賈 婷，安 璐，廖 明，劉 瑩

(1.沈陽工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113122； 2.中鐵九局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，沈陽 110000)

0 引言

BAS系統(tǒng)由中央監(jiān)控工作站、現(xiàn)場控制器、其他監(jiān)控子系統(tǒng)、傳感器及通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[1]。中央監(jiān)控站，設(shè)于站房一層消防控制室，由通信前置機(jī)、BAS工作站、后臺(tái)交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、UPS電源、打印機(jī)等設(shè)備組成。中央監(jiān)控站提供與智能照明、FAS等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口。在機(jī)電設(shè)備相對(duì)集中的現(xiàn)場設(shè)置現(xiàn)場控制器，完成對(duì)空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)換氣機(jī)、送/排風(fēng)機(jī)、風(fēng)幕機(jī)、潛污泵、電/扶梯等設(shè)備的監(jiān)控及監(jiān)視[2-3]。

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT，narrow band internet of things)是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支[4]。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接[5-7]。NB-IoT設(shè)備電池壽命可以提高至至少10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。

在車站監(jiān)控過程中，為了更好地優(yōu)化BAS系統(tǒng)的可視化界面設(shè)計(jì)、提高監(jiān)控質(zhì)量，以達(dá)到節(jié)能、安全、提高管理水平的目的，本設(shè)計(jì)采用STM32作為微控制器，設(shè)計(jì)溫濕度及光照總控中心和調(diào)控節(jié)點(diǎn)電路，總控中心通過華為 NB-IoT無線通信模塊與安裝在站內(nèi)的多個(gè)調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的通信，將通過各節(jié)點(diǎn)的溫濕度及光照傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32單片機(jī)處理后，通過NB-IoT無線通信模塊上傳至根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)的華為云模型中，實(shí)現(xiàn)總控制中心及節(jié)點(diǎn)電路的數(shù)據(jù)可視化及數(shù)據(jù)分析，并可以由上位機(jī)云端模塊直接控制下位機(jī)的空調(diào)機(jī)組，換氣機(jī)污水泵等設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)管與控制站內(nèi)現(xiàn)場環(huán)境。

1 系統(tǒng)組成與原理

基于STM32的鐵路運(yùn)輸站內(nèi)NB-IoT可視化云智能BAS系統(tǒng)由上位機(jī) Oceanconnect云平臺(tái)、 NB-IoT無線傳輸模塊和下位機(jī)STM32F411單片機(jī)數(shù)據(jù)采集調(diào)控節(jié)點(diǎn)組成。利用各STM32F411單片機(jī)數(shù)據(jù)采集調(diào)控節(jié)點(diǎn)通過傳感器獲取鐵路運(yùn)輸站內(nèi)的各數(shù)據(jù)信息(溫度、濕度、光照等信息)，通過NB-IoT無線傳輸模塊構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，最后將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī) Oceanconnect云平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，并可由上位機(jī)Oceanconnect云平臺(tái)下發(fā)指令來實(shí)時(shí)完成對(duì)各站內(nèi)空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)換氣機(jī)、送/排風(fēng)機(jī)、風(fēng)幕機(jī)、潛污泵、電/扶梯等設(shè)備的監(jiān)控及監(jiān)視，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

