張弘俊 何樂生 李明悅 龔友梅 陳佳升

摘 要：在國家智慧旅游戰(zhàn)略與“一機(jī)游”應(yīng)用等背景下，衛(wèi)生間蹲位的監(jiān)測尤為重要。為解決人們出行中找到亟需使用的衛(wèi)生間較為困難，部分星級景區(qū)衛(wèi)生間無法市電供電等問題，提出“結(jié)構(gòu)可配置”方法結(jié)合NB-IoT技術(shù)、硬件、軟件設(shè)計出5種低功耗工作模式，使節(jié)點(diǎn)可根據(jù)平臺統(tǒng)計分析結(jié)果自適應(yīng)工作在不同的功耗模式下。“一機(jī)游”找?guī)墓δ軐?shí)踐表明，文中提出的方法能提高“智慧衛(wèi)生間”的覆蓋率，滿足功耗需求，提供高效的尋找衛(wèi)生間的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;物聯(lián)網(wǎng);LPWAN;智慧衛(wèi)生間;傳感器;無線通信

中圖分類號：TP391;TN020.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-05

0 引 言

中國國家旅游局發(fā)布了新的三年計劃：從2018年至2020年，全國計劃新建、改擴(kuò)建旅游衛(wèi)生間6.4萬座，其中新建4.7萬座以上，改擴(kuò)建1.7萬座以上。在國家智慧旅游戰(zhàn)略與“一機(jī)游”應(yīng)用等背景下，所謂“衛(wèi)生間革命”絕不僅僅是蓋房子那么簡單，讓衛(wèi)生間從望之卻步的簡陋場所，逐步升級為兼具衛(wèi)生整理、休息乃至審美、商業(yè)、文化等功能融合的新空間，才配得上“革命”二字[1]。

董光光[2]研究了智慧衛(wèi)生間的理論建設(shè)方法，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)生間聯(lián)網(wǎng)后能給人們出行帶來極大便利。陳石波[3]研究了一種基于STC單片機(jī)的衛(wèi)生間蹲位監(jiān)測方法，介紹了基于單片機(jī)如何在本地衛(wèi)生間門口顯示當(dāng)前衛(wèi)生間使用情況的方式。張峰[4]提出了衛(wèi)生間聯(lián)網(wǎng)后的數(shù)據(jù)處理手段、方法。以上方法都未在真正意義上賦予衛(wèi)生間“智慧”，或者都只是理論方面的研究。為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生間的“智慧”，須把衛(wèi)生間聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)分析，因此感知與聯(lián)網(wǎng)不可忽視。

現(xiàn)有尋找衛(wèi)生間的主要方法為使用地圖軟件尋找，但該方法只能找到目標(biāo)點(diǎn)，而不清楚目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際使用情況。根據(jù)“一機(jī)游”對衛(wèi)生間分布情況和實(shí)際使用情況的研究可知，目前云南多數(shù)景點(diǎn)的衛(wèi)生間監(jiān)測設(shè)備只能電池供電。為降低系統(tǒng)開發(fā)與部署成本，實(shí)現(xiàn)同一軟件、硬件平臺的兼容，本文提出了“結(jié)構(gòu)可配置”方法，該方法通過硬件配置軟件確定節(jié)點(diǎn)的功能類型和供電方案。軟件配置硬件的工作模式使功能節(jié)點(diǎn)工作在多種低功耗模式下，以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，滿足不同的功耗需求。使用紅外熱釋電傳感器來監(jiān)測每個蹲位的使用情況，通過低功耗NB-IoT無線通信模塊把衛(wèi)生間信息上報云平臺，設(shè)計出基于NB-IoT結(jié)構(gòu)的低功耗智慧衛(wèi)生間系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。盡早實(shí)現(xiàn)具有全面覆蓋、安裝部署簡單、開發(fā)周期短等特點(diǎn)的“智慧衛(wèi)生間”。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，無線通信技術(shù)主要包括RFID，Bluetooth，WiFi，ZigBee，LoRa，GPRS，NB-IoT。NB-IoT是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在同樣帶寬頻段下，增益超過20 dB，覆蓋面積可擴(kuò)大100倍，連接能力強(qiáng)，單個小區(qū)內(nèi)可連接5萬臺設(shè)備。同時，NB-IoT技術(shù)的低成本、低功耗性能突出，其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢[5-6]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)組成如圖1所示。

