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（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510430）

0 引言

為了對(duì)工廠中各種有害、易燃、易爆的粉塵、氣體等進(jìn)行監(jiān)測，減少類似事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)本監(jiān)控系統(tǒng)。傳統(tǒng)工廠無環(huán)境監(jiān)控或僅有現(xiàn)場集中監(jiān)控，受到時(shí)間、空間的限制，作用效果不理想[1]。本文以最新低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LPWAN）LORA和NB-IOT技術(shù)為基礎(chǔ)，利用機(jī)智云平臺(tái)，設(shè)計(jì)出一種適用于大空間范圍的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，克服了時(shí)空的限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行訪問，這樣能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并報(bào)警處理，可有效防止類似事故的發(fā)生。

1 物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（IOT,Internet of Things）即物與物相連的網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主要有藍(lán)牙、ZigBee、WiFi等無線通信技術(shù)，但其有效距離短、功耗大，不適合遠(yuǎn)距離、低功耗的物聯(lián)場合，嚴(yán)重限制了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用推廣。于是，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（LPWAN，Low Power Wide Area Network）應(yīng)運(yùn)而生，它克服了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的缺點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)海量連接，其兩大主流技術(shù)為LORA和NB-IOT，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、物流、農(nóng)畜牧業(yè)等場合[2]。

LoRa（Long Range Radio）是Semtech公司創(chuàng)建的低功耗廣域無線網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，采用1 GHz以下的免費(fèi)頻段、自組網(wǎng)通信，通過GFSK調(diào)制和擴(kuò)頻通信相結(jié)合，使其理想情況下的通信距離達(dá)到15 km，電池可用10年[3]，適合于遠(yuǎn)距離、低功耗的物聯(lián)場合。窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT（Narrow Band Internet of Things），是一種蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的無線通信，具有覆蓋廣（相同頻段下，比現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，等于提升了100倍的覆蓋能力）、傳輸距離長（只要有手機(jī)信號(hào)的地方即可連接上網(wǎng)）、海量連接、低功耗等特點(diǎn)[4]，并且因?yàn)槿箅娦胚\(yùn)營商的大范圍商用部署，可通過NB-IOT模塊（經(jīng)由運(yùn)營商基站）直接連接至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[5]。

LORA技術(shù)成熟、可自組網(wǎng)、成本低（只需設(shè)備一次性投入），可用于遠(yuǎn)距離的局域網(wǎng)絡(luò)連接；NB-IOT為國內(nèi)各電信運(yùn)營商部署推廣，信號(hào)翻蓋范圍廣，可直接連接上云，便捷可靠。兩者各有特點(diǎn)和適用場合，必將長期共存[6]。設(shè)計(jì)LORA和NB-IOT相結(jié)合的工廠環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，恰好利用二者優(yōu)勢(shì)，事半功倍，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)主要由LORA終端、LORA集中器、NB-IOT模塊、機(jī)智云平臺(tái)、PC主機(jī)及智能移動(dòng)電話終端等組成。系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單和低功耗的特點(diǎn)[7]。

從功能上可將整個(gè)系統(tǒng)分為3層：感知層、傳輸層及應(yīng)用層，如圖2所示。感知層為安置在廠區(qū)各處的LORA終端系統(tǒng)，每個(gè)LORA終端包含了對(duì)應(yīng)各環(huán)境參數(shù)的傳感器組、STM32核心控制板、LORA無線通信模塊、相關(guān)接口。傳感器對(duì)各種環(huán)境信息進(jìn)行采集后，STM32板將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并通過LORA模塊無線匯集到LORA集中器[8]。傳輸層主要包括LORA集中器組、NB-IOT模塊和RS485總線等，負(fù)責(zé)感知層和應(yīng)用層之間的遠(yuǎn)程信息交互。應(yīng)用層包括機(jī)智云平臺(tái)、智能終端、監(jiān)控主機(jī)等，主要用于存儲(chǔ)、分析、監(jiān)控各環(huán)境數(shù)據(jù)。監(jiān)控主機(jī)用于現(xiàn)場的監(jiān)控；機(jī)智云平臺(tái)和智能終端共同實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，突破了時(shí)間空間的限制。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