如圖1所示，上位機(jī)安放在車站管理中心，為一體機(jī)或筆記本電腦，下位機(jī)數(shù)據(jù)采集調(diào)控節(jié)點(diǎn)及 NB-IoT無線傳輸模塊安放在各個(gè)車站監(jiān)控室，下位機(jī)各控制節(jié)點(diǎn)將采集到各站內(nèi)的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)通過 NB-IoT無線傳輸模塊上傳至 Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中預(yù)先建立好的節(jié)點(diǎn)模型中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在平臺(tái)中以數(shù)據(jù)及圖表形式更加直觀的顯示出來。同時(shí)通過上位機(jī)Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中觀測到的數(shù)據(jù)如果超過相應(yīng)的閾值范圍，還可以通過上位機(jī)頁面中設(shè)置的按鈕手動(dòng)關(guān)閉或開啟下位機(jī)節(jié)點(diǎn)中的執(zhí)行設(shè)備如空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)換氣機(jī)、送/排風(fēng)機(jī)、風(fēng)幕機(jī)、潛污泵、電/扶梯等設(shè)備，如預(yù)設(shè)溫度閾值范圍為20～27 ℃，一旦溫度超過27 ℃或低于20 ℃，可通過Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中的對(duì)應(yīng)按鈕來控制站內(nèi)的制冷或加熱設(shè)備的開啟，從而實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)傳輸與顯示分析及自動(dòng)安全控制等功能。

2 系統(tǒng)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)溫度傳感器、濕度傳感器及光敏傳感器數(shù)據(jù)綜合來控制電機(jī)和繼電器來自動(dòng)控制車站中的空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)換氣機(jī)、送/排風(fēng)機(jī)、風(fēng)幕機(jī)、潛污泵、電/扶梯等執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)可通過云平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制車站管理系統(tǒng)。各下位機(jī)各控制節(jié)點(diǎn)由STM32F411單片機(jī)、數(shù)字型光敏傳感器、溫濕度傳感器、OLED屏幕、按鍵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(為開啟空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)換氣機(jī)、送/排風(fēng)機(jī)、風(fēng)幕機(jī)、潛污泵、電/扶梯等設(shè)備提供電壓)、繼電器等組成，如圖2所示。

圖2 下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)框圖

基于STM32F4系列芯片、數(shù)字型光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、按鍵、OLED屏幕等硬件設(shè)計(jì)開發(fā)各下位機(jī)控制節(jié)點(diǎn)，采集并顯示環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的程序，能夠?qū)崿F(xiàn)通過串口輸出以及OLED顯示光敏傳感器數(shù)據(jù)功能。設(shè)計(jì)根據(jù)溫度、濕度、光照強(qiáng)度自動(dòng)控制車站的執(zhí)行設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)車站的各執(zhí)行設(shè)備開關(guān)狀態(tài)的功能，其中溫濕度、光照強(qiáng)度的閾值可通過鍵盤輸入調(diào)節(jié)，并在OLED屏幕上顯示設(shè)置閾值的過程以及實(shí)時(shí)溫濕度、光照強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)間控制車站的程序，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)設(shè)置的時(shí)間對(duì)車站進(jìn)行控制，時(shí)間設(shè)置為24小時(shí)制，通過鍵盤進(jìn)行設(shè)置，并在OLED上顯示設(shè)置后的時(shí)間以及當(dāng)前時(shí)間，為了方便驗(yàn)證，當(dāng)前時(shí)間也需要設(shè)置。基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)端測設(shè)備數(shù)據(jù)上云程序，能夠?qū)崿F(xiàn)在Oceanconnect平臺(tái)的應(yīng)用模擬器中查看終端設(shè)備上傳的溫濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，同時(shí)在OLED上顯示當(dāng)前檢測的光照數(shù)據(jù)，要求OLED屏幕上當(dāng)前光照值與oceanconnect上傳的光照值一致。設(shè)計(jì)完整功能程序，能夠?qū)崿F(xiàn)底層矩陣鍵盤與云端Oceanconnect平臺(tái)實(shí)時(shí)設(shè)置溫濕度、光照強(qiáng)度閾值(底層矩陣鍵盤的輸入優(yōu)先級(jí)最高)，OLED屏幕實(shí)時(shí)更新顯示來自矩陣鍵盤輸入和云端平臺(tái)下發(fā)的當(dāng)前時(shí)間，根據(jù)時(shí)間控制車站的時(shí)間范圍、當(dāng)前溫濕度、光照強(qiáng)度、控制車站的溫濕度、光照強(qiáng)度范圍、電機(jī)及繼電器(即車站中的空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)換氣機(jī)、送/排風(fēng)機(jī)、風(fēng)幕機(jī)、潛污泵、電/扶梯等執(zhí)行設(shè)備)當(dāng)前的狀態(tài)。

