基于NB-IoT的低功耗结构可配置智慧卫生间蹲位节点设计

张弘俊 何乐生 李明悦 龚友梅 陈佳升

摘 要：在国家智慧旅游战略与“一机游”应用等背景下，卫生间蹲位的监测尤为重要。为解决人们出行中找到亟需使用的卫生间较为困难，部分星级景区卫生间无法市电供电等问题，提出“结构可配置”方法结合NB-IoT技术、硬件、软件设计出5种低功耗工作模式，使节点可根据平台统计分析结果自适应工作在不同的功耗模式下。“一机游”找厕所的功能实践表明，文中提出的方法能提高“智慧卫生间”的覆盖率，满足功耗需求，提供高效的寻找卫生间的服务。

关键词：NB-IoT;物联网;LPWAN;智慧卫生间;传感器;无线通信

中图分类号：TP391;TN020.5文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-05

0 引 言

中国国家旅游局发布了新的三年计划：从2018年至2020年，全国计划新建、改扩建旅游卫生间6.4万座，其中新建4.7万座以上，改扩建1.7万座以上。在国家智慧旅游战略与“一机游”应用等背景下，所谓“卫生间革命”绝不仅仅是盖房子那么简单，让卫生间从望之却步的简陋场所，逐步升级为兼具卫生整理、休息乃至审美、商业、文化等功能融合的新空间，才配得上“革命”二字[1]。

董光光[2]研究了智慧卫生间的理论建设方法，发现卫生间联网后能给人们出行带来极大便利。陈石波[3]研究了一种基于STC单片机的卫生间蹲位监测方法，介绍了基于单片机如何在本地卫生间门口显示当前卫生间使用情况的方式。张峰[4]提出了卫生间联网后的数据处理手段、方法。以上方法都未在真正意义上赋予卫生间“智慧”，或者都只是理论方面的研究。为实现卫生间的“智慧”，须把卫生间联网，实现数据共享与数据分析，因此感知与联网不可忽视。

现有寻找卫生间的主要方法为使用地图软件寻找，但该方法只能找到目标点，而不清楚目标点的实际使用情况。根据“一机游”对卫生间分布情况和实际使用情况的研究可知，目前云南多数景点的卫生间监测设备只能电池供电。为降低系统开发与部署成本，实现同一软件、硬件平台的兼容，本文提出了“结构可配置”方法，该方法通过硬件配置软件确定节点的功能类型和供电方案。软件配置硬件的工作模式使功能节点工作在多种低功耗模式下，以适应不同的应用环境，满足不同的功耗需求。使用红外热释电传感器来监测每个蹲位的使用情况，通过低功耗NB-IoT无线通信模块把卫生间信息上报云平台，设计出基于NB-IoT结构的低功耗智慧卫生间系统节点。尽早实现具有全面覆盖、安装部署简单、开发周期短等特点的“智慧卫生间”。

物联网应用中，无线通信技术主要包括RFID，Bluetooth，WiFi，ZigBee，LoRa，GPRS，NB-IoT。NB-IoT是基于蜂窝网络的窄带物联网技术，在同样带宽频段下，增益超过20 dB，覆盖面积可扩大100倍，连接能力强，单个小区内可连接5万台设备。同时，NB-IoT技术的低成本、低功耗性能突出，其在物联网应用中具有很大优势[5-6]。

1 系统结构

系统组成如图1所示。

结构一（图1）：系统由多节点系统采集器、NB-IoT基站、物联网平台、云服务器、手機应用组成;

结构二（图2）：系统由单节点系统采集器、NB-IoT基站、物联网平台、云服务器、手机应用组成[7]。

两种结构下的数据都由NB-IoT无线通信模块通过NB-IoT基站、物联网平台与云服务器传输、处理，最终显示到手机应用软件。

系统结构如图2所示。系统节点可通过拨码开关配置为多节点系统采集器或单节点系统采集器，其中结构一模式下多节点系统采集器功能节点包含NB-IoT功能节点1和NB-IoT功能节点2，这两类功能节点对功耗较为敏感，使用双D触发器，超低IQ升压转换器，LDO，低功耗单片机，低功耗NB-IoT无线通信模块，低功耗热红外热释电传感器，结合相应软件设计出5种低功耗工作模式。为降低系统节点的功耗，节点可以根据平台统计分析结果，自适应工作在不同功耗模式下。结构二模式下，单节点系统采集器功能节点包含NB-IoT功能节点。