圖2 STM32控制板、LORA終端、LORA集中器的功能構(gòu)成

2.1 感知層系統(tǒng)

感知層主要完成現(xiàn)場各環(huán)境參數(shù)的信息采集、處理、上傳等任務(wù)，并執(zhí)行云端或上位機(jī)下發(fā)的相關(guān)控制命令。該層由分布于監(jiān)測空間各處的多個(gè)LORA終端系統(tǒng)組成，LORA終端以STM32控制板為核心，搭載傳感器組、LORA通信模塊。

2.1.1 傳感器組

由各種環(huán)境參數(shù)對(duì)應(yīng)的檢測傳感器組成，并可根據(jù)具體場合進(jìn)行增減。主要由溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、空氣粉塵濃度傳感器（檢測空氣中的灰塵煙塵和霧霾顆粒等）、可燃?xì)怏w傳感器、毒性氣體（如CO、煤氣、液化石油氣等）傳感器等[9]。各傳感器的型號(hào)對(duì)應(yīng)為：DHT22、BH1750FVI、GP2Y1010AU0F、MQ-5、MQ-9。

（1）電路連接

因篇幅所限在此僅以溫濕度傳感器為例進(jìn)行介紹。DHT22為含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型數(shù)字式傳感器，其溫濕度數(shù)據(jù)均為16 bit，采用單總線串口通信、單列4針腳封裝，便于嵌入式系統(tǒng)集成。模塊具有體積小、功耗低、傳輸距離長、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，非常適合本設(shè)計(jì)的需要[10]。DHT22供電電壓為3.3～6 V，同時(shí)考慮其單總線雙向通信的需要而選用STM32控制板通用雙向IO口與之連接，如圖3所示。

圖3 DHT22連線圖

（2）數(shù)據(jù)格式

圖4 STM32板最小系統(tǒng)圖

DHT22采用單總線數(shù)據(jù)格式。DATA引腳用來與微處理器進(jìn)行同步和通信，一次通信時(shí)間5 ms左右，傳輸數(shù)據(jù)40 bit，高位在前，低位在后，具體格式為：16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和，程序代碼依據(jù)此格式進(jìn)行時(shí)序控制與數(shù)據(jù)處理。其中，8 bit校驗(yàn)和為16 bit濕度數(shù)據(jù)和16 bit溫度數(shù)據(jù)拆分為高、低4個(gè)字節(jié)，然后求和，取和的低8 bit。例如，濕度數(shù)據(jù)：0000 0011 1000 1100；濕度數(shù)據(jù)：0000 0001 1010 1110；則8bit校驗(yàn)和為0000 0011+1000 1100+0000 0001+1010 1110結(jié)果的低8 bit，為0011 1100；于是最終40 bit數(shù)據(jù)為：0000 0011 1000 1100 0000 0001 1010 1110 0011 1100。

（3）通信時(shí)序

DHT22為從機(jī)工作模式，空閑時(shí)總線為高電平，用戶主機(jī)（STM32）發(fā)送一次低電平開始信號(hào)將DHT22從低功耗模式喚醒到高速模式。主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，DHT22首先發(fā)送一個(gè)80 μs左右的低電平響應(yīng)信號(hào)；隨后拉高80 μs并進(jìn)入40 bit的數(shù)據(jù)傳送過程。每bit數(shù)據(jù)由50 μs的低電平和一個(gè)高電平組成，低電平代表數(shù)據(jù)位的開始，高電平長度代表數(shù)據(jù)位的值，較長的高電平代表1、較短的高電平代表0。

2.1.2 STM32控制板

STM32為LORA終端和集中器的控制核心，本設(shè)計(jì)選用ST公司Cortex-M3架構(gòu)的32位主流ARM芯片STM32F103RCT6，其供電電壓2～3.6 V，為64腳LQFP封裝，內(nèi)部集成256 kB的FLASH程序存儲(chǔ)器和48 kB的RAM存儲(chǔ)器，自帶CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB等多種多個(gè)通信接口，非常適合與各類型傳感器和通信模塊的嵌入式連接[11]。

