基于NB-IoT的空气质量监测系统的研制

胡瑞强，陈 晶

（哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

随着人们生活水平的提高，空气质量越来越成为重点关注问题之一，特别是工业经济的迅速发展，使得人类的健康受空气污染的影响更加严重[1]，由空气污染导致的患病甚至死亡的人数越来越多[2-3]。研究表明，空气污染在很大程度上是一种可以避免的危险因素，空气质量的改善会有显著的健康获益，同时监控空气污染的措施极具成本效益。因此，研究空气质量实时监测系统已经成为控制空气污染的有效手段。嵌入式技术、物联网技术和云服务器应用的不断成熟，为小型化、网络化、智能化的空气质量监测系统的研究提供了技术支持[4-6]。

传统的空气质量监测系统，其无线通信接入方式如4G和WLAN 存在成本高、功耗大的不足，蓝牙和WiFi 存在传输距离短、安全性低、稳定性差的不足。为了克服传统监控系统的缺陷，降低监测成本，本文提出一种将窄带物联网应用到空气质量监测中的方法。窄带物联网技术（NB-IoT）是一种新兴的、先进的连接技术。NB-IoT 是工作于授权频谱下的3GPP 无线通信技术，其覆盖范围相较于GPRS、LTE等技术，覆盖能力增强了20 dB；其设备接入数量是现有无线技术的50～100 倍；其功耗低，集成了多种节电技术，大部分时间处于休眠状态；其无须重新建网，可降低成本[7-9]。基于NB-IoT 的技术特点，本文设计了一款基于NB-IoT 的空气质量监测系统，该系统采用模块化设计，具备远程参数监控、超阈值报警、历史数据查看等功能特点。

1 整体系统设计

空气质量监测系统主要由三部分组成：监测站点、云服务器、PC 终端软件。监测站点主要由空气质量传感器模块、微控制器采集板、NB-IoT 通信模块组成，微控制器采集板通过串口采集传感器数据，将采集的数据处理后通过NB 模块发送至云服务器。云端服务器接收采集站点的数据包，并解析保存在数据库中进行持久化存储，提供开放式API 接口以向用户提供采集到的数据。PC 终端软件负责从云端服务器中获取数据并向用户呈现各空气质量要素的实时曲线、历史数据等站点信息。根据物联网拓扑结构，系统网络结构可以划分为感知层、传输层和应用层，如图1所示。

图1 系统拓扑结构

2 硬件设计

低功耗、高稳定性是监测站点终端设计的关键，也是整个系统可靠运行的基础。感知层硬件主要包括传感器模块、微控制器模块、NB-IoT 通信模块和供电电路，用于监测环境质量信息，并通过NB-IoT 通信模组和云服务器进行通信。本设计终端采用独立干电池供电，在选择各芯片模块时也采用低功耗的器件，有效地降低了系统的功耗。监测站点的硬件总体设计框图如图2所示。

图2 系统总体设计框图

（1）微控制器模块

根据系统设计硬件需求，采用低功耗的物联网终端，选用STM32L0 超低功耗微控制器，该系列微控制器专门为低功耗设备设计，具有ARM Cortex M0+核心和STM32 超低功耗特性，可在超级功耗模式下快速唤醒；此外，微控制器具有串口、DMA、ADC、DAC、I2C 等常用外设，满足系统设计需求。

（2）传感器模块

本系统选用的空气质量监测模块为Z3 五合一传感器模块，该传感器模块采用便携式设计、锂电池供电，支持RS 485 信号输出，可采集甲醛、二氧化碳、PM2.5、温度、湿度五种参数。测量参数信息见表1 所列。

表1 传感器技术指标

空气质量传感器模块采用基于ModBus-RTU 传输协议的RS 485 数据总线。ModBus 协议使用主/从技术在设备之间通信，一般应用程序中包含一个ModBus 主站和多个ModBus 从站。ModBus RTU 协议使用格式化的消息在主机和从机之间进行通信，主机发出包含从机地址的请求命令后从机响应请求。

本系统将传感器测量数据通过RS 485 总线传输至微控制器。传感器模块数据帧格式见表2 和表3 所列。

表2 发送查询命令格式

表3 返回查询命令格式

（3）通信模块

NB-IoT 模块选用BC35-G，它是一款高性能、低功耗、高灵敏度的多频段NB-IoT 无线通信模块。该模块功能丰富、尺寸紧凑，采用LCC 封装，集成USB 接口、SIM 卡槽于一体，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28频段，被广泛应用于智能家居、智慧农业、环境监测等行业的数据传输。BC35-G 支持移动、电信、联通运营商网络，用户可选择相关运行商进行频带配置[10]。

