基于NB-IoT 和ZigBee 的實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計★

陳旭東

（閩南理工學(xué)院實踐教學(xué)中心， 福建 石獅 362700）

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及普及，實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測必須摒棄傳統(tǒng)方式，運用先進(jìn)技術(shù)提高管理效率，保障實驗實訓(xùn)安全運行。在環(huán)境監(jiān)測實踐中，相關(guān)技術(shù)在其他設(shè)計系統(tǒng)中已有所運用。比如利用ZigBee 與WiFi 技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及互聯(lián)網(wǎng)傳輸，但WiFi 系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜無法實現(xiàn)低功耗及低成本；也有直接利用NB-IoT 模塊作為環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點，實現(xiàn)低功耗且靈活的遠(yuǎn)程監(jiān)測，但NB-IoT 模塊作為節(jié)點成本過高，特別是需要監(jiān)測多個實驗實訓(xùn)場地的時候，需要大量的節(jié)點，無法實現(xiàn)低成本。采用ZigBee 模塊作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點及終端設(shè)備控制節(jié)點，同時設(shè)計ZigBee 協(xié)調(diào)器實現(xiàn)與各個節(jié)點快速組網(wǎng)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)及下發(fā)控制指令。ZigBee 協(xié)調(diào)器只需借助一個NB-IoT 模塊即可與IoT 云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測及終端設(shè)備控制，滿足低成本、低功耗的實際需求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于NB-IoT 和ZigBee 的實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含傳感及控制模塊、集中模塊、云平臺和應(yīng)用模塊四大部分，如圖1 所示。傳感及控制模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集及功能控制，傳感器包括煙霧、溫度及濕度，控制器包括噴淋器及風(fēng)扇，ZigBee 節(jié)點包括單片機(jī)系統(tǒng)電路、電池供電電路及外圍接口電路。集中模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集及上傳，設(shè)置一個ZigBee 節(jié)點作為ZigBee 協(xié)調(diào)器，完成ZigBee 自組網(wǎng)內(nèi)各個監(jiān)測點數(shù)據(jù)的收集和命令下發(fā)。NB-IoT 模塊與ZigBee 協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口通信，作為ZigBee 自組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺并接收命令。云平臺采用中國移動OneNET 云平臺，完成數(shù)據(jù)的存儲及管理。應(yīng)用模塊采用WEB 架構(gòu)，基于OneNET 平臺提供的API 及開發(fā)工具搭建應(yīng)用終端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程查看監(jiān)測數(shù)據(jù)或遠(yuǎn)程控制。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由傳感及控制模塊、集中模塊兩部分組成。ZigBee 傳輸使用2.4 GHz 通用頻段，在自組網(wǎng)10～100 m 的范圍內(nèi)，根據(jù)實際監(jiān)測點需要設(shè)置多個傳感及控制模塊，系統(tǒng)只需設(shè)置一個集中模塊。

2.1 傳感及控制模塊

傳感及控制模塊包括ZigBee 節(jié)點、傳感器和控制器三大部分，如下頁圖2 所示。ZigBee 節(jié)點采用TI公司生產(chǎn)的CC2530 單片機(jī)作為主控芯片。ZigBee 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)包括單片機(jī)主控板、供電電路（采用3.3 V電池供電）和外圍電路擴(kuò)展板，完成傳感器驅(qū)動、控制器驅(qū)動及無線射頻驅(qū)動三大部分內(nèi)容。

圖2 傳感及控制模塊硬件連接

溫濕度傳感器采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，具有已校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出，濕度量程5～95%RH，溫度量程-20～60 ℃，其靈敏性及可靠性滿足實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測要求。CC2530 單片機(jī)使用IO 口P0_7作為數(shù)字信號接收口，單片機(jī)需對接收的溫濕度信息進(jìn)行字符串轉(zhuǎn)換，利用變量temp 和humidity 存儲溫濕度信息用于OLED 顯示及單片機(jī)邏輯控制條件。