三种功能节点使用同一硬件电路，每个功能节点所使用的传感器不相同，硬件主要包含低功耗单片机、NB-IoT无线通信模块、低功耗电源电路、相关外围电路。通过3位拨码开关选择系统采集器的功能节点类型以及相关硬件电路模块、软件模块。结构可配置设计，在部署功能节点时拨动拨码开关、拨动开关，连接对应模式下的传感器，安装部署简单、方便。

无电源供电区域的卫生间部署结构一系统采集器，在有电源供电的地方部署结构二系统采集器。结构一系统中，NB-IoT功能节点1上报卫生间的人流量信息、卫生间地理信息、卫生间适用性别、功能节点类型等;NB-IoT功能节点2上报每个蹲位的使用情况及卫生间地理信息与功能节点类型。结构二系统中，NB-IoT功能节点3上报该卫生间的人流量信息、卫生间地理信息、卫生间适用性别、每个蹲位的使用情况、功能节点类型。通过单片机程序处理后把卫生间信息通过NB-IoT无线通信模块上报到物联网平台，待数据从系统采集器上报到物联网平台后，物联网平台将数据推送到云服务器。使用者使用手机选择同行性别及人数提交查询时，服务器应用程序根据查询条件把符合条件的周边路线和使用情况推送到手机，使用者可根据相关信息选择合适的卫生间，跟随导航前往目的地。

2 系统节点硬件设计

硬件配置软件时可通过拨码开关控制系统节点的工作模式，拨动开关选择相应工作模式下的供电方案。使用双D触发器控制DC-DC，LDO电源的使能，以便控制不同模块的电源。

NB-IoT功能节点硬件包括嵌入式处理器最小系统及其外围通信电路、NB-IoT无线通信模块外围电路、电源电路、扩展功能及传感器接口电路。如图3所示，低功耗单片机STM32L4、电源电路、NB-IoT通信模块电路为两种系统结构下的公共部分。低功耗单片机STM32L4，BC20，低功耗热释电传感器均可通过传感器中断唤醒，这使得单片机和BC20可以工作在极低的功耗模式下。

2.1 NB-IoT功能节点低功耗电路设计

系统的功能节点电源使用三种方式供电，分别为锂亚硫酰氯电池、9～17 V直流电源、5 V USB电源。

嵌入式处理器选用ST公司基于ARM的32 bit Cortex-M4内核的STM32L479RG，工作电压为1.71～3.6 V，其拥有7种低功耗模式，5个外部唤醒引脚，可在极低功耗模式下被唤醒。在多节点系统中，红外热释电传感器连接到WKUP4和WKUP5。处理器拥有1个低功耗串口LPUART1，5个通用USART，其中低功耗串口用来连接与之频繁通信的BC20模块，以降低功耗。

BC20是上海移远通信技术股份有限公司基于MTK的MT2625平台设计的NB-IoT无线通信模块，它是一款高性能、低功耗、多频段、支持GNSS（北斗、GPS、QZSS等）定位功能的NB-IoT无线通信模组，其提供了丰富的外部接口和协议栈，支持中国移动 OneNET、中國电信IoT、华为 OceanConnect、阿里云物联网云平台。模块的工作模式分为三个部分，即AP，Modem和模块系统，该模式有效降低了无线通信模块的功耗[8-9]。深度睡眠模式下电流为3.7 μA，GNSS电源打开时无线模块耗流为110 μA，电源供电峰值为500 mA。

结构一系统采集器采用锂亚硫酰氯电池（ER34615电池）+SPC1550锂离子电池电容器组合而成的复合电源。该复合电源的额定容量为19 A·h，额定电压为3.6 V，最大脉冲电流为3 000 mA。BC20电压范围为2.1～3.63 V，为确保电源供电性能，在靠近模块VBAT输入端并联一个低ESR型0.7 Ω的100 μF钽电容，以及100 nF，100 pF和22 pF的滤波电容。同时，在靠近VBAT输入端连接一个TVS管以提高模块的浪涌和ESD承受能力。为满足BC20供电和低功耗应用需求，使用DC-DC-3.3 V模块（TI的TPS61099升压斩波器）给BC20及其外围设备供电，其静态电流为1 μA。TPS61099主要应用在手持设备、电池供电系统中。

