基于NB-IoT和OneNet云平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蔡友宏

摘要

STM32 MCU接收GY-BME2 8 0三合一傳感器測(cè)得的溫濕度、氣壓參數(shù)和MAX44009光照強(qiáng)度傳感器測(cè)得的光照強(qiáng)度參數(shù)，通過WH-NB7 3 NB-IoT模塊上傳至OneNet云平臺(tái)，PC端通過瀏覽器或移動(dòng)端通過APP可實(shí)時(shí)查看環(huán)境參數(shù)，以圖形的方式直觀的顯示。

【關(guān)鍵詞】NB-IoT OneNet 環(huán)境監(jiān)測(cè) STM32

NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow BandIntemet of Things）的簡(jiǎn)寫，是基于蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，目前中國(guó)的三大運(yùn)營(yíng)商都己展開了商用。NB-IoT相比于傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋廣、海量連接、功耗低等多個(gè)優(yōu)點(diǎn);相比于藍(lán)牙、ZigBee、WiFi等短距離無(wú)線通信技術(shù)，具有傳輸距離長(zhǎng)、功耗更低、能直接連接運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)。隨著NB-IoT商用部署的不斷推進(jìn)和相應(yīng)通訊模塊價(jià)格的不斷降低，基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活當(dāng)中。

OneNet是中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)有限公司面向公共服務(wù)推出的開放云平臺(tái)，能助力各類終端設(shè)備方便、快捷的接入互聯(lián)網(wǎng)。為各種跨平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、行業(yè)解決方案提供簡(jiǎn)便的海量連接、云端存儲(chǔ)、消息分發(fā)和大數(shù)據(jù)分析等優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

本設(shè)計(jì)利用NB-IoT和OneNet，選用合適的傳感器、MCU和通訊模塊，設(shè)計(jì)了一環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，僅需使用2節(jié)AA或AAA電池供電，可適用于各種室內(nèi)外環(huán)境，特別是農(nóng)田、牧場(chǎng)、林地等野外需要遠(yuǎn)距離無(wú)人監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合，也可以作為便攜式移動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站使用。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇溫度、濕度、氣壓參數(shù)三合一傳感器、光照強(qiáng)度傳感器通過I2C通信接口上傳環(huán)境參數(shù)至STM32 MCU，MCU通過NB-IoT通訊模塊將參數(shù)上傳至OneNet云平臺(tái)，通過PC端瀏覽器、移動(dòng)端APP查看參數(shù)。圖1為系統(tǒng)總體圖。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1 GY-BME280三合一傳感器電路

GY-BME28是一款溫度、濕度、氣壓參數(shù)三合一傳感器，具有8個(gè)引腳，可以通過I2C或SPI通信模式與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本設(shè)計(jì)采用I2C通信模式，GY-BME280傳感器與STM32MCU相連，電路圖如圖2所示。其中VDD是傳感器內(nèi)部模擬電路電源端;VIO傳感器內(nèi)部數(shù)字電路電源端;SCL、SDA分別是12C通信模式時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào);SDO是傳感器地址控制位，接GND時(shí)I2C中器件地址為11101100，接高電平為11101101，本設(shè)計(jì)該引腳接低電平。CSB是SPI通信模式下用到的引腳，本設(shè)計(jì)未使用，故懸空。

2.2 MAX44009光照強(qiáng)度傳感器電路

MAX44009光照強(qiáng)度傳感器具有6個(gè)引腳，工作在1.7V至3.6V供電電壓范圍，器件工作電流小于1uA，且提供I2C數(shù)字輸出，非常適合于NB-IoT應(yīng)用場(chǎng)景。圖3是MAX44009與STM32MCU通過I2C總線連接的電路圖。其中AO為地址選擇端，高電平時(shí)選擇地址lOOlOllx，低電平時(shí)選擇地址lOOlOlOx，本設(shè)計(jì)該引腳接地即低電平;INT為中斷輸出，由于本設(shè)計(jì)采用STM32 MCU周期性讀取數(shù)據(jù)的方式，故沒有使用該引腳。

2.3 WH-NB7 3-B8通訊模塊電路

本設(shè)計(jì)采用WH-NB73-B8是一款透?jìng)靼鍺B-IoT通訊模塊，適用于中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通三家運(yùn)營(yíng)商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，支持3GPP標(biāo)準(zhǔn)指令、UDP指令傳輸、CoAP指令傳輸、云服務(wù)、UDP透?jìng)鳌oAP透?jìng)?、心跳包、DTLS加密等。該模塊內(nèi)置了天線和SIM卡，可通過USART串口與STM32 MCU相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 STM32主控電路

