劉仕鵬 劉鑫 居東方 陽文杰 詹少杰 潘俊虹

摘要：基于微信小程序設計了一套以KL36開發(fā)板為終端的“易生”精靈監(jiān)測系統。該系統通過在KL36開發(fā)板上接人相應傳感器，實現對環(huán)境物理量的監(jiān)測;將檢測的環(huán)境數據通過NB-IOT技術遠距離傳送至云端，用戶可以通過手機端的微信小程序對監(jiān)測對象進行實時數據查看和歷史數據查看;實現了為用戶提供輕便、高效的智能監(jiān)測系統的設計目的。實驗結果表明，該系統具有較高的精度和實時性;結合NB-IOT技術低功耗和廣連接性的特點，對多用途智能養(yǎng)殖監(jiān)測具有重要意義。

關鍵詞：NB-IOT;KL36;智能監(jiān)測;微信小程序

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）15-0121-03

隨著社會的進步，人民生活水平的提升;越來越多的人熱愛于室內綠植、水生動植物的養(yǎng)殖，并形成了不小的風潮以及龐大的市場規(guī)模。但是，由于養(yǎng)殖人員的水平以及環(huán)境條件的限制造成低存活度的問題;因而誕生了一大批智能花盆、智能魚缸等設備，但大多價格高昂、功能單一且復用度不高，市場亟需一種造價低、用途廣、易于使用的智能設備。這就是“易生”精靈的研發(fā)初衷。本文設計了以KL36開發(fā)板為終端，連接傳感器采集環(huán)境物理量;并選取了網絡結構簡單，部署維護難度低的NB-IOT用于數據傳輸;相比較于傳統的網絡，NB-IOT更適用于小規(guī)模的智能監(jiān)測，而無須搭建私有網絡，使用云服務器接受并存儲上行的數據和下行的命令;并開發(fā)微信小程序平臺供用戶查看觀測對象的實時數據與歷史數據。電力上使用了移動電源為終端供電，保證其輕便性與多用性。

1系統分析

1.1系統的主要功能

1）對“易生”精靈監(jiān)測的各類物理量進行采集：包括有光照強度、土壤（空氣）溫濕度、土壤（水體）pH值、二氧化碳濃度、氧溶解度等環(huán)境信息。

2）采用NB-IOT技術將得到的數據上傳至云端：NB-IoT技術有大連接、廣覆蓋、深穿透、低成本、低功耗等五個基本特點。相對于其他LPWAN技術如GPRS、LoRa和SigFox來說，NB-IoT在LPWAN領域具有更好的表現。例如，相較于與其他三種技術，NB-IoT具有高數據傳輸率，覆蓋面積大，終端連接數多等方面的優(yōu)勢;此外，對于低成本、低功耗方面的要求和信號穿透力上的表現，NB-IOT的性能介于GPRS、LoRa和SigFox之間。另外，NB-IoT是有通信運營商支撐的運營網絡，終端UE數據通過運營商的基站直接送達以太網，終端UE用戶只需要向通信運營商繳納較低額流量費。在綜合考量之下，NB-10T技術是不二之選。

3）使用微信小程序接收云端數據并與用戶交互：通過微信Web開發(fā)工具進行開發(fā)的微信小程序能同時在各種移動終端上使用，掃描二維碼即可快速使用而不需要下載安裝其他軟件;并且通過公眾號關聯可實現公眾號與小程序之間相互跳轉，功能豐富，用戶體驗出色。

1.2系統的架構

環(huán)境信息采集：采用恩智浦KL36芯片作為NB-IOT終端，將在終端上實現對土壤溫濕度、二氧化碳濃度、pH值、光照強度、氧溶解度等物理參數的監(jiān)控。

數據傳輸：使用NB-IOT模組將數據傳輸至云端，云端將數據與分析數據之后的結果上報至用戶終端，等待并得到命令后回傳給監(jiān)測系統。

云端與用戶終端：使用云服務器處理、傳輸數據;開發(fā)微信小程序接受且可視化云端數據并進行人機互動。

具體系統設計如圖1。

2系統設計

2.1環(huán)境數據監(jiān)測子系統設計

硬件終端使用恩智浦KL36主控芯片作為NB-IOT終端，插帶一系列的傳感器，例如有溫濕度傳感器、光敏電阻、pH值傳感器、二氧化碳濃度傳感器、氧溶解度傳感器等。NB-IOT終端將傳感器獲得的數據按數據幀格式進行編碼，通過MCU串口以AT命令的形式，發(fā)送已編碼數據到NB-IOT模組;NB-IoT模組創(chuàng)建和基站之間的傳輸信道后上行發(fā)送數據，然后等待并響應云端命令。

2.2 NB-IOT通信架構

以KL36微控制器為核心的NB-IoT終端（uE）收集儲存各個傳感器采集的數據，借助通信模組將MCU的板內連接轉為NB-IoT通信，以便借助NB-IoT基站（eNodeB）與NB-IoT云服務器通信;NB-IoT終端內含“用戶識別卡”，即SIM卡;其含有唯一的國際移動用戶識別碼IMSI，也就是卡號。NB-IoT終端用戶可以通過這個號給信息郵局MPO運營商或者NB-IoT服務機構交費。

