基于NB-IoT物联网的广播电视台站安防系统门磁设计

2020-09-17邓广球赵小寒

视听 2020年9期

□ 邓广球赵小寒

一、引言

物联网技术的发展为掌握无人值守台站和重要播出台站安防情况提供了新的思路。物联网应用需要考虑的因素有很多，例如节点成本、网络成本、电池寿命、数据传输速率(吞吐率)、延迟、移动性、网络覆盖范围以及部署类型等。NB-IoT和LoRa两种技术具有不同的技术和商业特性，所以在应用场景方面会有不同。NB-IoT可以直接部署于GSM网络、UMTS网络、LTE网络，在同样的频段下，是一种基于蜂窝的窄带物联网的新兴技术，也被称为“低功耗广域网”，相对LoRa采用的是网关通信，NB-IoT无须另配网关，即可实现手机APP端、PC端的管理。从通信费用考虑，LoRa通信无需付费，但是前期部署网关需要费用，适用在节点密集型地区使用。NB-IoT在现有的网络下，流量包年，以很低的费用可以实现数据通信，非常适合在数据量比较少的零星节点使用。综合考虑，本系统选择采用NB-IoT实现低功耗门磁安防系统。

图1是安防门磁监测系统结构图，在需要监测的台站门头内侧或者外侧安置NB-IoT门磁，台站门磁通信或状态数据通过NB-IoT基站上传至门磁服务器，值班人员或者管理人员可以通过各种终端接入服务器进行数据查询。测试结果表明，该系统实现了传输距离远、覆盖范围广、功耗低以及能够实时获取监测数据的设计目标。

图1 安防门磁监测系统结构图

本文将从硬件设计以及服务端程序开发等几部分来介绍。

二、基于NB-IoT物联网门磁硬件设计

本设计采用低功耗系列芯片STM32L031F6P6作为控制芯片，LPM2100作为通信芯片。STM32L031F6P6非常适合电池供电或者供电来自能量收集的低功耗应用场景；LPM2100模块是上海域格公司开发的一款多频段NB-IoT物联网无线通信模块，具有低功耗、高性能、低成本的优势。

本设计采用3.3V电池供电。LPM2100与STM32L031 F6P6采用TTL电平的串口连接，不通信时STM32L031F6P 6进入STOP模式。当STM32L031F6P6被定时器或者外部串口或者外部中断唤醒时，它根据设定时间间隔，依次读取干簧管和防拆开关状态。STM32L031F6P6控制LPM2100连接服务器并发送状态数据，实现数据通信。当门磁模块在睡眠状态时，干簧管或者防拆开关中有一个状态被改变，则通过中断唤醒单片机控制LPM2100连接服务器并发送状态数据，实现数据通信。

门磁模块电路框图见图2。

图2 NB-IoT门磁模块电路框图

三、单片机低功耗程序设计

图3是门磁模块程序流程图，程序设计采用的是KEIL C软件。系统经过RTC和定时器初始化后进入主循环。如果没有到定时器唤醒喂狗的时间间隔，单片机进入低功耗模式，低功耗模式设置为RTC、串口和外部中断3种唤醒模式，RTC唤醒时间间隔为25秒，系统唤醒后重新进行时钟设置和喂狗，防止程序因为看门狗（IWDG）长时间没喂而复位。

单片机低功耗的软件设置方法为：在进入STOP模式前对外设进行设置，未用引脚要设置成模拟输入状态，但用于中断唤醒的引脚不能设置为模拟输入状态，串口输入引脚需要设置为输入状态，并且开启对应的中断。退出STOP模式后要恢复时钟、恢复各外设状态。外围电路设计上也要综合考虑才能使模块功耗最低。

四、门磁端通信协议

LPM2100与单片机之间是通过串口收发AT指令进行数据通信，LPM2100与服务器之间通信协议是LwM2M，属于应用层协议，通过UDP方式传送，协议数据直接采用字符串的形式发出。LPM2100在通信之前先需要在服务器上注册，这样才能使服务器唯一识别设备。发送时 UDP流程为：（1）测试服务器是否联通；（2）创建 UDP Socket连接；（3）发送UDP 数据；（4）关闭UDPSocket连接。