結(jié)構(gòu)一（圖1）：系統(tǒng)由多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集器、NB-IoT基站、物聯(lián)網(wǎng)平臺、云服務(wù)器、手機(jī)應(yīng)用組成;

結(jié)構(gòu)二（圖2）：系統(tǒng)由單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集器、NB-IoT基站、物聯(lián)網(wǎng)平臺、云服務(wù)器、手機(jī)應(yīng)用組成[7]。

兩種結(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)都由NB-IoT無線通信模塊通過NB-IoT基站、物聯(lián)網(wǎng)平臺與云服務(wù)器傳輸、處理，最終顯示到手機(jī)應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)可通過撥碼開關(guān)配置為多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集器或單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集器，其中結(jié)構(gòu)一模式下多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集器功能節(jié)點(diǎn)包含NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)1和NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)2，這兩類功能節(jié)點(diǎn)對功耗較為敏感，使用雙D觸發(fā)器，超低IQ升壓轉(zhuǎn)換器，LDO，低功耗單片機(jī)，低功耗NB-IoT無線通信模塊，低功耗熱紅外熱釋電傳感器，結(jié)合相應(yīng)軟件設(shè)計出5種低功耗工作模式。為降低系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的功耗，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)平臺統(tǒng)計分析結(jié)果，自適應(yīng)工作在不同功耗模式下。結(jié)構(gòu)二模式下，單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集器功能節(jié)點(diǎn)包含NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)。

三種功能節(jié)點(diǎn)使用同一硬件電路，每個功能節(jié)點(diǎn)所使用的傳感器不相同，硬件主要包含低功耗單片機(jī)、NB-IoT無線通信模塊、低功耗電源電路、相關(guān)外圍電路。通過3位撥碼開關(guān)選擇系統(tǒng)采集器的功能節(jié)點(diǎn)類型以及相關(guān)硬件電路模塊、軟件模塊。結(jié)構(gòu)可配置設(shè)計，在部署功能節(jié)點(diǎn)時撥動撥碼開關(guān)、撥動開關(guān)，連接對應(yīng)模式下的傳感器，安裝部署簡單、方便。

無電源供電區(qū)域的衛(wèi)生間部署結(jié)構(gòu)一系統(tǒng)采集器，在有電源供電的地方部署結(jié)構(gòu)二系統(tǒng)采集器。結(jié)構(gòu)一系統(tǒng)中，NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)1上報衛(wèi)生間的人流量信息、衛(wèi)生間地理信息、衛(wèi)生間適用性別、功能節(jié)點(diǎn)類型等;NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)2上報每個蹲位的使用情況及衛(wèi)生間地理信息與功能節(jié)點(diǎn)類型。結(jié)構(gòu)二系統(tǒng)中，NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)3上報該衛(wèi)生間的人流量信息、衛(wèi)生間地理信息、衛(wèi)生間適用性別、每個蹲位的使用情況、功能節(jié)點(diǎn)類型。通過單片機(jī)程序處理后把衛(wèi)生間信息通過NB-IoT無線通信模塊上報到物聯(lián)網(wǎng)平臺，待數(shù)據(jù)從系統(tǒng)采集器上報到物聯(lián)網(wǎng)平臺后，物聯(lián)網(wǎng)平臺將數(shù)據(jù)推送到云服務(wù)器。使用者使用手機(jī)選擇同行性別及人數(shù)提交查詢時，服務(wù)器應(yīng)用程序根據(jù)查詢條件把符合條件的周邊路線和使用情況推送到手機(jī)，使用者可根據(jù)相關(guān)信息選擇合適的衛(wèi)生間，跟隨導(dǎo)航前往目的地。

2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

硬件配置軟件時可通過撥碼開關(guān)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的工作模式，撥動開關(guān)選擇相應(yīng)工作模式下的供電方案。使用雙D觸發(fā)器控制DC-DC，LDO電源的使能，以便控制不同模塊的電源。

NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)硬件包括嵌入式處理器最小系統(tǒng)及其外圍通信電路、NB-IoT無線通信模塊外圍電路、電源電路、擴(kuò)展功能及傳感器接口電路。如圖3所示，低功耗單片機(jī)STM32L4、電源電路、NB-IoT通信模塊電路為兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的公共部分。低功耗單片機(jī)STM32L4，BC20，低功耗熱釋電傳感器均可通過傳感器中斷喚醒，這使得單片機(jī)和BC20可以工作在極低的功耗模式下。

