基于NB-IoT的紡織車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

侯秀月，于會山

（聊城大學物理科學與信息工程學院，聊城 252059）

0 引言

中國紡織業(yè)歷史悠久，是我國一大傳統(tǒng)行業(yè)，隨著經(jīng)濟發(fā)展，許多智能紡織車間應運而生，促進了紡織業(yè)的快速發(fā)展。而在紡織品生產(chǎn)過程中，存在很多外在因素影響生產(chǎn)效率，進而影響紡織企業(yè)的發(fā)展。例如，溫濕度會對紡織車間中所使用紗線的強力、斷頭率、回潮率等因素造成影響，因此需控制紡織車間內(nèi)的溫濕度在合適范圍內(nèi)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境安全；隨著機械化、大批量生產(chǎn)需求的增大，電氣設備使用需求也隨之增大，就會存在線路老化、分布不合理等問題，容易引發(fā)火災，故采用煙霧傳感器檢測車間氣體濃度以便及時排查火情，從而保證紡織車間的生產(chǎn)安全。受我國勞動力成本低的影響，許多紡織車間還無法擺脫對人力的依賴。依舊采用人工檢測方法對紡織車間環(huán)境的溫濕度及煙霧濃度進行監(jiān)測，既費時又費力，進而阻礙了紡織車間智能化發(fā)展。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術是一種基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)新興技術，具有覆蓋范圍廣、功耗低、海量連接等特點，廣泛應用于智能農(nóng)業(yè)、智能表計、智能停車等領域。基于上述背景，本文設計了一種基于NB-IoT的紡織車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)集合無線通信技術、嵌入式技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術，實時采集溫濕度及煙霧濃度，利用NB-IoT無線傳輸技術遠程傳輸至云平臺，使工作人員及時查看紡織車間環(huán)境情況，保證生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)整體框架設計

如圖1所示，系統(tǒng)整體框架主要由環(huán)境監(jiān)測采集終端、NB-IoT無線通信模組、OneNET云平臺、監(jiān)測顯示終端組成。

圖1 整體框架圖

環(huán)境監(jiān)測采集終端可以通過溫濕度、煙霧濃度傳感器檢測車間環(huán)境變化，傳至主控芯片進行解析并做出響應；NB-IoT無線通信模組將采集的環(huán)境信息通過MQTT協(xié)議經(jīng)由NB-IoT移動基站發(fā)送至OneNET云平臺進行數(shù)據(jù)解析，云平臺可以對數(shù)據(jù)進行分析、存儲、保存、匯總等；在監(jiān)測顯示終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件結(jié)構由主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、語音報警模塊、無線通信模塊、顯示模塊、電源模塊構成。其中數(shù)據(jù)采集模塊為溫濕度傳感器及煙霧傳感器，對紡織車間進行環(huán)境檢測；語音報警模塊通過接收主控模塊發(fā)送的報警信號進行喇叭報警；主控模塊選擇STM32F103C8T 6作為主控芯片，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺；顯示模塊為7英寸串口屏，進行數(shù)據(jù)實時顯示；電源模塊采用12V電源為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)硬件結(jié)構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構圖

2.1 主控模塊

本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為MCU主控核心。該芯片基于ARM Cortex M3內(nèi)核，是32位微控制器，具有廣泛的增強型外設和I/O口，提供標準且先進的通信接口，如IC、SPI、USART等；此外，它還包含一個12位ADC、七個通用16位定時器和一個高級控制PWM定時器，可在-40～85℃的溫度范圍內(nèi)工作，電源電壓為2～3.6 V。其原理圖如圖3所示。

圖3 主控芯片

2.2 電源模塊

系統(tǒng)采用鋰電池進行供電，供電電壓為12 V。為保證語音芯片及傳感器正常工作，采用AMS1117降壓芯片降壓至5 V為其供電，由于單片機工作電壓為3.3 V，NB模塊工作電壓為2.1～3.63 V，所以需再次降壓至3.3 V為單片機及NB模塊供電，這樣既保證了單片機及其他外設正常工作，又保證了電路穩(wěn)定性。降壓電路如圖4所示。

圖4 降壓電路

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

溫濕度傳感器采用SHT31高精度數(shù)字型傳感器，濕度范圍為0～100%RH，溫度范圍為-40～125℃，供電電壓為2.4～5.5 V，其測量精度及靈敏度滿足此系統(tǒng)要求。STM32F103C8T 6單片機與SHT31傳感器使用IC協(xié)議通信，SHT31的SDA數(shù)據(jù)端和SCL時鐘端分別與單片機的PB9和PB8連接，進行信息交互。SHT31溫濕度傳感器接口電路如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器接口電路

對于紡織車間環(huán)境中的煙霧檢測，采用MQ2型煙霧傳感器，其具有較高的靈敏度和抗干擾性。其檢測可燃氣體與煙霧濃度范圍在100～10000 ppm之間，輸出模擬量為0～5 V電壓，輸出電壓隨紡織車間煙霧的升高而增大。MQ2的AO引腳與MCU的PA4相連，將采集到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送至MCU，利用公式換算成煙霧濃度值發(fā)送至顯示屏進行顯示。MQ2型煙霧傳感器接口電路如圖6所示。

圖6 煙霧傳感器接口電路

2.4 語音報警模塊

系統(tǒng)選用JQ8400語音芯片作為語音報警模塊主控芯片，支持MP3 WAV硬件解碼及FAT文件系統(tǒng)，最大優(yōu)勢在于能夠靈活地更換SPIflash內(nèi)的語音內(nèi)容，滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)設置閾值，當環(huán)境監(jiān)測采集終端采集的數(shù)據(jù)超過閾值時，單片機會通過USART將報警信息傳至語音芯片進行報警提示。JQ8400語音芯片電路如圖7所示。