具體應用框架如圖2所示。

2.3云端服務器的構建及功能

在NB-IoT終端通信編程中，需要提供一個固定IP地址和端口號，以供終端UE與信息郵局MPO服務器建立連接并進行數據交互。許多大型互聯網公司都會提供服務器租賃服務，購買后即可獲有固定lP地址的服務器。當NB-IoT終端（uE）成功與信息郵局MPO（NB-IoT信息郵局是一種基于NB-IoT協議的信息傳送系統。由NB-IoT基站eNodeB與NB-IoT云服務器組成。在NB-IoT終端（uE）與NB-IoT人機交互系統（HCI）之間起信息傳送的橋梁作用。）建立連接時，需要基站向連接的終端（uE）分配一個臨時的IP地址以供NB-IoT終端（uE）與信息郵局MPO進行數據交互。

偵聽程序（uS-Monitor）。用戶偵聽程序可運行于任意一臺連接了網絡的電腦Jk;US-Monitor處理的數據通過云端轉發(fā)軟件CSFS轉發(fā)，因而監(jiān)聽程序US-Monitor的運行須要云端轉發(fā)軟件CSFS的運行;其工程框架中有四個文件夾，分別為工程說明文件夾、工程類文件夾、工程窗體文件夾、工程資源文件夾。

具體工程框架及說明如表l。

數據庫的搭建。NB-IoT終端上行的數據需要存放在數據庫中以便觀察、使用與保留，在本次項目工作中我們使用了較為普遍的Microsoft SQL Server數據庫。該數據庫中主要包含三張表，分別是：設備信息表（存儲終端設備的配置信息，一個設備對應一條記錄，只保存最新信息，不保存更改記錄）、上行數據表、下行數據表。

2.4微信小程序設計

1）開發(fā)環(huán)境搭建：先申請一個屬于自己的微信小程序賬號，需要進人微信公眾平臺獲得開發(fā)許可AppID;配置開發(fā)服務器信息可在“測試號管理”頁面的“可信域名”欄目中找到并點擊“開始配置”按鈕，此時可以對四類可信域名進行配置：requset合法域名、downloadFile合法域名、uploadFIle合法域名和socket合法域名。配置完成后可打開網頁https：//mp.weixin.qq.com/debug/wxadoc/dev/devtools/download.html下載微信開發(fā)者工具，運行工具后導人工程即可開始界面設計及功能完善等。

2）功能分析：為了方便用戶能隨時隨地查看接收到的數據，微信小程序主要分為三個界面，即實時數據，實時曲線，歷史數據。實時數據界面能夠實時顯示終端發(fā)送上來的數據，實時曲線則是根據數據幀傳人的物理量進行曲線的繪制，歷史數據界面則展示歷史數據內容。這些功能主要是通過與偵聽程序進行交互實現的。

3）界面設計：智能監(jiān)測客戶端包括了基礎界面、首頁、數據查看界面以及工程資源界面，實現了實時數據的可視化顯示、繪畫實時數據的曲線圖、查看歷史數據及工程資源版本說明等信息。設計之初本著界面簡易、友好的原則，盡量方便用戶與系統的人機交互并提升用戶的使用體驗。

具體微信小程序界面如圖3。

4）數據傳輸流程：WebSocket服務是網頁程序、安卓App、微信小程序等獲得數據和服務的接口，是基于TCP的一種新的網絡協議;它實現了瀏覽器與服務器全雙工通信。在微信小程序與云服務器建立通信時，先進入實時數據界面，建立web-socket連接，順利建立連接后請求一幀歷史數據用于創(chuàng)建頁面文本框。下一步準備接收數據;實時偵聽是否有新的數據傳送，當終端發(fā)送一幀數據時，云偵聽程序接收到一幀數據后將數據寫入數據庫中，并將消息傳給微信小程序，確定為指定的imsi號數據后，向云偵聽程序請求完整數據。最終將數據回發(fā);將在一定的時間內對數據進行修改，通過回發(fā)按鈕，將數據組幀后回發(fā)給云偵聽程序，云偵聽程序將數據寫入數據庫中，并發(fā)送給終端，完成數據下行過程。

3結束語

本文研究設計了基于NB-IOT網絡傳輸技術的智能監(jiān)測系統，旨在為動植物養(yǎng)殖者提供一款輕便多用、實惠耐用的智能監(jiān)測設施。目前國內外研究和市場上的智能養(yǎng)殖監(jiān)測只是作為智能養(yǎng)殖系統的組成部分而已，例如智能花盆、智能魚缸等;“易生”精靈的研究則解決了在不同環(huán)境下監(jiān)測相關物理量并實時反饋給客戶端的問題，真正實現了使智能養(yǎng)殖監(jiān)測獨立運行并廣泛適用。設計采用了NB-IOT技術傳輸數據，具有無需布線、高效快速且降低功耗的優(yōu)勢;采用了方便簡潔的微信小程序可視化云端數據，隨時供用戶查看。實驗結果表示，“易生”精靈準確高效，具有良好的應用前景;并且可以在原有的基礎之上，在終端添加一些機械組件，實現用戶的操作命令。