2.1 NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)低功耗電路設(shè)計

系統(tǒng)的功能節(jié)點(diǎn)電源使用三種方式供電，分別為鋰亞硫酰氯電池、9～17 V直流電源、5 V USB電源。

嵌入式處理器選用ST公司基于ARM的32 bit Cortex-M4內(nèi)核的STM32L479RG，工作電壓為1.71～3.6 V，其擁有7種低功耗模式，5個外部喚醒引腳，可在極低功耗模式下被喚醒。在多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，紅外熱釋電傳感器連接到WKUP4和WKUP5。處理器擁有1個低功耗串口LPUART1，5個通用USART，其中低功耗串口用來連接與之頻繁通信的BC20模塊，以降低功耗。

BC20是上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)股份有限公司基于MTK的MT2625平臺設(shè)計的NB-IoT無線通信模塊，它是一款高性能、低功耗、多頻段、支持GNSS（北斗、GPS、QZSS等）定位功能的NB-IoT無線通信模組，其提供了豐富的外部接口和協(xié)議棧，支持中國移動 OneNET、中國電信IoT、華為 OceanConnect、阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺。模塊的工作模式分為三個部分，即AP，Modem和模塊系統(tǒng)，該模式有效降低了無線通信模塊的功耗[8-9]。深度睡眠模式下電流為3.7 μA，GNSS電源打開時無線模塊耗流為110 μA，電源供電峰值為500 mA。

結(jié)構(gòu)一系統(tǒng)采集器采用鋰亞硫酰氯電池（ER34615電池）+SPC1550鋰離子電池電容器組合而成的復(fù)合電源。該復(fù)合電源的額定容量為19 A·h，額定電壓為3.6 V，最大脈沖電流為3 000 mA。BC20電壓范圍為2.1～3.63 V，為確保電源供電性能，在靠近模塊VBAT輸入端并聯(lián)一個低ESR型0.7 Ω的100 μF鉭電容，以及100 nF，100 pF和22 pF的濾波電容。同時，在靠近VBAT輸入端連接一個TVS管以提高模塊的浪涌和ESD承受能力。為滿足BC20供電和低功耗應(yīng)用需求，使用DC-DC-3.3 V模塊（TI的TPS61099升壓斬波器）給BC20及其外圍設(shè)備供電，其靜態(tài)電流為1 μA。TPS61099主要應(yīng)用在手持設(shè)備、電池供電系統(tǒng)中。

結(jié)構(gòu)二系統(tǒng)采集器使用DC-DC-5 V（采用TI的TPS562200 DC-DC轉(zhuǎn)換芯片）模塊將9～17 V直流電源電壓降到5 V，其可提供3 A電流，其靜態(tài)電流小于10 μA。LDO-3（AMS1117-3.3）把5 V電壓穩(wěn)定在3.3 V，為嵌入式處理器外圍電路、BC20外圍電路、傳感器等供電。

通過S1，S2撥動開關(guān)配置兩種不同結(jié)構(gòu)下的供電電源切換方案。無論多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)還是單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)都同時使用LDO-1、LDO-2（TPS70930DBVR）分別給MCU和紅外熱釋電傳感器供電。紅外熱釋電傳感器電流偏大，為適應(yīng)不同使用場景，選擇兩個低靜態(tài)電流LDO分別供電。MC14013B雙通道D觸發(fā)器控制TPS61099和TPS70930DBVR的使能端，MC14013B的靜態(tài)電流僅約5 nA，這樣能夠使用軟件來配置BC20及其外圍電路、MCU外圍電路的供電。軟件和硬件配置條件下設(shè)計出5種低功耗模式。衛(wèi)生間是一個涉及個人隱私的地方，為防止設(shè)備被更換或者被盜，使用按鍵中斷喚醒MCU方式上傳報警消息。