STM32板最小系統(tǒng)，包括電源、晶振、復(fù)位電路外，還需進(jìn)行如下處理：（1）BOOT0和BOOT1經(jīng)10 kΩ下拉電阻接地；（2）電池供電的BEAT引腳經(jīng)100 μF電容上拉到3.3 V；（3）模擬量引腳VDDA和VSSA分別經(jīng)0R磁珠與3.3 V和GND連接，并在兩引腳間并聯(lián)104電容。上電復(fù)位電路采用X5043芯片，同時(shí)用于數(shù)據(jù)的斷電存儲(chǔ)。如圖4所示。

因?yàn)長ORA終端系統(tǒng)需要用到基本的繼電器輸出，用于掉線、參數(shù)超標(biāo)等的聲光報(bào)警或向風(fēng)扇、空調(diào)等發(fā)出控制信號(hào)，所以，設(shè)計(jì)其繼電器輸出電路如圖5所示，該電路采用光電耦合器PC817進(jìn)行內(nèi)外電路系統(tǒng)的光電隔離，可大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖5 繼電器輸出電路

2.1.3 LORA通信模塊

LORA終端的無線通信功能通過ATK-LORA-01模塊來實(shí)現(xiàn)，該模塊采用基于LORA技術(shù)的SX1278擴(kuò)頻芯片并集成32位高性能MCU，具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。模塊收發(fā)同體（模塊可設(shè)置為發(fā)送或接收端），通過AT指令實(shí)現(xiàn)功能配置、通信控制和模式選擇等；使用433 MHz免費(fèi)工業(yè)頻段，自組網(wǎng)通信，不會(huì)產(chǎn)生通信費(fèi)用[12]。LORA終端與LORA集中器通過各自的ATK-LORA-01模塊進(jìn)行無線通信。ATK-LORA-01模塊與STM32核心控制板的接口連接如圖6所示。

圖6 STM32板與ATK-LORA-01的接口連接

2.2 傳輸層系統(tǒng)

傳輸層主要功能為LORA本地系統(tǒng)內(nèi)的信息無線收發(fā)，LORA集中器與現(xiàn)場主控電腦的通信，LORA集中器與云平臺(tái)的連接等。具體系統(tǒng)為LORA集中器，如圖2所示。包括STM32板與LORA模塊的連接、STM32板與主控電腦的RS485接口設(shè)計(jì)、STM32板與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)間的NB-IOT連接設(shè)計(jì)等。因?yàn)閭鬏斁嚯x、功能要求等不同，本系統(tǒng)有兩種無線網(wǎng)絡(luò)部署：本地各LORA終端、LORA集中器之間的LORA無線網(wǎng)，LORA集中器與云平臺(tái)之間遠(yuǎn)程連接的NB-IOT網(wǎng)絡(luò)。

2.2.1 集中器的LORA模塊

集中器的LORA模塊主要負(fù)責(zé)與各LORA終端進(jìn)行通信，收集各終端設(shè)備采集的環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送相關(guān)控制信號(hào)。具體為STM32板與ATK-LORA-01模塊的連接和控制，如圖6所示。其中STM32板、ATK-LORA-01模塊及其相互連接與LORA終端設(shè)計(jì)相同，只是STM32程序和ATK-LORA-01模塊的控制邏輯根據(jù)具體功能而不同[13]。

2.2.2 RS485總線接口

圖7 集中器的RS-485接口

LORA集中器通過RS-485總線（差分信號(hào)傳輸、抗干擾能力強(qiáng)）將各終端數(shù)據(jù)上傳給現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)，并接收主機(jī)下發(fā)的相關(guān)指令。STM32板的RS-485總線接口如圖7所示。