本設(shè)計(jì)采用STM32最小系統(tǒng)板，主芯片采用STM32L151C8，該MCU是ST公司出品的高性能低功耗系列MCU之一，供電電壓范圍1.65V-3.6V，采用超低漏電工藝技術(shù)，使得MCU的運(yùn)行速度和功耗與其供電無(wú)關(guān);具有48個(gè)引腳、128kB程序Flash、lOkBRAM、8個(gè)16位定時(shí)器、2路USART、2路SPI、2路I2C和1路USB通信接口;內(nèi)置16MHz和38kHzRC振蕩器，使得電路無(wú)需外部晶振也能正常運(yùn)行。該系列MCU可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低功耗狀態(tài)，具有周期性喚醒功能，快速喚醒時(shí)間低至4us，非常適合電池供電，且數(shù)據(jù)量較小、數(shù)據(jù)傳輸間隔周期較大，需要長(zhǎng)時(shí)間（以年計(jì)）不更換電池的應(yīng)用場(chǎng)合，例如本設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為了盡可能降低功耗，本設(shè)計(jì)未使用外部晶振，而使用內(nèi)部16MHz的MSI RC振蕩器作為系統(tǒng)主時(shí)鐘源，經(jīng)160分頻成lOOkHz供I2C外設(shè)使用，I2C采用低速率，可以穩(wěn)定傳輸且降低功耗。MCU長(zhǎng)時(shí)間處于停止?fàn)顟B(tài)，內(nèi)部除RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘（采用內(nèi)部LSI 40kHzRC振蕩器，低于luF電流）外，其余定時(shí)器全部停止計(jì)數(shù)，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘每隔30秒喚醒MCU，內(nèi)部16MHz RC振蕩器開始工作，主控程序正常運(yùn)行，讀取傳感器參數(shù)，并上傳至OneNet云平臺(tái)。

為了進(jìn)一步降低功耗，最小系統(tǒng)板上電后，IO端口全部初始化為無(wú)上拉的模擬輸入模式，以降低漏電電流;USART的Rxd引腳設(shè)置成模擬輸入模式，Txd引腳設(shè)置成開漏無(wú)上下拉輸出模式;關(guān)閉中斷源;MCU停止前關(guān)閉USART、I2C等所有外設(shè)，然后進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài);當(dāng)RTC時(shí)鐘周期性喚醒MCU后重新初始化之前配置的10和外設(shè)設(shè)置。

圖5是STM32主控電路圖，采用最小系統(tǒng)板，其中VBAT為系統(tǒng)電源，使用2節(jié)AA或AAA電池供電;BOOTO和BOOT1引腳都接地，系統(tǒng)上電后默認(rèn)從用戶Flash啟動(dòng)。STM32L151C8通過I2C接口連接GY-BME280溫濕度傳感器、MAX44009光照強(qiáng)度傳感器;通過USART串口連接WH-NB73-B8 NB-IoT模塊。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1 0neNet接入流程

本設(shè)計(jì)采用中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)有限公司的OneNer方案，OneNet接入流程如圖6所示。其中賬號(hào)注冊(cè)、創(chuàng)建產(chǎn)品、添加設(shè)備3個(gè)步驟需要用戶在https：//open.iot.10086.cn/頁(yè)面上進(jìn)行操作，過程比較簡(jiǎn)單。賬號(hào)注冊(cè)時(shí)填寫用戶的個(gè)人信息;創(chuàng)建產(chǎn)品時(shí)，產(chǎn)品信息的聯(lián)網(wǎng)方式須選擇“NB-IoT”，協(xié)議須選擇“LWM2M”;添加設(shè)備時(shí)填寫“環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，并添加WH-NB73-B8模塊上的IMEI和IMSI號(hào)碼;STM32主控程序完成接入流程中的上報(bào)數(shù)據(jù)步驟，將傳感器參數(shù)上傳至OneNet云平臺(tái);通過瀏覽器或中國(guó)移動(dòng)的“和物”APP可以查看展示數(shù)據(jù)。

3.2上報(bào)數(shù)據(jù)

STM32主控程序完成接入流程中的上報(bào)數(shù)據(jù)步驟，其流程如圖7所示。

4測(cè)試

完成上述開發(fā)后，編寫相應(yīng)程序，下載至STM32最小系統(tǒng)板，運(yùn)行后成功將傳感器測(cè)得的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至OneNet云平臺(tái);通過瀏覽器或中國(guó)移動(dòng)的“和物”APP可以查看展示數(shù)據(jù)，如圖8所示。

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