系統(tǒng)中的主控芯片采用的是STM32F4系列的STM32F411芯片，該芯片在同類單片機(jī)芯片中性能較好，性價(jià)比較高，支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理，數(shù)據(jù)傳輸速率非?？靃8-10]。STM32F411芯片具有512 KB的ROM，128 KB的SRAM，以及連接到兩個(gè) APB 總線、兩個(gè) AHB 總線和一個(gè) 32 位總線的各種增強(qiáng)型 I/O 和外設(shè)多 AHB 總線矩陣，并以100 MHz的工作頻率運(yùn)行。在系統(tǒng)中同時(shí)利用STM32的GPIO端口輸入功能來采集各傳感器中的環(huán)境數(shù)據(jù)，輸出功能來實(shí)現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)控制站內(nèi)設(shè)備，以達(dá)到系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定狀態(tài)。

系統(tǒng)中采用SHT30溫濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的采集。SHT30溫濕度傳感器最高支持1 000 k的傳輸速率，有較高的數(shù)據(jù)通信速率，高集成度電容式測濕元件和能隙式測溫元件，SHT30能夠提供極高的可靠性和出色的長期穩(wěn)定性，具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。傳感器內(nèi)部經(jīng)過校準(zhǔn)、線性化與放大，能夠輸出與溫濕度呈線性關(guān)系的模擬電壓，無需額外的驅(qū)動(dòng)庫，使用簡單方便，電路圖連接如圖3(a)所示。系統(tǒng)中采用BH1750光強(qiáng)傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)光照度的采集。BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強(qiáng)度變化。電路圖連接如圖3(b)所示。

圖3 傳感器電路連接圖

系統(tǒng)中的下位機(jī)顯示模塊采用0.96寸OLED顯示模塊進(jìn)行溫濕度和光強(qiáng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，OLED顯示的數(shù)據(jù)與上位機(jī)一致能夠證明通信的實(shí)時(shí)性能較好[14-17]。顯示電路圖連接如圖4所示。

圖4 OLED顯示模塊電路連接圖

系統(tǒng)的執(zhí)行器包含蜂鳴器、電機(jī)和繼電器模塊，當(dāng)采集到的實(shí)時(shí)溫度、濕度、光強(qiáng)等信息超過預(yù)測的閾值范圍時(shí)，執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警動(dòng)作：溫度超限時(shí)蜂鳴器報(bào)警、濕度超限時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、光強(qiáng)超限時(shí)繼電器模塊打開，不同的執(zhí)行器模塊連接站內(nèi)實(shí)際設(shè)備的驅(qū)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制，系統(tǒng)執(zhí)行器模塊電路連接如圖5所示。

圖5 執(zhí)行器模塊電路連接圖

3 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)使用底層嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境IoT Studio軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，IoT Studio 是支持 LiteOS 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的工具，支持 C、C++、匯編等多種開發(fā)語言，提供開發(fā)、構(gòu)建、調(diào)試的一站式全流程開發(fā)，使用起來簡潔方便，界面如圖6所示。

圖6 IoT Studio開發(fā)界面圖

在IoT Studio軟件中實(shí)現(xiàn)下位機(jī)C語言程序的編寫、編譯、修改，將無語法錯(cuò)誤的程序下載到STM32F411單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)軟硬件集成在線調(diào)試，根據(jù)具體硬件的現(xiàn)象來確定程序的功能是否完善。

