基于OneNET云平台的古镇环境监测系统设计

钟锐 刘凯

摘要：针对古镇的环境和安全管理效率低、人工巡检强度大和监测范围有限等问题，设计了一套基于NB-IoT和OneNET云平台的古镇物联网环境监控系统，系统由应用层、云平台层、网络层和终端感知层4个部分构成。终端设备层由场景内温湿度、烟雾、气象和人流量监测等传感节点进行环境数据感知并通过NB网络进行传输，将采集的环境监测数据发送至OneNET云平台层的服务器，同时下达相关指令，用户可通过PC端的Web界面随时登录管理系统进行访问控制。系统操作简单、安全可靠，且能够有效實现远程监控和环境数据监测的要求，有效提高了古镇的智能化管理水平，具有很高的实用价值。

关键词：NB-IoT；OneNET云平台；环境监测；Web界面

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）15-63-5

0引言

随着人们生活水平的提高和对精神生活的追求，旅游成为人们生活中不可或缺的一部分，拥有历史文化底蕴的古镇成为人们游玩的首选。伴随物联网技术、云平台和移动互联网技术的迅速崛起，其相关应用已经逐渐延伸到日常生活的各个角落。随着古镇监管力度的加强，为了更好地对环境进行管理，将互联网环境监测应用到古镇管理系统中，进而实现古镇的智能化管理。当前的环境质量监测装置大多是互联网的单点设备[1]，不具备远程在线实时监测的功能；还有一些联网环境监测设备多为开发者自行部署的服务器，对系统建设成本要求相对较高。本文提出一种采用多种NB传输的终端传感器节点，并将传感器采集到的环境监测数据传送到OneNET云平台的物联网环境监控系统[2]，验证了对环境监测的可行性，且提高了古镇安全管理的时效性和安全性。

1系统总体方案设计

基于OneNET云平台的物联网监测系统分为4个部分，包含应用层、云平台层、网络层和终端感知层，如图1所示。终端设备层是系统的核心，负责完成古镇内安置的各类传感器的数据信息采集，其中包含温湿度、烟雾浓度和气象指数等采集模块[3]。网络层位于感知与云端之间，主要负责接入网的信息传输，通过低功耗的NB-IoT通信网络进行数据传输，并使用标准数据通信协议来保证数据有效地传送至平台层。云平台层使用OneNET物联网云平台，实现设备接入、安全认证以及数据推送等。应用层使用前后端分离的系统架构，云服务器负责数据的处理和存储，同时与Web端采用MQTT协议建立通信连接，用户通过PC端登录Web管理界面，从云平台获取实时数据，包括设备的位置及状态和监控数据的查询等。

随着物联网和互联网业务的发展[4]，物联网业务逐渐以运营商通道为基础向客户端延伸，形成了“端、管、云”的网络架构[5]。设计从古镇管理需求出发，根据管理单位的需要，通过浏览器对系统进行远程访问控制，可以摆脱用户对客户端的需求，免除安装的环节，并且采用可以安装物联网卡的传感设备，用户可以对设备进行手机绑定，并通过短信通知的方式告知用户设备的告警状态，为古镇的安全管理创造了安全且高效的管理模式。

2系统硬件设计

本文所涉及的物联网环境监测系统的硬件包含控制模块、通信模块、传感器以及电源，控制模块选用STM32系列[6]，通信模块选用华为BC28与OneNET平台基于MQTT协议进行信息交互。

2.1系统主控电路设计

为了方便系统的移植、扩展以及更换等需求，系统选用ST公司的STM32L4R5[7]，其具有高性能和配置满足系统的需求，通过BC28通信模块进行数据传输与OneNET平台进行连接，并搭载温湿度传感、烟雾传感、人流量传感、气象指数传感和电源监测传感等模块[8]，基本原理是以STM32为MCU，将传感器采集的监测数据通过BC28传输到云平台，通过开发的基于Web的B/S监控系统进行访问和控制[9]。

2.2电源模块设计

根据物联网环境监测器各单元的功耗情况不同，系统需要使用3.3 V，5 V，12 V的直流电压，其中3.3 V和5 V是对单片机、传感器等进行供电，12 V的直流电压是由220 V的交流电通过逆变器（DC-AC）转换得到，主要对设备的制冷装置进行供电。

2.3网络传输设计

NB-IoT模组通信模块使用移远通信生产的BC28模块，该模块支持所有运营商的网络测试，带有Arduino接口，支持多种频段，通过NB无线电通信协议与各运营商基站间建立通信连接。模块通过串口使用AT指令进行命令控制，终端设备向适配器或者数据终端发送建立连接的指令。BC28模块有58个LCC引脚，各接口功能包含电源供电电路、复位模块、串口、USIM接口、天线接口等，内部配有稳压器可以延长电池寿命，背部有单独SIM卡槽，方便SIM卡插入，且SIM加入ESD保护，防止插卡过程因静电造成设备损坏。BC28外部引脚如图2所示。

2.4数据采集模块

系统需要采集的参数包含温度、湿度、气压和PM值等环境信息，使用各类无线外接传感器通过无线网络进行数据传输，使用OneNET平台提供的“设备-数据流-数据点”模型，基于EDP协议完成定制业务平台的实现，OneNET应用平台架构如图3所示[10]。

