陳旭東

（閩南理工學(xué)院實(shí)踐教學(xué)中心， 福建 石獅 362700）

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及普及，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測(cè)必須摒棄傳統(tǒng)方式，運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)提高管理效率，保障實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)安全運(yùn)行。在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)踐中，相關(guān)技術(shù)在其他設(shè)計(jì)系統(tǒng)中已有所運(yùn)用。比如利用ZigBee 與WiFi 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及互聯(lián)網(wǎng)傳輸，但WiFi 系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜無(wú)法實(shí)現(xiàn)低功耗及低成本；也有直接利用NB-IoT 模塊作為環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低功耗且靈活的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，但NB-IoT 模塊作為節(jié)點(diǎn)成本過高，特別是需要監(jiān)測(cè)多個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的時(shí)候，需要大量的節(jié)點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本。采用ZigBee 模塊作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)及終端設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)ZigBee 協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)快速組網(wǎng)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及下發(fā)控制指令。ZigBee 協(xié)調(diào)器只需借助一個(gè)NB-IoT 模塊即可與IoT 云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及終端設(shè)備控制，滿足低成本、低功耗的實(shí)際需求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于NB-IoT 和ZigBee 的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含傳感及控制模塊、集中模塊、云平臺(tái)和應(yīng)用模塊四大部分，如圖1 所示。傳感及控制模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集及功能控制，傳感器包括煙霧、溫度及濕度，控制器包括噴淋器及風(fēng)扇，ZigBee 節(jié)點(diǎn)包括單片機(jī)系統(tǒng)電路、電池供電電路及外圍接口電路。集中模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集及上傳，設(shè)置一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)作為ZigBee 協(xié)調(diào)器，完成ZigBee 自組網(wǎng)內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集和命令下發(fā)。NB-IoT 模塊與ZigBee 協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口通信，作為ZigBee 自組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)并接收命令。云平臺(tái)采用中國(guó)移動(dòng)OneNET 云平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理。應(yīng)用模塊采用WEB 架構(gòu)，基于OneNET 平臺(tái)提供的API 及開發(fā)工具搭建應(yīng)用終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或遠(yuǎn)程控制。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由傳感及控制模塊、集中模塊兩部分組成。ZigBee 傳輸使用2.4 GHz 通用頻段，在自組網(wǎng)10～100 m 的范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要設(shè)置多個(gè)傳感及控制模塊，系統(tǒng)只需設(shè)置一個(gè)集中模塊。

2.1 傳感及控制模塊

傳感及控制模塊包括ZigBee 節(jié)點(diǎn)、傳感器和控制器三大部分，如下頁(yè)圖2 所示。ZigBee 節(jié)點(diǎn)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530 單片機(jī)作為主控芯片。ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)包括單片機(jī)主控板、供電電路（采用3.3 V電池供電）和外圍電路擴(kuò)展板，完成傳感器驅(qū)動(dòng)、控制器驅(qū)動(dòng)及無(wú)線射頻驅(qū)動(dòng)三大部分內(nèi)容。

圖2 傳感及控制模塊硬件連接

溫濕度傳感器采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，具有已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出，濕度量程5～95%RH，溫度量程-20～60 ℃，其靈敏性及可靠性滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。CC2530 單片機(jī)使用IO 口P0_7作為數(shù)字信號(hào)接收口，單片機(jī)需對(duì)接收的溫濕度信息進(jìn)行字符串轉(zhuǎn)換，利用變量temp 和humidity 存儲(chǔ)溫濕度信息用于OLED 顯示及單片機(jī)邏輯控制條件。

煙霧傳感器采用MQ-2 高靈敏煙霧傳感器，測(cè)量范圍最低5 000×10-6，最高20 000×10-6。傳感器的導(dǎo)電率隨環(huán)境中氣體濃度增大而增大，其模擬輸出電壓也加大。CC2530 單片機(jī)使用P0_6 口作為模擬量輸入口獲得輸入電壓并進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，與傳感器量程進(jìn)行相應(yīng)的比例運(yùn)算可以計(jì)算出環(huán)境濃度值。

控制器由風(fēng)扇及噴淋系統(tǒng)組成，當(dāng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室溫濕度過高時(shí)可以自動(dòng)或者手動(dòng)開啟風(fēng)扇進(jìn)行降溫除濕。當(dāng)煙霧傳感器監(jiān)測(cè)到室內(nèi)煙霧濃度過高時(shí)，則需要向協(xié)調(diào)器發(fā)送警報(bào)信號(hào)，進(jìn)而手動(dòng)或者自動(dòng)開啟噴淋系統(tǒng)。對(duì)風(fēng)扇及噴淋系統(tǒng)的控制需使用兩組繼電器，單片機(jī)分別使用P1_0 和P1_1 兩個(gè)IO 口對(duì)繼電器進(jìn)行控制。

2.2 集中模塊

集中模塊由ZigBee 協(xié)調(diào)器和NB-IoT 節(jié)點(diǎn)兩部分組成，硬件連接如圖3 所示。ZigBee 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)與其他ZigBee 節(jié)點(diǎn)一樣，完成ZigBee 自組網(wǎng)的連接管理，集中來自不同ZigBee 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息，包括溫濕度、煙霧量、電池電量和報(bào)警信息等，最后通過串口傳輸給NB-IoT 節(jié)點(diǎn)。