下位機(jī)在IoT Studio軟件中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器、濕度傳感器及光敏傳感器的數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過OLED屏幕顯示出來，同時(shí)利用按鍵控制各傳感器采集數(shù)據(jù)的閾值范圍的設(shè)置，根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置溫濕度計(jì)光照數(shù)據(jù)的正常閾值范圍，一旦有傳感器采集到的某一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過了正常的閾值范圍，通過蜂鳴器、電機(jī)、繼電器等執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行報(bào)警及控制車站中的電機(jī)及繼電器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)換氣機(jī)、送/排風(fēng)機(jī)、風(fēng)幕機(jī)、潛污泵、電/扶梯等設(shè)備的控制。

上位機(jī)在IoT Studio軟件中主要實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的雙工通信，下位機(jī)單片機(jī)采集到的傳感器數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，同時(shí)上位機(jī)Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的相關(guān)指令也可下發(fā)到下位機(jī)的單片機(jī)中來實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

設(shè)計(jì)過程采用模塊化程序的設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集、光敏傳感器的數(shù)據(jù)采集、下位機(jī)上傳輸數(shù)據(jù)、上位機(jī)下發(fā)指令4個(gè)子程序模塊的設(shè)計(jì)。

溫濕度及光敏傳感器的數(shù)據(jù)采集過程：首先聲明 STH30 溫濕度傳感器及BH1750 光強(qiáng)傳感器的寄存器地址,I2C 總線的地址，SHT30 的 I2C 總線通信地址，BH1750 的 I2C總線通信地址，啟動(dòng)地址，控制地址，復(fù)位地址等，完成寄存器地址的聲明后，定義初始化函數(shù) Init_N3M9_WDMTHI 與數(shù)據(jù)獲取函數(shù) N3M9_WDMTHI_Read_Data。在N3M9_WDMTHI.c 文件中對(duì)傳感器的工作方式進(jìn)行定義，首先初始化并啟動(dòng) BH1750 光強(qiáng)傳感器，即Init_BH1750初始化，對(duì)傳感器通電命令 0x01 進(jìn)行聲明，然后通過 I2C 總線將該命令下發(fā)至傳感器，在 Start_BH1750函數(shù)中聲明一次性高分辨率工作模式的命令 0x10，并通過 I2C 總線將該命令下發(fā)至傳感器。啟動(dòng) BH1750 后即可通過 I2C 總線獲取光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過公式將獲取到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，編寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù) Convert_BH1750。接著對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行初始化，啟動(dòng)，復(fù)位，獲取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能函數(shù)的編寫，首先完成溫濕度傳感器復(fù)位函數(shù)SHT30_reset及初始化函數(shù) Init_SHT30的編寫，通過I2C 總線給傳感器的寄存器發(fā)送相應(yīng)的命令來控制寄存器來實(shí)現(xiàn)復(fù)位與初始化，然后由于溫濕度傳感器采集的溫度與濕度數(shù)據(jù)是分開采集的，但是該傳感器設(shè)備在 I2C 總線上只有一個(gè)設(shè)備地址，其傳輸給 MCU的數(shù)據(jù)是打包發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此需要使用SHT3x_CheckCrc函數(shù)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。最后對(duì)獲取到的溫度、濕度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到十進(jìn)制的溫度、濕度數(shù)據(jù)。

下位機(jī)上傳輸數(shù)據(jù)至云平臺(tái)及上位機(jī)下發(fā)指令子程序設(shè)計(jì)過程：首先由于需要使用云端互通組件，因此在頭文件中包含 oc_lwm2m_al.h、 link_endian.h 及N3M9_WDMTHI 擴(kuò)展板的驅(qū)動(dòng)頭文件，然后配置 NB 模組與 Oceanconnect平臺(tái)對(duì)接的相關(guān)參數(shù)，聲明 NB 模組的唯一標(biāo)識(shí)碼，Oceanconnect服務(wù)器對(duì)接 IP 地址，端口這三個(gè)參數(shù)。緊接著聲明 5 種消息的地址域名稱，分別是數(shù)據(jù)上報(bào)，電機(jī)控制命令下發(fā)，繼電器控制命令下發(fā)消息的地址域，底層硬件設(shè)備以不同的地址域來區(qū)分平臺(tái)下發(fā)的不同消息。