2.2 NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)嵌入式處理器及無線通信電路設(shè)計

如圖2所示，結(jié)構(gòu)一系統(tǒng)中，兩個低功耗紅外熱釋電傳感器分別連接WKUP4和WKUP5，當(dāng)系統(tǒng)采集器工作在功能節(jié)點(diǎn)1模式時，用來監(jiān)測人流量;當(dāng)工作在NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)2模式時，用來監(jiān)測每個蹲位信息。結(jié)構(gòu)二系統(tǒng)中，單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集器有兩路RS 485轉(zhuǎn)換電路，定義USART2轉(zhuǎn)RS 485一路采集器連接到男衛(wèi)生間，USART3轉(zhuǎn)RS 485一路采集器連接到女衛(wèi)生間。USART5通過SP3232EEA電平轉(zhuǎn)換芯片與微型PC機(jī)連接，把衛(wèi)生間數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑿蚉C，處理后驅(qū)動液晶屏顯示。

NB-IoT無線通信模塊電路和GNSS天線端口都有50 Ω特性阻抗[10]。GNSS天線根據(jù)使用場景設(shè)計為有源天線，使用時更為靈活。為了能夠更好地調(diào)節(jié)射頻性能，為天線電路預(yù)留匹配電路。PCB設(shè)計中，所有的射頻信號線的特性阻抗應(yīng)控制在50 Ω。

3 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

軟件配置硬件，嵌入式軟件讀取3位撥碼開關(guān)的電平來配置系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功能類型，數(shù)據(jù)上報成功后物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)配置指令，通過配置指令配置相關(guān)硬件使功能節(jié)點(diǎn)工作在不同的低功耗模式下。

NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報和接收見表1、表2所列。上報數(shù)據(jù)中兩字節(jié)字符幀頭為功能節(jié)點(diǎn)類型，即MF為功能節(jié)點(diǎn)1，MP為功能節(jié)點(diǎn)2，SN為功能節(jié)點(diǎn)3。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一模式下，為實(shí)現(xiàn)軟件配置硬件以降低系統(tǒng)采集器功耗，采集器模塊發(fā)送本地信息后接收平臺的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)中使用的頻度信息包含了平臺統(tǒng)計的一段時間內(nèi)該蹲位使用頻率最高的時間段。RTC中斷時間配置包含時、分、秒等信息。PWR_FLAG為該蹲位使用時間統(tǒng)計標(biāo)志，PWR_FLAG默認(rèn)值為1;服務(wù)器統(tǒng)計有1.2天無人訪問該蹲位時，PWR_FLAG值為2;8.4天以上無人訪問該蹲位時，PWR_FLAG值為3。平臺根據(jù)使用頻度信息和PWR_FLAG等信息決定是否使能夜間模式，該模式下LDO-2失能，可降低傳感器功耗。

在兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式下，NB-IoT無線通信模塊的低功耗配置可通過APN相關(guān)參數(shù)的配置來實(shí)現(xiàn)。針對不同的業(yè)務(wù)場景，NB卡提供多種特殊定制的APN，電信NB卡默認(rèn)簽約Ctnb，移動NB卡APN為CMNBIoT。不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下選擇不同的APN參數(shù)，變更APN或TAU定時器操作時，只需重新附著網(wǎng)絡(luò)就會給終端下發(fā)新的APN配置參數(shù)[7-8]。功能節(jié)點(diǎn)初始化時，通過AT指令查詢無線通信模塊NB卡所屬運(yùn)營商，根據(jù)不同運(yùn)營商的APN配置信息表。配置電信卡時設(shè)備APN為ue.prefer.ctnb，可通過相關(guān)AT指令設(shè)置T3324，T_eDRX，T_PTW時間。

嵌入式軟件通過判斷撥碼開關(guān)的電平來配置兩種結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的功能類型。MCU外設(shè)根據(jù)功能節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行初始化，以滿足不同結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)的功耗需求。初始化成功后，結(jié)構(gòu)一模式下系統(tǒng)功能節(jié)點(diǎn)未檢測到相應(yīng)紅外熱釋電傳感器中斷或者RTC中斷時，將根據(jù)功耗模式標(biāo)志位進(jìn)入對應(yīng)低功耗模式;檢測到中斷喚醒時，立刻上報數(shù)據(jù)，確定功耗標(biāo)志位數(shù)據(jù)后進(jìn)入相應(yīng)功耗模式。結(jié)構(gòu)二模式下系統(tǒng)功能節(jié)點(diǎn)循環(huán)判斷RS 485采集器蹲位信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)生變化時按照表1中的數(shù)據(jù)幀格式上報。

