基于NB-IoT的大氣干濕沉降采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

伯成才，于會山

(聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，聊城 252059)

0 引言

環(huán)境污染是當(dāng)今社會存在的重要問題。通常環(huán)境污染經(jīng)過大氣通過一定的途徑被沉降至地面或水體的過程，分為干沉降和濕沉降。干沉降是指顆粒物通過重力下落、擴(kuò)散傳輸或兩者的共同作用，沉積于土壤、巖石、植被和水面等地表面移出大氣，也可以通過與表面碰撞或被突出物攔截而移出[1]。濕沉降是指顆粒物參與云滴的形成，并發(fā)展為降水的過程中，被降水收集、沖刷而隨降水下落至地表的過程[2]。

對于相關(guān)研究人員來說，樣本的收集是一個(gè)難題，傳統(tǒng)的樣本收集大多采用人工，即費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等新型技術(shù)的不斷發(fā)展，以ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙等短距離無線通信方式的產(chǎn)品在人們的生活中愈來愈多。但ZigBee、Wi-Fi等無線通信技術(shù)具有穿透能力弱、信號覆蓋等問題。對于干濕沉降的數(shù)據(jù)采集來說，由于需要對不同場景、不同地點(diǎn)、不同時(shí)間段的干濕沉降進(jìn)行采集，因此，ZigBee、Wi-Fi等無線通信技術(shù)的不足會影響數(shù)據(jù)采集的傳輸和效率[3]。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)技術(shù)作為一種新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低功耗、廣覆蓋、大容量、大連接等優(yōu)點(diǎn)，與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于如環(huán)境監(jiān)測、智能抄表等諸多領(lǐng)域[4]。此外，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋能力較GPRS有20 dB的增益。因此，結(jié)合樣本數(shù)據(jù)采集的條件等客觀因素，使用NB-IoT技術(shù)能夠更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)的采集和傳輸[5]。本文結(jié)合具體實(shí)際，提出一種基于NB-IoT的大氣干濕沉降采集系統(tǒng)，選擇NB-IoT低功耗的無線通信方式、相關(guān)嵌入式設(shè)備、傳感器，通過硬件設(shè)計(jì)、軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)分為三層，分別是感知層、傳輸層和應(yīng)用層。其中感知層又稱數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)采集層主要由嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和NB-IoT無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)的采集、顯示、傳輸和控制[6]。數(shù)據(jù)傳輸層由NB-IoT無線通信模塊將數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議經(jīng)由NB基站傳輸至服務(wù)器[7]。應(yīng)用層顯示終端經(jīng)過服務(wù)器下發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看和管理。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32F103C8t6作為主控制器，結(jié)合相應(yīng)的翻斗雨量計(jì)、光學(xué)雨量傳感器、存儲模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊、無線通信模塊、顯示模塊、驅(qū)動模塊組成。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

硬件設(shè)計(jì)思路如下：主控MCU通過RS-485接口和Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)翻斗雨量計(jì)數(shù)據(jù)的讀取、控制12通閥實(shí)現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)的收集；7英寸顯示屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、工作模式的選擇、參數(shù)的調(diào)節(jié)；驅(qū)動裝置實(shí)現(xiàn)干濕沉降采集模式的選擇；同時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT無線傳輸模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺。

2.1 主控電路

主控電路由STM32F103C8t6單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，最小系統(tǒng)包括：主控、電源、復(fù)位、JLINK下載接口等部分組成，基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的STM32F103C8t6微控制器，程序存儲器容量64KB，工作電壓為2V～3.6V，工作溫度為-40℃ ～ 85℃。系統(tǒng)供電采用開關(guān)電源輸出24V接入，經(jīng)過保護(hù)電路輸出24VIN，24VIN電壓經(jīng)TPS54331降壓芯片和穩(wěn)壓電路輸出12V，經(jīng)過MP2359降壓芯片降為5V，5V電壓經(jīng)過SGM2019-3.3穩(wěn)壓芯片輸出3.3V為單片機(jī)系統(tǒng)和NB-IoT模塊供電。電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

2.2 光耦隔離電路

光學(xué)雨量傳感器采用光學(xué)感應(yīng)原理測量降雨，內(nèi)置六個(gè)光學(xué)探頭，使得測量結(jié)果更精確。與傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器，光學(xué)雨量體積小、靈敏度高、智能且易維護(hù)。其分辨率0.1mm。當(dāng)檢測到下雨時(shí)會持續(xù)輸出1min左右5V的脈沖，本文只需檢測是否下雨，因此選用5V脈沖輸出模式。

U形微型光電傳感器是一種NPN輸出型光電傳感器，檢測距離5mm，相應(yīng)速度≤1ms，能夠檢測2×0.8mm以上非透明體。當(dāng)開關(guān)門時(shí)，通過光電傳感器的輸出高低信號可以檢測門的到達(dá)。

為了使輸出端的信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，因此電路設(shè)計(jì)中采用光耦隔離使得輸出穩(wěn)定。光耦隔離電路圖如圖4所示。

圖4 光耦隔離電路

2.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路設(shè)計(jì)通過12V繼電器控制12V電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開關(guān)門的操作。正轉(zhuǎn)工作原理如下：當(dāng)輸入高電平時(shí)，NPN三極管Q1飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，觸點(diǎn)吸合。當(dāng)輸入低電平時(shí)，NPN三極管Q1截止，繼電器線圈斷電，觸點(diǎn)斷開。其中Q1為控制開關(guān)。電阻R21主要起限流作用，降低晶體管Q1功耗。電阻R22使三極管Q1截止。二極管D12反向續(xù)流，為三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向關(guān)斷時(shí)為繼電器線圈中的提供泄放通路，并將其電壓箝位在+12V上。電機(jī)驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動電路

