基于窄带物联网的城市环境监测系统设计

徐思燕

（四川工商学院 电子信息工程学院，四川 成都 611745）

0 引 言

随着中国经济迅速发展，中国环境问题越来越突出，导致环境污染的主要原因是大气中含有的大量有害物质[1]。随着生活水平的提高，人们已经意识到生活环境的重要性。因此，利用先进的技术手段加强对环境的监测，分析相关参数，治理和保护环境势在必行。目前，通信技术发展迅猛，例如4G网络、WiFi[2]、GPRS[3]、ZigBee、LoRa[4]、NB-IoT 等，其中NB-IoT相比其他技术具有功耗低、成本低、覆盖广和海量连接等特点[5]，将其融入环境监测能更好地解决布线、传输、监测等方面的问题。因此，本文设计了基于NB-IoT的环境监测系统。该系统以STM32F103RBT6单片机为微控制器，利用传感器测量空气中温湿度、PM2.5和CO等参数，通过BC26模块将采集到的数据上传到云平台，用户可通过网页实时查看环境监测数据。

1 系统结构

图1所示为基于NB-IoT的环境监测系统结构，该系统由信息采集层、传输层和平台层组成。信息采集层通过温湿度传感器、粉尘传感器、CO传感器对环境相关参数进行采集；传输层通过NB-IoT模块将采集的环境数据传输到基站，再通过基站将数据传输到云平台，传输层是信息采集层与平台传递信息的桥梁；平台层接收和显示环境参数，可通过PC机进入相关网页查看。

图1 系统结构

2 硬件设计

硬件系统主要由控制器最小系统电路，温湿度、PM2.5、CO数据采集电路，声光报警电路，电源电路和NB-IoT模块组成，其硬件系统架构如图2所示。

图2 硬件系统架构

2.1 最小系统设计

STM32最小系统由微控制器、复位电路、晶振和电源电路构成，如图3所示。微控制器采用STM32F103RBT6，该芯片具备丰富的外设资源，拥有128 KB FLASH，20 KB SRAM，包含通用的USART、I2C、SPI、CAN、USB接口，工作电压为2.0～3.6 V，工作温度为-40～105 ℃，是一款高性能、低功耗的单片机。该硬件系统使用USB供电。USB供电电压为5 V，而单片机工作电压为3.3 V，因此需经过AMS1117-3.3降压。

图3 最小系统电路

2.2 温湿度采集电路

市场上的温湿度传感器种类多样，本系统选用DHT11。该传感器是一款低功耗、含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[6]，包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，可确保测量数据的可靠性和长期稳定性。该传感器使用单总线通信方式，因此，与单片机通信只需添加4.7 kΩ上拉电阻即可。温湿度采集电路如图4所示。

图4 温湿度采集电路

2.3 PM2.5采集电路

目前市场上用于检测空气中PM2.5的传感器主要分为红外型和激光型，本系统选用一款光学灰尘监测传感器GP2Y1014AU。该传感器监测粒子最小直径为0.8 μm，输出的模拟电压正比于所测粉尘浓度，其电路如图5所示。

图5 PM2.5采集电路

2.4 CO采集电路

本系统选择MQ-9传感器[7]（采用高低温循环检测方式低温检测CO）采集CO浓度，这款传感器对CO检测灵敏度较高，寿命长，成本低，驱动电路简单。CO采集电路如图6所示。

图6 CO采集电路

2.5 报警电路

本系统硬件部分带有声光报警模块，该模块由三极管、蜂鸣器和发光二极管组成，当城市环境中的某些环境要素不符合城市环境标准时，系统发出声光报警提醒该城市区域相关人员采取必要措施。声光报警电路如图7所示。

图7 声光报警电路

2.6 通信电路

NB-IoT通信的实现采用BC26模块。BC26是一款高性能、低功耗、多频段无线通信模块，该模块可提供丰富的外部接口和协议栈。BC26模块自带供电电源，与微控制器只需进行串口连接即可通信，其电路和实物如图8所示。

图8 BC26模块通信电路和实物

3 软件设计

环境监测系统软件设计主要分为主程序和模块程序的设计，其中主程序是对系统和各模块初始化，然后对各环境数据进行采集并通过NB-IoT上传到云平台，当采集数据超过预设值时进行声光报警，其主程序流程如图9所示。

图9 主程序流程

3.1 温湿度程序设计

DHT11与微控制器间的通信方式为单总线通信，控制器读取该传感器温湿度数据的流程如图10所示。DHT11传输的数据为5 B，其中温湿度整数和小数各占2 B，校验位占1 B，数据从高位开始发送给主机。

图10 读取温湿度程序流程

3.2 模数转换程序设计

红外粉尘传感器和CO传感器采集的数据为模拟信号，需将模拟信号经过A/D转换为数字信号，经控制器处理后上传云平台。STM32内部资源带有A/D转换器，转换流程如图11所示。

图11 模数转换流程

3.3 BC26模块程序设计

BC26模块采用MQTT协议将环境数据上传至阿里云物联网平台，其中设备注册、指令下发和数据上传均通过串口发送AT指令控制，具体流程如图12所示。

图12 BC26模块工作流程

3.4 阿里云平台搭建

环境监测数据平台使用阿里云物联网平台，该平台支持多网络、多协议、多地域设备快速接入，设备管理，监控运营和安全传输。每个用户可通过支付宝或自行注册帐号登录阿里云平台，然后进入管理控制台，建立产品与设备间的连接。

4 系统测试

4.1 硬件测试

系统上电后，若控制器运行指示灯、NB-IoT模块指示灯和环境传感器指示灯均亮，表明系统正常工作且系统初始化成功，效果如图13所示。

图13 硬件系统测试效果

4.2 数据测试

系统正常运行时，按照系统要求下载程序，系统每隔一段时间向云平台发送一组环境参数数据，可通过串口助手查看系统数据发送成功后返回信息的情况，也可查看云平台环境参数是否更新，如图14所示。

图14 系统数据包发送情况

通过PC进入云平台界面，可查看环境参数，如温湿度、PM2.5和CO等，如图15所示。通过数据传输测试中串口数据与云平台接收数据的对比，可知系统通信正常。

图15 云平台界面

5 结 语

针对目前环境污染问题，本文实现了基于NB-IoT技术的环境监测系统。系统可提供环境温湿度、PM2.5、CO等信息的实时监测和查看功能，当测量数据超过预设值时发出声光报警。该系统与传统方案相比部署更方便，成本更低廉，采用无线通信方式监测范围更大，可视化界面更直观。