基于NB-IoT的道路施工環(huán)境監(jiān)測的低功耗分析與設(shè)計

韓伶俐

(安徽三聯(lián)學(xué)院 交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

交通工程專業(yè)是安徽三聯(lián)學(xué)院交通工程學(xué)院重點建設(shè)的省級振興計劃專業(yè)，也是協(xié)同我校計算機(jī)工程學(xué)院和電子電氣工程學(xué)院，作為信息傳輸-智能監(jiān)控-交通工程等多學(xué)科交叉的新工科建設(shè)的專業(yè)，其培養(yǎng)方向為：道路施工與養(yǎng)護(hù)、監(jiān)理與造價。在修訂人才培養(yǎng)方案調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)道路施工時的影響因素有很多。比如光照度、溫濕度、氣壓等對施工的影響，比如施工時對環(huán)境噪音、水質(zhì)等因素的影響等。

1 存在問題及解決方法

在道路施工領(lǐng)域，當(dāng)前市場上的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都還無法得到廣泛使用。Zigbee技術(shù)雖然功耗和成本低，但是通信距離短，連接數(shù)量受限。藍(lán)牙技術(shù)通信距離短，功耗太高。GSM模塊覆蓋強(qiáng)度低，某些環(huán)境下沒有信號[1]。4G模塊價格高，流量資費貴，維護(hù)成本也居高不下。種種原因?qū)е履壳皯?yīng)用于道路施工的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品舉步維艱，遲遲無法得到突破性的發(fā)展。道路施工的特點是距離遠(yuǎn)、覆蓋面積廣泛，發(fā)送數(shù)據(jù)量小，對延遲要求不高，低成本，長壽命(數(shù)年不需要更換電池和維護(hù))。

而最新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)，它的特點就是：低成本，長壽命(當(dāng)然這對于電池壽命也提出了新的要求)，低功耗，對延遲不敏感，不需要實時關(guān)注，數(shù)月甚至數(shù)年不需要人力干涉檢修。這無疑正好契合智能控制的需求，將完美解決目前其他技術(shù)存在的諸多問題。

NB-IoT的覆蓋半徑約是GSM/4G的4倍，模塊功耗和模塊成本卻低于GSM和4G，這使得高通、英特爾、華為、中興等上游企業(yè)紛紛推出NB-IoT芯片，同時在全球已經(jīng)有超過30家通信運(yùn)營商在部署NB-IoT[2]。

2 設(shè)計思路

基于NB-IOT的道路施工環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將設(shè)計一種基于STM32和NB-IoT的道路施工監(jiān)測系統(tǒng)。通過對NB-IoT技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢，通訊協(xié)議以及數(shù)據(jù)傳輸流程等內(nèi)容的分析，詳細(xì)介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的終端節(jié)點的實現(xiàn)方案，整體組成架構(gòu)，以及每個功能模塊的硬件電路和軟件處理流程，并結(jié)合STM32關(guān)鍵部分的代碼解析來完成基于NB-IoT和STM32單片機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，功能特點，聯(lián)網(wǎng)處理過程。

基于NB-IOT的道路施工環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)超低功耗，本系統(tǒng)在MCU功耗管理方面設(shè)置了低功耗處理程序。STM32L4系列進(jìn)入停止模式的庫函數(shù)為：

PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower,PWR_STOPEntry_WFE);

停止模式下，MCU被再次喚醒之后，時鐘和頻率是沒有經(jīng)過倍頻的，本項目中，喚醒之后，MCU是8MHz頻率運(yùn)行，而我們的程序要求正常運(yùn)行是72MHz。所以，在喚醒停止模式之后，還需要重新配置時鐘[3]。

進(jìn)入停止模式之前，可以將所有負(fù)載的電源開關(guān)關(guān)閉，讓所有端口進(jìn)入輸入模式，AHB，APB1，APB2總線可以選擇性的關(guān)閉。同時，需要關(guān)閉看門狗，否則，看門狗程序會打斷停止模式。

在個別對于功耗要求苛刻的應(yīng)用上，還可以采取降低MCU時鐘頻率的方法，降低數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)乃俣取?/p>

同時，還針對NB-IoT的主要特點，結(jié)合實際使用過程中的重要參數(shù)的測試，來對比分析NB-IoT技術(shù)在監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用中的獨特優(yōu)勢。

(1)研究NB-IoT和當(dāng)前主流物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)聯(lián)和區(qū)別，分析NB-IoT的組織架構(gòu)，協(xié)議特點，安全機(jī)制等核心技術(shù)。

(2)研究了NB-IoT在廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接量方面的優(yōu)勢及其工作原理。

(3)設(shè)計一種基于NB-IoT的施工現(xiàn)場的定位、以及光照度、溫濕度、氣壓、噪音及水質(zhì)等影響因素的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測。包括監(jiān)測系統(tǒng)的終端節(jié)點的實現(xiàn)方案，整體組成架構(gòu)，以及每個功能模塊的硬件電路和軟件處理流程，完成數(shù)據(jù)的采集以及聯(lián)網(wǎng)處理功能。

(4)制作節(jié)點實物樣品，并對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測試，分析NB-IoT技術(shù)在監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用中的獨特優(yōu)勢。

3 可行性分析

對于光照度、溫濕度、氣壓、噪聲及水質(zhì)等相關(guān)因素超標(biāo)的數(shù)據(jù)會通過濕度、光照、水質(zhì)等傳感器進(jìn)行自動采集，再通過網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP及電腦端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以隨時掌控環(huán)境發(fā)生的變化。

基于NB-IOT的道路施工環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的基于NB-IoT低功耗道路施工環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，將采用低靜態(tài)電流的電源芯片，ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位低功耗單片機(jī)，通過NB模塊實現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接，并結(jié)合溫濕度、光照、水質(zhì)等傳感器，采集道路施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)傳輸，實現(xiàn)智能化道路施工監(jiān)測。