2.4 485通信模塊

翻斗雨量計(jì)用來測量當(dāng)前的降雨量，其檢測范圍：≤30mm/min，測量精度0.2mm，翻斗雨量計(jì)作為從機(jī)設(shè)備使用485通信接口與主機(jī)之間進(jìn)行通信，使用Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)主從之間的數(shù)據(jù)傳輸[8]。

Z20 系列多通旋轉(zhuǎn)閥是利用光耦采集信號，依靠步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，用于樣液體進(jìn)樣或流路轉(zhuǎn)換的自動部件；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，Z20系列多通旋轉(zhuǎn)閥主要用于雨水的流通和收集。系統(tǒng)通過485通信接口實(shí)現(xiàn)與從機(jī)之間的通信。在Modbus協(xié)議中，采用一主多從的規(guī)則，系統(tǒng)根據(jù)從機(jī)地址的不同實(shí)現(xiàn)多從機(jī)的訪問。主機(jī)485電路如圖6所示。

圖6 主機(jī)485電路

2.5 NB-IoT無線模塊

NB-IoT無線傳輸模塊選用移遠(yuǎn)BC26集成模塊，移遠(yuǎn)BC26集成模塊包括卡槽、通信接口，主控電路設(shè)計(jì)中，只需預(yù)留相關(guān)供電I/O口和串口即可，BC26集成模塊是一款多頻段(B1/B3/B5/B20/B27...)、全網(wǎng)通的無線通信模塊，主控通過串口發(fā)送相關(guān)AT指令即可實(shí)現(xiàn)模塊間通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)通過485接口和Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和相關(guān)設(shè)備的控制，翻斗雨量計(jì)和多通閥作為從機(jī)設(shè)備，單片機(jī)作為主機(jī)通過Modbus主機(jī)協(xié)議實(shí)現(xiàn)[9]。Modbus主機(jī)協(xié)議根據(jù)從機(jī)寄存器地址碼發(fā)送相關(guān)詢問幀，從機(jī)接收指令碼，校驗(yàn)正確，向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答幀，主機(jī)串口接收中斷接收到應(yīng)答幀后，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，CRC校驗(yàn)正確后，通過解析應(yīng)答幀獲得當(dāng)前雨量數(shù)據(jù)。485數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 控制部分軟件設(shè)計(jì)

控制部分軟件設(shè)計(jì)通過繼電器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)遮擋板實(shí)現(xiàn)干濕沉降采集桶的選擇。光學(xué)雨量計(jì)檢測到下雨，電機(jī)正轉(zhuǎn)，遮擋板旋轉(zhuǎn)至干沉降采集桶上方，系統(tǒng)采集濕沉降，當(dāng)?shù)竭_(dá)限位開關(guān)時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)；雨量計(jì)繼續(xù)檢測降雨，當(dāng)降雨停時(shí)，遮擋板旋轉(zhuǎn)至濕沉降采集桶上方，干沉降收集桶收集干沉降樣品。

3.4 顯示軟件設(shè)計(jì)

顯示部分軟件設(shè)計(jì)主要由顯示界面設(shè)計(jì)和顯示與主機(jī)之間通信設(shè)計(jì)組成。其中顯示界面設(shè)計(jì)采用DGUS軟件設(shè)計(jì)GUI界面，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的參數(shù)顯示區(qū)域和按鈕，分配對應(yīng)的變量地址，主機(jī)串口根據(jù)串口中斷接收地址實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、按鈕的操作等功能。

3.3 NB-IoT模塊傳輸軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過移遠(yuǎn)BC26模塊采用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至中國移動OneNET平臺，NB-IoT模塊設(shè)計(jì)包括串口2的初始化、查詢卡的狀態(tài)、注冊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)下發(fā)等操作，系統(tǒng)通過發(fā)送相關(guān)AT指令實(shí)現(xiàn)上述相關(guān)操作。部分AT指令集如表1所示。

表1 部分AT指令

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試包括NB模塊數(shù)據(jù)傳輸、7英寸液晶顯示屏顯示、樣本數(shù)據(jù)收集等功能測試。在功能測試方面，系統(tǒng)設(shè)置三種工作模式，第一種模式：按照降雨場次進(jìn)行分段采樣。設(shè)置每場雨的采樣量和采集時(shí)間，雨水被十二通閥引流到采樣瓶中；第二種模式：按降雨量先后分段采樣，即對某一場降雨進(jìn)行分段采樣，設(shè)置每段的采樣量，每一采樣瓶采集夠采樣量后，進(jìn)入下一采樣瓶繼續(xù)收集；第三種模式：采集混合樣，設(shè)置好要采集的采樣量，雨水通過十二通閥均進(jìn)入采樣桶，達(dá)到采樣量后多余降雨通過十二通閥引流到采集儀外。系統(tǒng)測試界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)測試界面

5 結(jié)語

基于NB-IoT的大氣干濕沉降采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以STM32作為主控制器，系統(tǒng)搭載移遠(yuǎn)的BC26無線通信模塊，通過485通信接口和Modbus協(xié)議，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前樣本數(shù)據(jù)的采集；NB模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。同時(shí)，在采集濕沉降過程中，根據(jù)選擇的模式不同，可以實(shí)現(xiàn)對不同場景下的樣本數(shù)據(jù)自動采集。該系統(tǒng)能夠較好地緩解人工采取樣本費(fèi)時(shí)費(fèi)力問題。