）：120-124.