2.2.3 NB-IOT模塊的接口電路

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT受到國內(nèi)三大電信運(yùn)營商的大力推廣和全面部署，其信號(hào)覆蓋范圍甚至超過了手機(jī)信號(hào)，它的出現(xiàn)使物聯(lián)網(wǎng)通信得以突破空間的限制，有信號(hào)覆蓋的任何地方都可以通過NB-IOT模塊與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并可通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行監(jiān)控[14]。在此選用NB-IOT模塊型號(hào)為WH-NB73，具有資料詳實(shí)、接口簡單（WH-NB73模塊與STM32板之間通過串口和AT指令進(jìn)行連接）、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)[15]，模塊及串口連接電路如圖8所示。

圖8 WH-NB73模塊電路及與STM32板的串口連接電路

2.3 應(yīng)用層系統(tǒng)

應(yīng)用層主要包括工廠環(huán)境的現(xiàn)場監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩部分。其中，現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)采用LabView設(shè)計(jì)功能界面，監(jiān)控主機(jī)經(jīng)USB-485轉(zhuǎn)換模塊與LORA集中器的RS-485總線接口連接進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)控。而工廠環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控則通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)及智能終端APP聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。

2.3.1機(jī)智云平臺(tái)應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)不斷涌現(xiàn)，但它們的功能強(qiáng)弱有別、使用門檻高低不同，具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇，本設(shè)計(jì)采用機(jī)智云平臺(tái)。

機(jī)智云是同時(shí)面向企業(yè)和個(gè)人開發(fā)者的、從智能硬件接入到應(yīng)用管理的全生命周期的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)能自動(dòng)生成已封裝設(shè)定協(xié)議的MCU代碼（只需進(jìn)行數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)和相關(guān)邏輯的編寫），提供APP開發(fā)的SDK代碼或APP成品Demo，提供直連機(jī)智云的相關(guān)通信模組固件，如此大大降低了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)門檻，并使開發(fā)效率得到極大提高[16]。

2.3.2 智能終端APP

智能終端用來實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，其基本工作流程如下。（1）APP接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)：設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)—運(yùn)營商IOT平臺(tái)—機(jī)智云平臺(tái)VAPP智能終端。（2）APP下發(fā)控制數(shù)據(jù)：APP智能終端—機(jī)智云平臺(tái)—運(yùn)營商IOT平臺(tái)—現(xiàn)場設(shè)備。

在此以4盞LED燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控（LED1-LED4最終控制為亮亮滅亮）為例，具體開發(fā)步驟：注冊(cè)并登陸機(jī)智云—進(jìn)入開發(fā)者中心—?jiǎng)?chuàng)建產(chǎn)品—?jiǎng)?chuàng)建所需數(shù)據(jù)點(diǎn)（圖9）—生成并下載MCU代碼—生成APP（APP的SDK代碼或直接用其Demo APP）—在下載的MCU代碼中添加數(shù)據(jù)處理及邏輯代碼—智能終端安裝APP并聯(lián)網(wǎng)—系統(tǒng)調(diào)試。

其中，系統(tǒng)調(diào)試可分段進(jìn)行，首先是手機(jī)APP與機(jī)智云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，如圖10所示；然后是移動(dòng)電話對(duì)實(shí)物電路板的控制，如圖11所示；最后是整個(gè)系統(tǒng)的功能調(diào)試。

圖9 機(jī)智云平臺(tái)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)

圖10 移動(dòng)電話AAP通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)智云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互

圖11 智能硬件至移動(dòng)電話終端APP的完整系統(tǒng)監(jiān)控示例

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于LORA、NB-IOT技術(shù)與機(jī)智云平臺(tái)的工廠環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，分別對(duì)感知層、傳輸層和應(yīng)用層進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括各種傳感器、STM32控制板、LORA通信、NB-IOT通信、機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、智能終端APP等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，功能穩(wěn)定可靠，充分利用了當(dāng)前新技術(shù)新理念，實(shí)用性和可推廣性強(qiáng)，通過實(shí)際測試能夠達(dá)到實(shí)用要求。