基于NB-IoT 和ZigBee 的实验实训环境监测系统设计★

陈旭东

（闽南理工学院实践教学中心， 福建 石狮 362700）

引言

随着物联网技术的发展及普及，实验实训环境监测必须摒弃传统方式，运用先进技术提高管理效率，保障实验实训安全运行。在环境监测实践中，相关技术在其他设计系统中已有所运用。比如利用ZigBee 与WiFi 技术相结合，实现环境数据的采集及互联网传输，但WiFi 系统设计复杂无法实现低功耗及低成本；也有直接利用NB-IoT 模块作为环境数据采集节点，实现低功耗且灵活的远程监测，但NB-IoT 模块作为节点成本过高，特别是需要监测多个实验实训场地的时候，需要大量的节点，无法实现低成本。采用ZigBee 模块作为数据采集节点及终端设备控制节点，同时设计ZigBee 协调器实现与各个节点快速组网获取监测数据及下发控制指令。ZigBee 协调器只需借助一个NB-IoT 模块即可与IoT 云平台进行数据传输，实现远程监测及终端设备控制，满足低成本、低功耗的实际需求。

1 系统整体设计

基于NB-IoT 和ZigBee 的实验实训环境监测系统，该系统包含传感及控制模块、集中模块、云平台和应用模块四大部分，如图1 所示。传感及控制模块负责监测数据的采集及功能控制，传感器包括烟雾、温度及湿度，控制器包括喷淋器及风扇，ZigBee 节点包括单片机系统电路、电池供电电路及外围接口电路。集中模块负责监测数据的收集及上传，设置一个ZigBee 节点作为ZigBee 协调器，完成ZigBee 自组网内各个监测点数据的收集和命令下发。NB-IoT 模块与ZigBee 协调器进行串口通信，作为ZigBee 自组网的网关，负责将数据上传到云平台并接收命令。云平台采用中国移动OneNET 云平台，完成数据的存储及管理。应用模块采用WEB 架构，基于OneNET 平台提供的API 及开发工具搭建应用终端，实现远程查看监测数据或远程控制。

图1 系统整体结构

2 硬件设计

系统硬件由传感及控制模块、集中模块两部分组成。ZigBee 传输使用2.4 GHz 通用频段，在自组网10～100 m 的范围内，根据实际监测点需要设置多个传感及控制模块，系统只需设置一个集中模块。

2.1 传感及控制模块

传感及控制模块包括ZigBee 节点、传感器和控制器三大部分，如下页图2 所示。ZigBee 节点采用TI公司生产的CC2530 单片机作为主控芯片。ZigBee 节点硬件结构包括单片机主控板、供电电路（采用3.3 V电池供电）和外围电路扩展板，完成传感器驱动、控制器驱动及无线射频驱动三大部分内容。

图2 传感及控制模块硬件连接

温湿度传感器采用DHT11 数字温湿度传感器，具有已校准的数字信号输出，湿度量程5～95%RH，温度量程-20～60 ℃，其灵敏性及可靠性满足实验实训环境监测要求。CC2530 单片机使用IO 口P0_7作为数字信号接收口，单片机需对接收的温湿度信息进行字符串转换，利用变量temp 和humidity 存储温湿度信息用于OLED 显示及单片机逻辑控制条件。

烟雾传感器采用MQ-2 高灵敏烟雾传感器，测量范围最低5 000×10-6，最高20 000×10-6。传感器的导电率随环境中气体浓度增大而增大，其模拟输出电压也加大。CC2530 单片机使用P0_6 口作为模拟量输入口获得输入电压并进行AD 转换，与传感器量程进行相应的比例运算可以计算出环境浓度值。

控制器由风扇及喷淋系统组成，当实验实训室温湿度过高时可以自动或者手动开启风扇进行降温除湿。当烟雾传感器监测到室内烟雾浓度过高时，则需要向协调器发送警报信号，进而手动或者自动开启喷淋系统。对风扇及喷淋系统的控制需使用两组继电器，单片机分别使用P1_0 和P1_1 两个IO 口对继电器进行控制。

2.2 集中模块

集中模块由ZigBee 协调器和NB-IoT 节点两部分组成，硬件连接如图3 所示。ZigBee 协调器结构与其他ZigBee 节点一样，完成ZigBee 自组网的连接管理，集中来自不同ZigBee 监测节点的信息，包括温湿度、烟雾量、电池电量和报警信息等，最后通过串口传输给NB-IoT 节点。