结构二系统采集器使用DC-DC-5 V（采用TI的TPS562200 DC-DC转换芯片）模块将9～17 V直流电源电压降到5 V，其可提供3 A电流，其静态电流小于10 μA。LDO-3（AMS1117-3.3）把5 V电压稳定在3.3 V，为嵌入式处理器外围电路、BC20外围电路、传感器等供电。

通过S1，S2拨动开关配置两种不同结构下的供电电源切换方案。无论多节点系统还是单节点系统都同时使用LDO-1、LDO-2（TPS70930DBVR）分别给MCU和红外热释电传感器供电。红外热释电传感器电流偏大，为适应不同使用场景，选择两个低静态电流LDO分别供电。MC14013B双通道D触发器控制TPS61099和TPS70930DBVR的使能端，MC14013B的静态电流仅约5 nA，这样能够使用软件来配置BC20及其外围电路、MCU外围电路的供电。软件和硬件配置条件下设计出5种低功耗模式。卫生间是一个涉及个人隐私的地方，为防止设备被更换或者被盗，使用按键中断唤醒MCU方式上传报警消息。

2.2 NB-IoT功能节点嵌入式处理器及无线通信电路设计

如图2所示，结构一系统中，两个低功耗红外热释电传感器分别连接WKUP4和WKUP5，当系统采集器工作在功能节点1模式时，用来监测人流量;当工作在NB-IoT功能节点2模式时，用来监测每个蹲位信息。结构二系统中，单节点系统采集器有两路RS 485转换电路，定义USART2转RS 485一路采集器连接到男卫生间，USART3转RS 485一路采集器连接到女卫生间。USART5通过SP3232EEA电平转换芯片与微型PC机连接，把卫生间数据传输到微型PC，处理后驱动液晶屏显示。

NB-IoT无线通信模块电路和GNSS天线端口都有50 Ω特性阻抗[10]。GNSS天线根据使用场景设计为有源天线，使用时更为灵活。为了能够更好地调节射频性能，为天线电路预留匹配电路。PCB设计中，所有的射频信号线的特性阻抗应控制在50 Ω。

3 物联网节点软件设计

软件配置硬件，嵌入式软件读取3位拨码开关的电平来配置系统节点功能类型，数据上报成功后物联网平台下发配置指令，通过配置指令配置相关硬件使功能节点工作在不同的低功耗模式下。

NB-IoT功能节点的数据上报和接收见表1、表2所列。上报数据中两字节字符帧头为功能节点类型，即MF为功能节点1，MP为功能节点2，SN为功能节点3。在系统结构一模式下，为实现软件配置硬件以降低系统采集器功耗，采集器模块发送本地信息后接收平台的统计数据。接收数据中使用的频度信息包含了平台统计的一段时间内该蹲位使用频率最高的时间段。RTC中断时间配置包含时、分、秒等信息。PWR_FLAG为该蹲位使用时间统计标志，PWR_FLAG默认值为1;服务器统计有1.2天无人访问该蹲位时，PWR_FLAG值为2;8.4天以上无人访问该蹲位时，PWR_FLAG值为3。平台根据使用频度信息和PWR_FLAG等信息决定是否使能夜间模式，该模式下LDO-2失能，可降低传感器功耗。

在两种系统结构模式下，NB-IoT无线通信模块的低功耗配置可通过APN相关参数的配置来实现。针对不同的业务场景，NB卡提供多种特殊定制的APN，电信NB卡默认签约Ctnb，移动NB卡APN为CMNBIoT。不同系统结构下选择不同的APN参数，变更APN或TAU定时器操作时，只需重新附着网络就会给终端下发新的APN配置参数[7-8]。功能节点初始化时，通过AT指令查询无线通信模块NB卡所属运营商，根据不同运营商的APN配置信息表。配置电信卡时设备APN为ue.prefer.ctnb，可通过相关AT指令设置T3324，T_eDRX，T_PTW时间。

嵌入式软件通过判断拨码开关的电平来配置两种结构下系统节点的功能类型。MCU外设根据功能节点类型进行初始化，以满足不同结构下系统的功耗需求。初始化成功后，结构一模式下系统功能节点未检测到相应红外热释电传感器中断或者RTC中断时，将根据功耗模式标志位进入对应低功耗模式;检测到中断唤醒时，立刻上报数据，确定功耗标志位数据后进入相应功耗模式。结构二模式下系统功能节点循环判断RS 485采集器蹲位信息数据，数据发生变化时按照表1中的数据帧格式上报。