煙霧傳感器采用MQ-2 高靈敏煙霧傳感器，測量范圍最低5 000×10-6，最高20 000×10-6。傳感器的導(dǎo)電率隨環(huán)境中氣體濃度增大而增大，其模擬輸出電壓也加大。CC2530 單片機(jī)使用P0_6 口作為模擬量輸入口獲得輸入電壓并進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，與傳感器量程進(jìn)行相應(yīng)的比例運算可以計算出環(huán)境濃度值。

控制器由風(fēng)扇及噴淋系統(tǒng)組成，當(dāng)實驗實訓(xùn)室溫濕度過高時可以自動或者手動開啟風(fēng)扇進(jìn)行降溫除濕。當(dāng)煙霧傳感器監(jiān)測到室內(nèi)煙霧濃度過高時，則需要向協(xié)調(diào)器發(fā)送警報信號，進(jìn)而手動或者自動開啟噴淋系統(tǒng)。對風(fēng)扇及噴淋系統(tǒng)的控制需使用兩組繼電器，單片機(jī)分別使用P1_0 和P1_1 兩個IO 口對繼電器進(jìn)行控制。

2.2 集中模塊

集中模塊由ZigBee 協(xié)調(diào)器和NB-IoT 節(jié)點兩部分組成，硬件連接如圖3 所示。ZigBee 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)與其他ZigBee 節(jié)點一樣，完成ZigBee 自組網(wǎng)的連接管理，集中來自不同ZigBee 監(jiān)測節(jié)點的信息，包括溫濕度、煙霧量、電池電量和報警信息等，最后通過串口傳輸給NB-IoT 節(jié)點。

圖3 集中模塊硬件連接

NB-IoT 節(jié)點采用上海移遠(yuǎn)公司的BC28 模組。進(jìn)行串口電平轉(zhuǎn)換后，協(xié)調(diào)器CC2530 使用串口1（P0_4、P0_5）與NB-IoT 節(jié)點進(jìn)行串口通信，實現(xiàn)發(fā)送AT 指令或接收控制信息?？紤]功耗控制要求，CC2530 使用P1_2 口對BC28 的開啟及休眠進(jìn)行控制。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制ZigBee 自組網(wǎng)與NB-IoT 節(jié)點之間的通信需要進(jìn)行合理的軟件設(shè)計，主要包括傳感及控制模塊程序設(shè)計、集中模塊程序設(shè)計及耗能控制。

3.1 傳感及控制模塊程序設(shè)計

為了滿足監(jiān)測節(jié)點功耗控制要求，在保證Zig-Bee 自組網(wǎng)快速組網(wǎng)并實時傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引入休眠及喚醒機(jī)制，即各監(jiān)測節(jié)點由ZigBee 協(xié)調(diào)器進(jìn)行休眠及喚醒控制。程序流程圖如圖4 所示。

圖4 傳感及控制模塊程序設(shè)計

3.2 集中模塊程序設(shè)計

集中模塊由ZigBee 協(xié)調(diào)器和NB-IoT 節(jié)點組成，ZigBee 協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)并傳輸給BC28 實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云平臺。等數(shù)據(jù)傳輸完畢，ZigBee 協(xié)調(diào)器向各監(jiān)測節(jié)點及BC28 節(jié)點同時發(fā)送休眠指令，為保證設(shè)備同步性，必須設(shè)置相同的休眠定時器。程序流程圖如圖5 所示。

圖5 集中模塊程序設(shè)計

3.3 耗能控制

系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點及集中模塊節(jié)點均采用電池供電，提高了環(huán)境監(jiān)測布局的靈活性，降低了應(yīng)用成本，但對耗能控制的要求更加嚴(yán)格。CC2530 模組及BC28 模組的主要耗能是在射頻模式下，即發(fā)送、接受數(shù)據(jù)。在休眠模式下的耗能極低，故通過軟件設(shè)計延長休眠時間是控制功耗的有效方法，但同時要保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性，所以軟件設(shè)計需要根據(jù)場所的不同監(jiān)測需要，經(jīng)過多次調(diào)試以確定合理的休眠和喚醒時間。