图3 集中模块硬件连接

NB-IoT 节点采用上海移远公司的BC28 模组。进行串口电平转换后，协调器CC2530 使用串口1（P0_4、P0_5）与NB-IoT 节点进行串口通信，实现发送AT 指令或接收控制信息。考虑功耗控制要求，CC2530 使用P1_2 口对BC28 的开启及休眠进行控制。

3 软件设计

系统控制ZigBee 自组网与NB-IoT 节点之间的通信需要进行合理的软件设计，主要包括传感及控制模块程序设计、集中模块程序设计及耗能控制。

3.1 传感及控制模块程序设计

为了满足监测节点功耗控制要求，在保证Zig-Bee 自组网快速组网并实时传输数据的基础上，引入休眠及唤醒机制，即各监测节点由ZigBee 协调器进行休眠及唤醒控制。程序流程图如图4 所示。

图4 传感及控制模块程序设计

3.2 集中模块程序设计

集中模块由ZigBee 协调器和NB-IoT 节点组成，ZigBee 协调器创建ZigBee 网络接收监测节点数据并传输给BC28 实现数据上传云平台。等数据传输完毕，ZigBee 协调器向各监测节点及BC28 节点同时发送休眠指令，为保证设备同步性，必须设置相同的休眠定时器。程序流程图如图5 所示。

图5 集中模块程序设计

3.3 耗能控制

系统监测节点及集中模块节点均采用电池供电，提高了环境监测布局的灵活性，降低了应用成本，但对耗能控制的要求更加严格。CC2530 模组及BC28 模组的主要耗能是在射频模式下，即发送、接受数据。在休眠模式下的耗能极低，故通过软件设计延长休眠时间是控制功耗的有效方法，但同时要保证监测数据的实时性，所以软件设计需要根据场所的不同监测需要，经过多次调试以确定合理的休眠和唤醒时间。

4 云平台设计

云平台实现数据管理、数据显示及控制命令发送，系统采用OneNET 云平台，其友好的开发环境及支持多协议接入让NB-IoT 模块上传监测数据变得简单。平台采用Web 架构，开发环境提供了必须的界面搭建元素，数据绑定简洁直观，控制台可以自动生成Web 应用链接，利用浏览器或OneNET 手机APP 可以方便实现远程监测及控制。

4.1 数据管理

数据管理实现Web 应用和底层传感网络的数据交互及分析处理，云平台是连接Web 应用和底层传感网络的桥梁，云平台接收并存储来自传感网的监测数据并为Web 应用开发者提供API。系统数据管理流程如图6 所示。

图6 系统数据管理

4.2 防误报机制

引入防误报机制。监测点传感器由于信号干扰或者传输错误可能出现上传数据偏差，防误报设计思路是若一个监测点上传数据超过阈值，数据平台不会立刻做出警报及控制终端反应，而是下发指令再次读取监测数据，数据若再次超过设定阈值。系统做出报警处置，否则系统就会忽略本次警报，防误报机制提高了系统监测的稳定性，避免因误报造成损失。系统防误报机制如图7 所示。

图7 系统防误报机制

4.3 应用界面设计

利用OneNET 云平台的应用管理功能可快速搭建Web 应用。工作台提供不同类型控件可绑定对应设备的数据源，应用界面设计效果如图8 所示。界面设计包括三部分：阈值设置及报警标志、数据显示折线图、设备及工作模式控制。

图8 应用界面设计

5 系统测试

系统测试主要验证系统的稳定性及可靠性，重点对比监测数据跟标准仪器测试数值是否一致，是否会产生误报，检验喷淋设备、风扇等功能设备能否有效控制。除此之外还需检验系统能耗是否符合低功耗要求以及能否降低后期系统维护成本。系统测试采用实验验证方式，用2 个ZigBee 节点模块作为传感及控制模块，用1 个ZigBee 节点模块作为协调器，用1 个NB-IoT 模块作为系统网关设备，NB-IoT模块无线通信流量使用中国移动物联网专用卡进行测试。系统测试数据结果如表1 所示，测试结果符合预期。

表1 系统测试实验数据

6 结语

基于NB-IoT 和ZigBee 的实验实训环境监测系统，把ZigBee 快速自组网的优势跟NB-IoT 高效远程透传能力相结合，应用到实验实训环境监测中，实现对实验实训室温度、湿度、烟雾浓度的实时监测，同时能对喷淋系统及风扇等功能设备进行远程操控。一个中小规模的监测系统只需定期向电信运营商缴纳一个NB-IoT 网关模块的流量费用而不需要其他费用，后期运维成本大幅降低。此外系统的低功耗设计及防误报机制也极大提高了系统的稳定性，具有广阔的应用前景。