在編寫平臺(tái)命令消息接收函數(shù)之前，首先定義數(shù)組與信號(hào)量變量，其中數(shù)據(jù)存放平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)，信號(hào)量同步平臺(tái)消息接收與數(shù)據(jù)處理任務(wù)，當(dāng)平臺(tái)下發(fā)的命令是正確命令時(shí)則釋放信號(hào)量，數(shù)據(jù)處理任務(wù)申請(qǐng)到信號(hào)量進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。在 app_msg_deal平臺(tái)命令消息的接收任務(wù)中需判斷平臺(tái)下發(fā)消息的大小是否正確，如正確則將數(shù)據(jù)存放至數(shù)組 中，數(shù)據(jù)存放成功后釋放信號(hào)量，以便于后面的數(shù)據(jù)處理任務(wù)申請(qǐng)信號(hào)量。然后編寫平臺(tái)下發(fā)命令處理函數(shù)，先分別實(shí)例化兩個(gè)下發(fā)命令消息結(jié)構(gòu)體，兩個(gè)下發(fā)命令響應(yīng)消息結(jié)構(gòu)體，定義一個(gè)獲取平臺(tái)下發(fā)命令中的地址域字段的地址域變量，便于在 while 循環(huán)中判斷平臺(tái)下發(fā)的消息，根據(jù)不同的地址域字段來執(zhí)行不同的操作，在 while 循環(huán)中申請(qǐng)信號(hào)量，獲取地址域字段的值，通過 switch 語句判斷不同的地址域具體執(zhí)行的操作。

完成平臺(tái)下發(fā)命令處理函數(shù)后編寫用戶數(shù)據(jù)上報(bào)任務(wù)入口函數(shù)以實(shí)現(xiàn)底層傳感器設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)上報(bào)至云平臺(tái)，實(shí)例化 Oceanconnect平臺(tái)對(duì)接參數(shù)結(jié)構(gòu)體 oc_param、上報(bào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體 Agriculture，通過 memset函數(shù)將 Oceanconnect對(duì)接參數(shù)結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)清空一次，然后對(duì)Oceanconnect平臺(tái)對(duì)接參數(shù)結(jié)構(gòu)體 oc_param 重新賦值，通過 if 判斷語句來判斷是否賦值成功，通過 while 循環(huán)打包需上傳的數(shù)據(jù)，給結(jié)構(gòu)體 Agriculture 中的對(duì)象賦值，通過 oc_lwm2m_report 函數(shù)將結(jié)構(gòu)體發(fā)送至OC云平臺(tái)，然后任務(wù)休眠 2 s 后繼續(xù)上傳。完成數(shù)據(jù)上報(bào)任務(wù)入口函數(shù)后編寫數(shù)據(jù)采集任務(wù)入口函數(shù)，通過調(diào)用 N3M9_WDMTHI初始化函數(shù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，通過 while 循環(huán)連續(xù)調(diào)用 N3M9_WDMTHI_Read_Data 函數(shù)讀取傳感器數(shù)據(jù)，任務(wù)休眠 2 s 后繼續(xù)采集。然后用visio軟件畫出流程圖，最后在IoT Studio集成開發(fā)環(huán)境下，用C語言編程在主程序中調(diào)用各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)按鍵設(shè)置的閾值來實(shí)現(xiàn)車站執(zhí)行器控制的程序設(shè)計(jì)，主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