本文终端设计实现了环境数据的采集、数据上传和接受指令反馈3个功能。采用STM32L4R5系列芯片做开发板，通过外接传感器实现环境数据采集上传，BC28模块实现数据上传，相关设备开关通过继电器实现控制，STM32开发板外接蜂鸣器、LED灯和無线模块等，所以主程序需要完成系统时钟及系统初始化和相关指令，循环上传环境数据，终端设备架构设计如图4所示。

3系统软件设计

3.1古镇管理系统平台设计

系统软件设计是系统实现的核心环节，本系统采用移动OneNET云服务器进行数据存储转发、命令下达等。负责数据采集的终端设备接入前，需要在OneNET平台（https：//open.iot. 10086.cn/）注册账号，成功注册后，终端节点通过三元组进行设备绑定[11]、身份密匙认证从而获取设备证书，在平台完成设备的添加和数据上传发布，OneNET云平台设备接入基本流程如图5所示。

平台设计是基于OneNET云平台来实现，平台提供存储转发设备上报点、API接口实现设备管理以及数据推送等功能，搭配主流物联网传输协议并且兼容各种网络环境。注册账号后在平台的控制端创建产品并选择相应协议[12]，创建好产品后添加设备，获取相应的API地址，该信息将作为设备的身份信息，在连接组件中用于设备的识别，实现实体设备与云平台之间的对应连接，在设备成功连接后，进行设备发布并公布到公开的网站中，最后对网页框架进行设计，显示相关数据和采集时间[13]。

环境监测系统的设计中选择TCP协议实现终端设备与OneNET来建立连接，通过构建HTTP协议封装实现数据传输，根据平台提供的特定格式将数据上传至平台[14]，平台上的数据流存储分析上传的数据点，同时建立系统应用，设备成功接入云平台后，在开发者中心可以看到上传的数据流，采用MQTT协议从OneNET平台获取数据，实施远程访问控制[15]。用户通过授权访问进入Web端管理系统界面，输入用户名、密码，系统运行界面如图6所示。

上层的浏览器应用程序用于满足用户对温湿度、气象和PM等环境数据的监测需要，主要实现对终端上传数据的动态实时展现。服务器通过API接口向OneNET平台拉取数据信息或推送控制信息，然后再实时展现在前端网页上供用户浏览、操作控制等。另外，在平台侧添加设备告警阈值规则，对超过规定值的异常数据进行报警引起管理员的注意。浏览主要运用的技术包含HTML，CSS等[16]。应用端的呈现主要是将OneNET平台生成的应用嵌入进来，以表盘和柱状图的形式反应数据的变化，还调用了实时天气的控件，以便于用户对各个环境参数有直观的了解。

系统的逻辑控制主要是实现古镇内的环境数据监测，通过通信模块实现与OneNET平台之间的信息交互，终端设备上电后，通过NB-IoT连接至OneNET平台[17]，平台接收消息后，与设备进行消息交换，并上传采集到的数据进行相关指令操作，逻辑控制流程如图7所示。

3.2系统的通信设计

系统中数据入网选用无线通信的方式，通信模块选用移远BC28模组，该模块是我国自产的一款NB-loT通信模块，兼容GSM的M26模式，便于用户升级。BC28通信模块内部含有射频功能、基带功能、电源管理以及外围接口，并且支持多种协议栈，负责将监测数据进行封装，通过CoAP报文协议格式发送。主控模块选用STM32系列通过UART2接口互联[18]，实现主控器与通信模块之间的数据传输，通过AT指令实现对BC28的控制，AT指令如表1所示。

BC28通信模块通过MQTT协议连接至云平台，在平台创建业务，发布消息并上传，实现设备与物联网平台之间的消息通信[19]，系统中所有的数据应创建完整的数据报文才可通过BC28进行发送，消息发布流程如图8所示。

4系统的测试与运行

将系统中的各硬件模块进行功能集成，对终端设备进行安装上电并进行组网调试，然后通过PC终端登录中国移动OneNET云平台。用户可以实时监控传感器监测数据，终端设备通过绑定的手机号码短信通知用户设备告警状态。本系统设计考虑了后续的用户需求，以及场景的多样化发展，在后续的研发上可以进行相应的功能扩展。经过一系列测试验证后，系统可以有效监测各传感器采集的环境信息，且实时稳定地接收平台的命令下达及转发，同时云端可以储存部分设备历史记录供用户进行调阅，提供一定参考。

5结束语

本文围绕古镇环境治理以及安全管理设计了一款围绕OneNET云平台，以NB-IoT技术为核心的古镇物联网环境监测系统平台，对古镇的气象、温湿度、烟雾浓度以及人流量进行监测。系统以STM32L4R5为核心，利用BC28和OneNET云平台设计了基于物联网远程控制的环境监测系统，解决了古镇当前的环境保护以及安全管理需求，不仅可以方便管理人员通过远程访问控制的方式对古镇进行环境监管和安全管理，而且基于Web页面的管理系统操作方便、使用简单，模块化的开发和设计为后期的功能扩展提供了方便，极大地提高了古镇管理的及时性与安全性。

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