结构一模式下功能节点低功耗模式转换如图3所示。该结构下，数据上报成功后物联网平台下发功耗配置指令，配置相关模块电源进入低功耗模式。低功耗模式转换命令为夜间模式与PWR_FLAG组成的十六进制配置指令（Work_Mode<<4&PWR_FLAG）。系统首先进入低功耗模式1，当NB-IoT功能节点从该模式唤醒后，判断若夜间模式字节数据值为1，则进入低功耗模式1-1，RTC_Flag默认值为0;PWR_FLAG为2时NB-IoT功能节点进入低功耗模式2，RTC_Flag为1时节点进入低功耗模式2-2;PWR_FLAG为3时进入低功耗模式3，该模式下RTC唤醒功能节点，通过判断使用频度信息是否有效来确定功能节点的工作模式。使用频度信息有效则系统配置RTC相关寄存器后进入低功耗模式2。系统采集器为功能节点1或者2时，空闲状态下进入多节点系统低功耗模式。结构二模式下，单片机循环接收串口数据并判断数据变化，当数据变化时通过BC20无线通信模块上报服务器。该模式下，系統功耗对使用的影响不大，不必通过软件配置硬件功能节点工作在低功耗模式下，但可预留数据接收功能，接收的数据可以做为广告或者提示信息发布在微型PC液晶显示器。STM32L4串口USART5把平台发送的数据和接收到的卫生间状态信息发送到液晶显示器显示。

4 测试结果

表3所列为结构一模式下功能节点1各低功耗模式下测得的模块电流。实际测试时在四楼室内，NB-IoT无线通信模块附着到网络连接物联网平台的平均时间为15 s，平均电流为130 mA。若低功耗节点工作在低功耗模式1超22 h未检测到有人，则平台自动发送命令控制设备切换到低功耗模式2;如果超6.2天未检测到有人，则设备进入低功耗模式3。

根据“一部手机游云南”相关统计数据可知，云南省拥有旅游厕所5 000余座，其中22.3%的卫生间处于无法市电供电状态。目前，已上线智慧卫生间736座，游客使用次数超100万次。

通过实验结果可以证明本系统节点软件配置硬件、硬件配置软件的方法实现了低功耗结构可配置的目的，同时系统在结构一模式下功能节点的功耗完全能够在电池供电情况下长久工作。使用该方法完成的功能节点部署设计能够有效提高卫生间的使用率与“智慧卫生间”的覆盖率，并满足其功耗需求，为亟需如厕的人们提供有效的寻找卫生间服务。

5 结 语

厕所建设供给不足、质量不高是我国旅游发展公共服务建设最薄弱的一个环节。随着智慧城市与“一机游”的发展，以及人们生活水平的提高，人们对出行效率、卫生间品质的要求随之提升。利用物联网技术实现对卫生间使用情况以及环境的监测是提高出行效率和改良卫生间环境的重要手段。低功耗结构可配置的方法完全能够解决当前卫生间所面临的难题。

参考文献

[1]侯海风.NB-IoT关键技术及应用前景[J].通讯世界，2017，24（14）：1-2.

[2]董光光.基于物联网技术的智慧厕所系统设计[J].广西科学院学报，2017，33（1）：71-74.

[3]陈石波.基于51单片机的公厕蹲位显示系统设计与实现[J].重庆师范大学学报（自然科学版），2013，30（3）：89-93.

[4]张峰.智慧公共卫生间平台的设计与研究[J].设计，2019，32（13）：133-134.

[5]吴晓斌.基于NB-IoT的窨井盖及井下工况远程监控系统设计[D].太原：中北大学，2018.

[6]许剑剑.基于NB-IoT的物联网应用研究[D].北京：北京邮电大学，2017.

[7]王明浩. 基于智慧城市建设的NB-IoT应用研究[J]. 物联网技术， 2017，7（7）：79-82.

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[9]宋永华，林今，唐明，等.基于广域低功耗网络的能源物联网[J]. Engineering，2017，3（4）：67-82.

[10]徐业鹏.NB-IoT节点的低功耗运行研究与设计[D].银川：宁夏大学，2018.