4 云平臺設(shè)計

云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)顯示及控制命令發(fā)送，系統(tǒng)采用OneNET 云平臺，其友好的開發(fā)環(huán)境及支持多協(xié)議接入讓NB-IoT 模塊上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)變得簡單。平臺采用Web 架構(gòu)，開發(fā)環(huán)境提供了必須的界面搭建元素，數(shù)據(jù)綁定簡潔直觀，控制臺可以自動生成Web 應(yīng)用鏈接，利用瀏覽器或OneNET 手機(jī)APP 可以方便實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制。

4.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)Web 應(yīng)用和底層傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互及分析處理，云平臺是連接Web 應(yīng)用和底層傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁，云平臺接收并存儲來自傳感網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)并為Web 應(yīng)用開發(fā)者提供API。系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

4.2 防誤報機(jī)制

引入防誤報機(jī)制。監(jiān)測點傳感器由于信號干擾或者傳輸錯誤可能出現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)偏差，防誤報設(shè)計思路是若一個監(jiān)測點上傳數(shù)據(jù)超過閾值，數(shù)據(jù)平臺不會立刻做出警報及控制終端反應(yīng)，而是下發(fā)指令再次讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)若再次超過設(shè)定閾值。系統(tǒng)做出報警處置，否則系統(tǒng)就會忽略本次警報，防誤報機(jī)制提高了系統(tǒng)監(jiān)測的穩(wěn)定性，避免因誤報造成損失。系統(tǒng)防誤報機(jī)制如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)防誤報機(jī)制

4.3 應(yīng)用界面設(shè)計

利用OneNET 云平臺的應(yīng)用管理功能可快速搭建Web 應(yīng)用。工作臺提供不同類型控件可綁定對應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)源，應(yīng)用界面設(shè)計效果如圖8 所示。界面設(shè)計包括三部分：閾值設(shè)置及報警標(biāo)志、數(shù)據(jù)顯示折線圖、設(shè)備及工作模式控制。

圖8 應(yīng)用界面設(shè)計

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，重點對比監(jiān)測數(shù)據(jù)跟標(biāo)準(zhǔn)儀器測試數(shù)值是否一致，是否會產(chǎn)生誤報，檢驗噴淋設(shè)備、風(fēng)扇等功能設(shè)備能否有效控制。除此之外還需檢驗系統(tǒng)能耗是否符合低功耗要求以及能否降低后期系統(tǒng)維護(hù)成本。系統(tǒng)測試采用實驗驗證方式，用2 個ZigBee 節(jié)點模塊作為傳感及控制模塊，用1 個ZigBee 節(jié)點模塊作為協(xié)調(diào)器，用1 個NB-IoT 模塊作為系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，NB-IoT模塊無線通信流量使用中國移動物聯(lián)網(wǎng)專用卡進(jìn)行測試。系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示，測試結(jié)果符合預(yù)期。

表1 系統(tǒng)測試實驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

基于NB-IoT 和ZigBee 的實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，把ZigBee 快速自組網(wǎng)的優(yōu)勢跟NB-IoT 高效遠(yuǎn)程透傳能力相結(jié)合，應(yīng)用到實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測中，實現(xiàn)對實驗實訓(xùn)室溫度、濕度、煙霧濃度的實時監(jiān)測，同時能對噴淋系統(tǒng)及風(fēng)扇等功能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。一個中小規(guī)模的監(jiān)測系統(tǒng)只需定期向電信運營商繳納一個NB-IoT 網(wǎng)關(guān)模塊的流量費用而不需要其他費用，后期運維成本大幅降低。此外系統(tǒng)的低功耗設(shè)計及防誤報機(jī)制也極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用前景。