軟件工作流程為：STM32F411單片機(jī)先對(duì)其內(nèi)部資源以及與之相連接的NB-IoT無線通信模塊、溫度傳感器、濕度傳感器及光敏傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊、A/D模塊、顯示模塊和按鍵模塊進(jìn)行初始化；然后判斷是否收到上位機(jī)指令，如果接收到上位機(jī)指令，則根據(jù)指令進(jìn)行操作；如果沒有接收到上位機(jī)指令，調(diào)用溫度傳感器、濕度傳感器及光敏傳感器的數(shù)據(jù)采集子程序進(jìn)行下位機(jī)數(shù)據(jù)獲取，并將獲取到的數(shù)據(jù)通過OLED屏幕實(shí)現(xiàn)下位機(jī)顯示，同時(shí)通過NB-IoT無線傳輸模塊上傳劇上位機(jī) Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。然后判斷是否有按鍵，如果按鍵按下，對(duì)閾值范圍進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，并將自動(dòng)采集到的溫度、濕度和光照強(qiáng)度與設(shè)置的閾值范圍進(jìn)行對(duì)比，如果超過設(shè)定閾值范圍，則產(chǎn)生有蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)并控制相應(yīng)的電機(jī)和繼電器工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)站內(nèi)空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)換氣機(jī)、送/排風(fēng)機(jī)、風(fēng)幕機(jī)、潛污泵、電/扶梯等設(shè)備的，工作來調(diào)整環(huán)境參數(shù)。

4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)使用Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，幫助快速構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，簡化海量設(shè)備管理復(fù)雜性，節(jié)省人工操作，提升管理效率。使用設(shè)備接入控制臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)建、開發(fā)、調(diào)試，設(shè)備的注冊(cè)、管理、鑒權(quán)、軟固件升級(jí)。在設(shè)備接入控制臺(tái)，可以創(chuàng)建規(guī)則引擎，滿足用戶實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的需求；還可以存儲(chǔ)產(chǎn)品和設(shè)備數(shù)據(jù)及生成相應(yīng)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，方便用戶監(jiān)控設(shè)備的各種狀態(tài)[18-20]。首先注冊(cè)登錄Oceanconnect云平臺(tái)，在“模型定義”頁面，單擊“自定義模型”，配置產(chǎn)品的服務(wù)，新建服務(wù)，其中屬性列表主要為終端模塊上報(bào)數(shù)據(jù)的字段信息，分別對(duì)溫度—Temperature、濕度—Humidity、光強(qiáng)—luminance參數(shù)進(jìn)行參數(shù)定義及屬性配置，如圖8所示。

圖8 參數(shù)配置圖

定義獲取下位機(jī)參數(shù)后，根據(jù)下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及連接方式在線開發(fā)建立物聯(lián)網(wǎng)模型，設(shè)計(jì)下位機(jī)采集到的溫度、濕度及光照參數(shù)通過NB-IoT無線傳輸模塊上傳至Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，上傳數(shù)據(jù)模型如圖9所示。

圖9 云平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)模型圖

定義執(zhí)行器為電機(jī)-Motor和繼電器-ralay來控制站內(nèi)實(shí)際執(zhí)行設(shè)備，可根據(jù)實(shí)際需要由上位機(jī)按鈕來完成手動(dòng)操作控制電機(jī)和繼電器來實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)備的開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)處理突發(fā)狀況，下達(dá)命令模型如圖10所示。

圖10 云平臺(tái)下發(fā)命令模型圖

物聯(lián)網(wǎng)模型建立好以后，輸入NB-IoT無線傳輸模塊的唯一序列碼(一塊NB-IoT無線傳輸模塊的序列碼為固定序列，書寫在模塊上方)，上下位機(jī)實(shí)現(xiàn)無線雙工通信，無線通信成功后上位機(jī)Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)顯示下位機(jī)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)備在線狀態(tài)，如圖11所示。其中，NB-IoT設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)后為狀態(tài)為在線，距離上次上報(bào)數(shù)據(jù)25小時(shí)內(nèi)未上報(bào)數(shù)據(jù)，會(huì)刷新狀態(tài)為離線狀態(tài)。