3 软件设计

空气质量监测系统软件设计主要包括监测站点终端软件设计、云服务器的部署和接入、PC 终端监测管理软件的设计三部分。监测站点主要是通过串口采集传感器数据，将采集数据通过NB-IoT通信模块发送至祥云OceanConnect平台，可以实现对监测站点统一管理；之后通过祥云提供的API 接口将数据与阿里云对接，在阿里云部署数据库存储数据。PC终端监控软件使用LabVIEW 编写，实现对监测数据展示、备份、存储、报警等功能，同时可以配置各站点信息。软件设计构成如图3所示。

图3 软件设计构成

（1）监测站点软件设计

监测站点软件设计采用模块化设计方法，主要实现微控制器采集串口数据并将解析后的传感器数据通过NB 模块发送出去。监测站点主程序设计流程如图4所示。

图4 监测站点主程序设计流程

程序设计通过UART 串口依次将AT 指令配置发送给通信模块，建立网络连接。本系统使用的通信协议是物联网专为低流量非持久化连接设计的CoAP 协议。如图5所示，CoAP 协议（受限制的应用协议，Constrained Application Protocol）采用双层结构，消息层用于处理端点之间的数据交换，连接层是以请求-响应机制来完成的。CoAP 协议网络传输层主要支持UDP 协议，报文采用二进制格式，更加紧凑，协议长度最小为4 个字节，支持可靠传输、块传输、数据重传，支持同时向多个设备发送请求，适用于低速率、低功耗的物联网应用场景[11]。

图5 CoAP 协议模型

（2）云服务器的部署和接入

本系统中的监测站点在祥云OceanConnect平台注册，接入祥云服务器后，祥云服务器需要完成与客户自由应用对接，使用鉴权信息完成身份认证。在北向应用中需要开发者调用祥云服务器的鉴权接口来获取成功鉴定合法请求的token 令牌，北向每次访问都需要携带用户信息的token 令牌，鉴权完成后北向应用可以将设备的注册信息添加到祥云平台上，并提供设备的IMEI 号进行交互，以保证访问设备的唯一性。完成这一步操作后，用户即可在第三方应用获得推送数据并执行相应访问操作。

北向应用的设计是为了解决因网络结构层次复杂导致的网络架构的灵活性和可控性较差等问题而提出的新型网络架构。通过祥云服务器提供的API 接口进行数据调用、管理网络数据资源、设置网络策略等。在阿里云服务器上，需要部署数据库存储数据，以达到数据持久化存储的目的。

通信传输系统是数据交换的桥梁，数据由NB 蜂窝网络基于CoAP 协议传输，并上传到阿里云物联网平台。云服务器通过北向数据查询接口API 获取电信物联网平台的数据。此外，平台提供的订阅接口可用于订阅平台上收到的数据配置。空气质量监测系统的数据存取采用的是MySQL 数据库，以达到数据持久化存储的目的。存储空气质量信息见表4所列。

表4 空气质量信息

（3）PC 终端监控软件

PC 端监控软件使用LabVIEW 编写而成。LabVIEW 是专门针对数据采集和仪器自动控制而设计的一款软件，它采用图形化编程语言—G 语言，产生在硬件工程中易于理解的框图程序，可以在很短的时间内掌握并应用到实践中，在构思结构的同时就能完成程序的设计[12]。软件通过调用LabSQL 工具包和配置ODBC 数据源来访问阿里云服务器数据库，实现远程数据的终端显示。

监控软件界面主要包含3 部分：功能菜单区、参数显示区和报警显示区，如图6所示。在功能菜单区，用户可查看监测站点的详细信息、查看历史数据、设置报警信息、设置系统、管理站点信息等。参数显示区可以选择想要显示的监测站点信息，分别用曲线和数字的方式进行实时显示。报警显示区可以在测量值超过设定上限值时显示报警信息。

图6 监控软件界面

4 系统测试

系统硬件如图7所示，开发板通过串口RS 485 采集传感器信号，监测站点可显示采集到的5 个监测数据，并通过NB-IoT 通信模块将采集到的数据发送至阿里云服务器。

图7 监测站点硬件

图8 分别为云服务器数据库MySQL 存储的数据和终端监控软件查询的站点数据。经过反复测试发现，数据一致，系统可稳定运行。

图8 阿里云数据库和终端软件查询监测数据

5 结语

本文设计了一款基于NB-IoT 的空气质量监测系统，该系统采用STM32L0 系列低功耗单片机搭建空气质量监测站点，通过NB-IoT 模块与云服务器对接，云服务器实现采集数据解析及保存，编写终端监控软件实现监测站点参数实时显示、阈值报警、历史数据查看等功能。经实际运行发现，系统功耗低、数据传输稳定可靠，可广泛用于不同场所的空气质量监测，具有一定的实际应用价值。