賈青青， 賈紋紋， 張 秦， 黨 磊， 陳 李

(1.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044;2.航天神舟生物科技集團(tuán)有限公司,北京100080;3.北京市空間生物工程技術(shù)研究中心,北京100091)

0 引 言

化工園區(qū)內(nèi)的企業(yè)工廠在生產(chǎn)活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生多種氣體污染物，這些污染物的排放時(shí)間、排放量具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，給污染氣體排放監(jiān)管帶來極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的現(xiàn)場采樣、實(shí)驗(yàn)室檢測的模式，雖然測試結(jié)果比較精確，但是難以滿足園區(qū)排放監(jiān)管的需求。在線監(jiān)測系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、可大面積覆蓋等特點(diǎn)，日益成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

現(xiàn)有的大型在線監(jiān)測儀器，測量精度高，如激光在線監(jiān)測儀、衛(wèi)星遙感技術(shù)等[1，2]，價(jià)格高昂、使用與維護(hù)成本很高，難以實(shí)現(xiàn)大面積、高密度部署?；谖锫?lián)網(wǎng)的空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有易部署、成本低的優(yōu)點(diǎn)。如基于通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)、藍(lán)牙、LoRa等技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[3～6]。但是以上技術(shù)受通信距離與信號限制，難以組成覆蓋全面的大型網(wǎng)絡(luò)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of Things,NB-IoT)通信技術(shù)是低功耗廣域網(wǎng)領(lǐng)域新興的技術(shù)，處于低功耗模式的NB-IoT設(shè)備僅依靠單節(jié)鋰電池能工作10年之久，在同頻段中比GPRS多20 dB網(wǎng)絡(luò)增益，可用于地下、高樓之間等多種復(fù)雜地形。同時(shí)，NB-IoT單扇區(qū)可容納65 536個(gè)設(shè)備，有效降低了傳感節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)難度。NB-IoT技術(shù)在使用大型傳感網(wǎng)絡(luò)的場景中已有多種應(yīng)用[7～9]，是現(xiàn)實(shí)可行的大型無線傳感網(wǎng)絡(luò)解決方案。

綜合化工園區(qū)的空氣環(huán)境監(jiān)測需求、多傳感器組網(wǎng)需求、傳感網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本等多個(gè)方面的因素，本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT通信的空氣污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感節(jié)點(diǎn)、云端服務(wù)器與云端應(yīng)用三部分組成。傳感節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的采集處理與上報(bào)功能，云端服務(wù)器管理與傳輸數(shù)據(jù)，用戶可通過云端應(yīng)用遠(yuǎn)程獲取傳感節(jié)點(diǎn)處的實(shí)時(shí)信息。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的NB-IoT無線氣體傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層,如圖1所示。感知層包含大量傳感節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均由氣體傳感器、主控芯片、NB-IoT模組和電源模塊構(gòu)成。傳感節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的檢測、處理與上報(bào)等工作，并在主控芯片的控制下，使各個(gè)模塊按流程進(jìn)入低功耗模式或被喚醒，嚴(yán)格管理節(jié)點(diǎn)的功耗。網(wǎng)絡(luò)層由無線基站與云端網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸與管理。應(yīng)用層是基于華為云平臺(tái)搭建的云端應(yīng)用，使用者可通過智能手機(jī)、電腦訪問該應(yīng)用，遠(yuǎn)程查看各傳感節(jié)點(diǎn)的位置信息、工作狀態(tài)以及氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主控芯片選取高性能低功耗的微控制器STM32L431RCT6器件，其內(nèi)部具有低功耗定時(shí)器與低功耗通信接口通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)。傳感器選用EC SENSE公司的TB200B系列高精度固態(tài)聚合物氣體檢測傳感器,如圖3,該系列傳感器具有高精度(0.01×10-6)、低功耗(25 mW)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中使用了可檢測二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)、甲醛(CHOH)、總揮發(fā)性有機(jī)物(total volatile organic compounds,TVOC)等五種傳感器。

圖2 傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖3 EC SENSE氣體傳感器

傳感節(jié)點(diǎn)的整體電路原理如圖4所示，傳感器與NB-IoT模塊均通過主控芯片的低功耗UART接口接入節(jié)點(diǎn)。為了保證傳感節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定工作，防止電量下降導(dǎo)致電池輸出電壓降低，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)計(jì)了電源穩(wěn)壓電路。