圖11 無線通信成功狀態(tài)圖

5 系統(tǒng)功能測試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)實(shí)時(shí)通信、系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及在上位機(jī)Oceanconnect云平臺(tái)中新建的模型中是否能夠?qū)崟r(shí)接收到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)上位機(jī)能否實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，做了如下測試。

1)測試系統(tǒng)上下位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，并能夠接收到下位機(jī)傳感器采集到的溫度、濕度及光強(qiáng)數(shù)據(jù)，并能都實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新，刷新速度足以顯示出數(shù)據(jù)的變化過程，如圖12所示。

圖12 上位機(jī)接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖

2)系統(tǒng)上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)下位機(jī)真實(shí)執(zhí)行設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，如圖13所示，Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)向模型中的“relay”(繼電器)發(fā)送“ON”指令，則下位機(jī)繼電器立刻打開，發(fā)送“OFF”指令，則下位機(jī)繼電器立刻關(guān)閉。Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)向模型中的“motor”(繼電器)發(fā)送“ON”指令，則下位機(jī)電機(jī)立刻轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)送“OFF”指令，則下位機(jī)電機(jī)立刻停止轉(zhuǎn)動(dòng)。上位機(jī)命令發(fā)送成功后，還會(huì)在Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中顯示“已發(fā)送”字樣。

圖13 上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令測試圖

3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作完成的基于STM32的鐵路運(yùn)輸站內(nèi)NB-IoT可視化云智能BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照?qǐng)D2建立實(shí)驗(yàn)測試電路，光照閾值設(shè)置為200～300 Lx，濕度閾值設(shè)置為40～60/%rh，溫度閾值設(shè)置為20～26 ℃，然后進(jìn)行上下位機(jī)無線通信并根據(jù)實(shí)際自動(dòng)調(diào)節(jié)情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，得到其部分參數(shù)測量結(jié)果如表1所示。

表1 NB-IoT可視化云智能BAS系統(tǒng)測量結(jié)果表

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)無線傳輸質(zhì)量較高、下位機(jī)數(shù)據(jù)能夠在云模型上實(shí)時(shí)顯示，上下位機(jī)數(shù)據(jù)顯示一致，且數(shù)據(jù)刷新速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)上報(bào)及執(zhí)行器的自動(dòng)控制，系統(tǒng)可靠性較高能夠滿足鐵路運(yùn)輸站內(nèi)現(xiàn)場的需求。

6 結(jié)束語

本文以STM32F411單片機(jī)微控制器作為控制核心，結(jié)合NB-IoT無線通信技 術(shù)、傳感器技術(shù)、Oceanconnect云平臺(tái)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的鐵路運(yùn)輸站內(nèi)NB-IoT可視化云BAS系統(tǒng)。本文闡述了系統(tǒng)的組成原理、軟硬件設(shè)計(jì)方法、云平臺(tái)的搭建方法和無線組網(wǎng)及通信技術(shù)，并對(duì)該自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)在Oceanconnect云平臺(tái)上實(shí)時(shí)觀測到下位機(jī)節(jié)點(diǎn)中各傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并對(duì)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行器進(jìn)行控制，初次之外，各節(jié)點(diǎn)還能夠根據(jù)預(yù)設(shè)閾值范圍及當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)完成自動(dòng)控制BAS系統(tǒng)中涉及的真實(shí)設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的自動(dòng)控制，達(dá)到節(jié)約能源、遠(yuǎn)程控制、便捷管理、消除安全隱患的目的。

但該鐵路運(yùn)輸站內(nèi)NB-IoT可視化云BAS系統(tǒng)也存在不足的地方，比如：由于運(yùn)用到Oceanconnect云平臺(tái)使得系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴度較高等問題，在今后的研究中，需要對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)問題進(jìn)一步改進(jìn)，以遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)的功能，并提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)數(shù)據(jù)的長期累積分析，以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障。