圖3 集中模塊硬件連接

NB-IoT 節(jié)點(diǎn)采用上海移遠(yuǎn)公司的BC28 模組。進(jìn)行串口電平轉(zhuǎn)換后，協(xié)調(diào)器CC2530 使用串口1（P0_4、P0_5）與NB-IoT 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)發(fā)送AT 指令或接收控制信息。考慮功耗控制要求，CC2530 使用P1_2 口對(duì)BC28 的開啟及休眠進(jìn)行控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制ZigBee 自組網(wǎng)與NB-IoT 節(jié)點(diǎn)之間的通信需要進(jìn)行合理的軟件設(shè)計(jì)，主要包括傳感及控制模塊程序設(shè)計(jì)、集中模塊程序設(shè)計(jì)及耗能控制。

3.1 傳感及控制模塊程序設(shè)計(jì)

為了滿足監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)功耗控制要求，在保證Zig-Bee 自組網(wǎng)快速組網(wǎng)并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引入休眠及喚醒機(jī)制，即各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由ZigBee 協(xié)調(diào)器進(jìn)行休眠及喚醒控制。程序流程圖如圖4 所示。

圖4 傳感及控制模塊程序設(shè)計(jì)

3.2 集中模塊程序設(shè)計(jì)

集中模塊由ZigBee 協(xié)調(diào)器和NB-IoT 節(jié)點(diǎn)組成，ZigBee 協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并傳輸給BC28 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。等數(shù)據(jù)傳輸完畢，ZigBee 協(xié)調(diào)器向各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)及BC28 節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送休眠指令，為保證設(shè)備同步性，必須設(shè)置相同的休眠定時(shí)器。程序流程圖如圖5 所示。

圖5 集中模塊程序設(shè)計(jì)

3.3 耗能控制

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)及集中模塊節(jié)點(diǎn)均采用電池供電，提高了環(huán)境監(jiān)測(cè)布局的靈活性，降低了應(yīng)用成本，但對(duì)耗能控制的要求更加嚴(yán)格。CC2530 模組及BC28 模組的主要耗能是在射頻模式下，即發(fā)送、接受數(shù)據(jù)。在休眠模式下的耗能極低，故通過軟件設(shè)計(jì)延長(zhǎng)休眠時(shí)間是控制功耗的有效方法，但同時(shí)要保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，所以軟件設(shè)計(jì)需要根據(jù)場(chǎng)所的不同監(jiān)測(cè)需要，經(jīng)過多次調(diào)試以確定合理的休眠和喚醒時(shí)間。

4 云平臺(tái)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)顯示及控制命令發(fā)送，系統(tǒng)采用OneNET 云平臺(tái)，其友好的開發(fā)環(huán)境及支持多協(xié)議接入讓NB-IoT 模塊上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變得簡(jiǎn)單。平臺(tái)采用Web 架構(gòu)，開發(fā)環(huán)境提供了必須的界面搭建元素，數(shù)據(jù)綁定簡(jiǎn)潔直觀，控制臺(tái)可以自動(dòng)生成Web 應(yīng)用鏈接，利用瀏覽器或OneNET 手機(jī)APP 可以方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制。

4.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)Web 應(yīng)用和底層傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互及分析處理，云平臺(tái)是連接Web 應(yīng)用和底層傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁，云平臺(tái)接收并存儲(chǔ)來自傳感網(wǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并為Web 應(yīng)用開發(fā)者提供API。系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

4.2 防誤報(bào)機(jī)制

引入防誤報(bào)機(jī)制。監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器由于信號(hào)干擾或者傳輸錯(cuò)誤可能出現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)偏差，防誤報(bào)設(shè)計(jì)思路是若一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)超過閾值，數(shù)據(jù)平臺(tái)不會(huì)立刻做出警報(bào)及控制終端反應(yīng)，而是下發(fā)指令再次讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)若再次超過設(shè)定閾值。系統(tǒng)做出報(bào)警處置，否則系統(tǒng)就會(huì)忽略本次警報(bào)，防誤報(bào)機(jī)制提高了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性，避免因誤報(bào)造成損失。系統(tǒng)防誤報(bào)機(jī)制如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)防誤報(bào)機(jī)制

4.3 應(yīng)用界面設(shè)計(jì)

利用OneNET 云平臺(tái)的應(yīng)用管理功能可快速搭建Web 應(yīng)用。工作臺(tái)提供不同類型控件可綁定對(duì)應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)源，應(yīng)用界面設(shè)計(jì)效果如圖8 所示。界面設(shè)計(jì)包括三部分：閾值設(shè)置及報(bào)警標(biāo)志、數(shù)據(jù)顯示折線圖、設(shè)備及工作模式控制。

圖8 應(yīng)用界面設(shè)計(jì)

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，重點(diǎn)對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跟標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)試數(shù)值是否一致，是否會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)，檢驗(yàn)噴淋設(shè)備、風(fēng)扇等功能設(shè)備能否有效控制。除此之外還需檢驗(yàn)系統(tǒng)能耗是否符合低功耗要求以及能否降低后期系統(tǒng)維護(hù)成本。系統(tǒng)測(cè)試采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式，用2 個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊作為傳感及控制模塊，用1 個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊作為協(xié)調(diào)器，用1 個(gè)NB-IoT 模塊作為系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，NB-IoT模塊無(wú)線通信流量使用中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)專用卡進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。

表1 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

基于NB-IoT 和ZigBee 的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，把ZigBee 快速自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)跟NB-IoT 高效遠(yuǎn)程透?jìng)髂芰ο嘟Y(jié)合，應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室溫度、濕度、煙霧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)能對(duì)噴淋系統(tǒng)及風(fēng)扇等功能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。一個(gè)中小規(guī)模的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只需定期向電信運(yùn)營(yíng)商繳納一個(gè)NB-IoT 網(wǎng)關(guān)模塊的流量費(fèi)用而不需要其他費(fèi)用，后期運(yùn)維成本大幅降低。此外系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)及防誤報(bào)機(jī)制也極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用前景。