圖4 傳感節(jié)點(diǎn)硬件原理

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集軟件、云端應(yīng)用程序兩部分。

傳感節(jié)點(diǎn)程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理，并控制各模塊的工作狀態(tài)，軟件流程如圖5所示。主控芯片STM32初始化后，向傳感器與NB-IoT模組分別發(fā)送命令，使傳感器進(jìn)入睡眠模式，等待NB模組與網(wǎng)絡(luò)附著成功后，進(jìn)入省電模式(power saving mode，PSM)。隨后，主控芯片自身進(jìn)入低功耗模式。待內(nèi)部定時(shí)事件發(fā)生時(shí)，主控芯片被喚醒，向傳感器發(fā)送命令并獲取數(shù)據(jù)并完成格式轉(zhuǎn)換，通過專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間提供的輕量型通信協(xié)議——LWM2M(light-weight machine-to-machine)發(fā)送至云端服務(wù)器。

圖5 傳感節(jié)點(diǎn)程序工作流程

云端服務(wù)器應(yīng)用程序界面，可以向使用者展示所有傳感節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、分布位置以及監(jiān)測到的氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)。使用者可以點(diǎn)擊界面頂部的下拉框，選擇不同的傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行觀察。

3 系統(tǒng)測試

3.1 輸出傳輸測試

為了檢測該系統(tǒng)長時(shí)間檢測氣體體積分?jǐn)?shù)的能力，搭建了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其中氣體試驗(yàn)箱的頂部有一個(gè)進(jìn)氣管與出氣口，用于通氣和排氣。氣泵將氨氣或者空氣泵入實(shí)驗(yàn)箱中，以改變箱內(nèi)氨氣體積分?jǐn)?shù)。氨氣傳感節(jié)點(diǎn)放置于氣腔中，進(jìn)行了連續(xù)1 h的監(jiān)測。云端記錄數(shù)據(jù)如圖7所示。其中，(a)時(shí)間段為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)第一次向?qū)嶒?yàn)箱中通入氨氣，6 s后在云端接收到氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，并且觀察到體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，并在約2 min后體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定于10×10-6附近。在(b)、(c)和(d)時(shí)間段中，可以觀察到在停止通入氨氣并通入空氣后，云端數(shù)據(jù)在4～6 s后呈下降趨勢。同樣的，開始通入氨氣并停止通入空氣后，云端數(shù)據(jù)在4～6 s后呈上升趨勢。其中，(b)與(c)一直開放出氣口，(d)通入氨氣過程中關(guān)閉出氣口，氣體體積分?jǐn)?shù)更快達(dá)到了穩(wěn)定值附近。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備

圖7 氨氣體積分?jǐn)?shù)測試結(jié)果

3.2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測試

在檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的實(shí)驗(yàn)中，選取了二氧化硫、硫化氫傳感節(jié)點(diǎn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行了2 h的持續(xù)檢測。傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)定的內(nèi)部喚醒時(shí)間間隔為2 s,其中上位機(jī)可以即時(shí)獲取傳感器數(shù)據(jù)(本地?cái)?shù)據(jù))以及數(shù)據(jù)接收時(shí)間，云端數(shù)據(jù)由服務(wù)器自動(dòng)記錄。圖8(a)、圖8(b)分別是兩種氣體傳感節(jié)點(diǎn)在上電后80 s內(nèi)記錄的本地?cái)?shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)，其中坐標(biāo)橫軸第0 s為傳感節(jié)點(diǎn)上電后獲取到第一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)的時(shí)刻。在NB-IoT模塊與網(wǎng)絡(luò)成功連接之前，云端無法接收數(shù)據(jù)。觀察同一節(jié)點(diǎn)兩種數(shù)據(jù)的接收時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)，本地?cái)?shù)據(jù)的接收時(shí)間間隔與程序設(shè)定的2 s嚴(yán)格一致，云端接收數(shù)據(jù)與傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間基本同步。在2 h的持續(xù)實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)分別向云端服務(wù)器發(fā)送了3 600個(gè)數(shù)據(jù)，表1記錄了2 h內(nèi)云端接收數(shù)據(jù)的情況。其中，服務(wù)器與傳感節(jié)點(diǎn)通信成功后接收到了所有數(shù)據(jù)，少數(shù)數(shù)據(jù)接收略有延時(shí)，云端接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)延時(shí)的原因與基站信號變化有關(guān)。

圖8 傳感器本地?cái)?shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)接收時(shí)間

表1 云端接收的數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種空氣污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于NB-IoT通信技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣中幾種典型污染物濃度并上傳數(shù)據(jù)至云端服務(wù)器，能滿足化工園區(qū)的實(shí)時(shí)、大范圍監(jiān)測需求。傳感節(jié)點(diǎn)中各個(gè)模塊能根據(jù)工作流程進(jìn)入與退出低功耗模式，有效降低了傳感節(jié)點(diǎn)功耗。在實(shí)際測試中，云端服務(wù)器獲取傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間與傳感節(jié)點(diǎn)程序發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間基本一致，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性良好。