圖7 語音芯片電路

2.5 NB-Io T無線通信模塊

NB-IoT對于遠距離、低功耗、低頻率的數(shù)據(jù)通信是非常有優(yōu)勢的，因此，此設計中的NB-IoT無線通信模塊選用移遠BC26型號。圖8所示為BC26模塊實物圖。BC26有豐富的外部接口，如UART、SPI、ADC等；此外，它還擁有眾多網(wǎng)絡協(xié)議棧，如TCP、CoAP、MQTT等，支持OneNET云平臺。在系統(tǒng)主控電路設計中只需對相關I/O口和串口進行配置即可實現(xiàn)相關功能，其主要作用是MCU通過串口發(fā)送相關AT指令，把采集到的數(shù)據(jù)實時上傳至OneNET云平臺，實現(xiàn)模塊間無線通信。

圖8 NB-IoT模塊

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

系統(tǒng)初始化設定閾值并開啟定時器，每隔十秒鐘MCU控制處理MQ2與SHT31所采集到的數(shù)據(jù)，通過USART通訊協(xié)議與顯示屏及NB模塊進行通訊，將顯示屏相應控件屬性值及云端數(shù)據(jù)實時更新為當前采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。若超過閾值，MCU通過USART協(xié)議與語音模塊進行通信發(fā)送報警相關報文，此時語音模塊將提取報警音頻進行播放，提示相關工作人員注意防范。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集部分軟件設計

MCU微控制器與SHT31之間通過I2C協(xié)議對數(shù)據(jù)進行實時采集。系統(tǒng)首先對SHT31初始化，然后開啟定時器，每隔十秒MCU通過IC協(xié)議發(fā)送寫信號（Wr=0）及工作模式指令；等待一段時間再次通過IC協(xié)議發(fā)送讀信號（Rd=1），此時讀取命令的高八位，再讀取余下的低八位，最終讀取環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)；如果使時鐘延長功能，只需要通過while（SCL==0）阻塞程序，等待其釋放總線然后MCU讀取數(shù)據(jù)即可。溫濕度采集流程如圖10所示。

圖10 溫濕度采集流程圖

要實現(xiàn)對MQ2煙霧濃度的采集，首先將煙霧傳感器通電，給傳感器一個初始化信號；然后進行AD信號采集，MCU微控制器配置ADC引腳，讀取AO引腳傳輸?shù)哪M量，根據(jù)MQ2的計算公式將所測電壓值轉(zhuǎn)換為濃度值，公式為log=log+（，均為常數(shù)），其中為電阻值，為濃度值，最終將得到實際的煙霧濃度值進行輸出。煙霧濃度采集流程如圖11所示。

圖11 煙霧濃度采集流程圖

3.3 顯示報警部分軟件設計

系統(tǒng)使用顯示屏配備的上位機軟件完成界面UI的設計。系統(tǒng)初始化后，當MCU微控制器接收到采集模塊的數(shù)據(jù)時，通過USART通訊協(xié)議發(fā)送相關數(shù)據(jù)顯示控件文本屬性值至顯示屏，顯示屏接收并進行顯示。當采集數(shù)據(jù)超過所設閾值時，微控制器向顯示屏發(fā)送報警控件文本屬性值，同時通過JQ8400語音報警模塊播放報警信息。待環(huán)境恢復正常后，清空顯示屏報警文本。顯示報警流程如圖12所示。

圖12 顯示報警流程圖

3.4 NB-Io T模塊軟件設計

MCU微控制器與NB模塊使用USART通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，通過MCU的TX端和RX端分別與NB-IoT模塊的RX端和TX端連接，進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。系統(tǒng)使用NB模塊與OneNET平臺進行數(shù)據(jù)交互，通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET平臺，NB-IoT模塊的工作和運營主要是通過發(fā)送AT指令進行的，模塊通過AT指令實現(xiàn)入網(wǎng)、駐網(wǎng)、配置工作模式和發(fā)送數(shù)據(jù)等操作。用戶使用相關AT指令執(zhí)行采集端與平臺之間的數(shù)據(jù)交互。部分AT指令集如表1所示。

表1 AT指令集

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試包含環(huán)境數(shù)據(jù)采集、顯示終端、報警響應、數(shù)據(jù)上傳等功能測試。此次測試時間為夏季，測試界面如圖13所示。

圖13 測試界面

系統(tǒng)每隔十秒采集一次數(shù)據(jù)，實現(xiàn)顯示終端及云端數(shù)據(jù)實時更新、報警及時響應等功能。故系統(tǒng)可分為兩種工作狀態(tài)，一是正常環(huán)境狀態(tài)下，采集環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示并上傳至云端遠程監(jiān)控、記錄；二是環(huán)境數(shù)據(jù)超出安全狀態(tài)時，進行報警顯示及語音提醒，當前數(shù)據(jù)及報警信息傳至云端記錄，以達到快速排查的目的。

5 結(jié)語

本文設計了一種基于NB-IoT的紡織車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，選擇STM32F103C8T6作為主控芯片，利用各種傳感器并通過USART或I2C協(xié)議對數(shù)據(jù)進行實時采集，搭載移遠BC26無線通信模塊及OneNET平臺進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠程傳輸。該系統(tǒng)采用NB-IoT技術，具有低功耗、廣覆蓋、海量連接等特點，更符合節(jié)能降耗的要求，在后期生產(chǎn)中可降低成本。此系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)安全性更高、成本更低，可同時在紡織車間放置多個終端節(jié)點，對車間全方位、多節(jié)點進行實時監(jiān)控。