結(jié)構(gòu)一模式下功能節(jié)點(diǎn)低功耗模式轉(zhuǎn)換如圖3所示。該結(jié)構(gòu)下，數(shù)據(jù)上報成功后物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)功耗配置指令，配置相關(guān)模塊電源進(jìn)入低功耗模式。低功耗模式轉(zhuǎn)換命令為夜間模式與PWR_FLAG組成的十六進(jìn)制配置指令（Work_Mode<<4&PWR_FLAG）。系統(tǒng)首先進(jìn)入低功耗模式1，當(dāng)NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)從該模式喚醒后，判斷若夜間模式字節(jié)數(shù)據(jù)值為1，則進(jìn)入低功耗模式1-1，RTC_Flag默認(rèn)值為0;PWR_FLAG為2時NB-IoT功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗模式2，RTC_Flag為1時節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗模式2-2;PWR_FLAG為3時進(jìn)入低功耗模式3，該模式下RTC喚醒功能節(jié)點(diǎn)，通過判斷使用頻度信息是否有效來確定功能節(jié)點(diǎn)的工作模式。使用頻度信息有效則系統(tǒng)配置RTC相關(guān)寄存器后進(jìn)入低功耗模式2。系統(tǒng)采集器為功能節(jié)點(diǎn)1或者2時，空閑狀態(tài)下進(jìn)入多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)低功耗模式。結(jié)構(gòu)二模式下，單片機(jī)循環(huán)接收串口數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)變化，當(dāng)數(shù)據(jù)變化時通過BC20無線通信模塊上報服務(wù)器。該模式下，系統(tǒng)功耗對使用的影響不大，不必通過軟件配置硬件功能節(jié)點(diǎn)工作在低功耗模式下，但可預(yù)留數(shù)據(jù)接收功能，接收的數(shù)據(jù)可以做為廣告或者提示信息發(fā)布在微型PC液晶顯示器。STM32L4串口USART5把平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的衛(wèi)生間狀態(tài)信息發(fā)送到液晶顯示器顯示。

4 測試結(jié)果

表3所列為結(jié)構(gòu)一模式下功能節(jié)點(diǎn)1各低功耗模式下測得的模塊電流。實(shí)際測試時在四樓室內(nèi)，NB-IoT無線通信模塊附著到網(wǎng)絡(luò)連接物聯(lián)網(wǎng)平臺的平均時間為15 s，平均電流為130 mA。若低功耗節(jié)點(diǎn)工作在低功耗模式1超22 h未檢測到有人，則平臺自動發(fā)送命令控制設(shè)備切換到低功耗模式2;如果超6.2天未檢測到有人，則設(shè)備進(jìn)入低功耗模式3。

根據(jù)“一部手機(jī)游云南”相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，云南省擁有旅游廁所5 000余座，其中22.3%的衛(wèi)生間處于無法市電供電狀態(tài)。目前，已上線智慧衛(wèi)生間736座，游客使用次數(shù)超100萬次。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)軟件配置硬件、硬件配置軟件的方法實(shí)現(xiàn)了低功耗結(jié)構(gòu)可配置的目的，同時系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)一模式下功能節(jié)點(diǎn)的功耗完全能夠在電池供電情況下長久工作。使用該方法完成的功能節(jié)點(diǎn)部署設(shè)計能夠有效提高衛(wèi)生間的使用率與“智慧衛(wèi)生間”的覆蓋率，并滿足其功耗需求，為亟需如廁的人們提供有效的尋找衛(wèi)生間服務(wù)。

5 結(jié) 語

廁所建設(shè)供給不足、質(zhì)量不高是我國旅游發(fā)展公共服務(wù)建設(shè)最薄弱的一個環(huán)節(jié)。隨著智慧城市與“一機(jī)游”的發(fā)展，以及人們生活水平的提高，人們對出行效率、衛(wèi)生間品質(zhì)的要求隨之提升。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)生間使用情況以及環(huán)境的監(jiān)測是提高出行效率和改良衛(wèi)生間環(huán)境的重要手段。低功耗結(jié)構(gòu)可配置的方法完全能夠解決當(dāng)前衛(wèi)生間所面臨的難題。

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