基于NB-IoT技术的多传感器数据采集系统设计

辛慧娟， 肖军

(1.陕西工业职业技术学院 电气工程学院, 陕西 咸阳 712000;2.西安航空学院 电子工程学院, 陕西 西安 710077)

0 引言

随着社会的发展、科技水平的飞速提升，信息数字化的传播，数据采集正迈向智能化、网络化。传统的数据采集装置，是通过人工测量数据，并且人工收集数据，然后再整理数据输入到PC机处理和分析。很显然传统数据采集方式工作繁重，误差较大，准确性不高，实时性差。数据采集系统可以提高数据采集的准确性和实时性，同时储存在数据库的数据也方便调用。在实际使用中，数据采集系统需要与网络相连。网络接入包括有线接入和无线接入。无线接入法是通过网络服务器发布无线连接信号，利用微波和卫星将系统接入到网络中。研究发现传统的接入法存在运行时间长、误传率高的问题[1]。

物联网技术、嵌入式技术和传感器技术已成为信息产业的发展方向。无线传感器网络(WSN)在智能家居、智慧农业、智慧交通、灾情监控等方面的应用越来越广泛。结合无线传感器网络协议和物联网技术进行物联网组网优化设计，在监测区域中，布置大量传感器，对数据优化采集，已到达在监控区域内信息监测和控制能力的提升。本文结合物联网技术、嵌入式技术和传感器技术，设计了一款基于NB-IoT技术的数据采集系统，该系统具有成本低、低功耗的特点，可应用于各个领域，可以实现监控区域信息的无线采集、传输、处理，将数据存储于服务器端的数据库，并且可以实现PC终端的信息交互，使监控人员随时可以使用各种能联网的设备获取现场状况[2-4]。

1 系统总体方案设计

1.1 总体方案设计

本文所设计的基于NB-IoT数据采集系统，是以32位的Cortex-M4系列微处理器作为核心控制器，结合各个功能模块的电路，以基于NB-IoT通信技术，达到完成对多种参数(温度、湿度、二氧化碳、一氧化碳等)进行测量与实时监测。在设计硬件电路时，将主控制器外围电路划分为不同的独立模块，不如：数据采集模块(或传感器模块)、摄像头模块、NB-IoT通信模块、电源电路模块、时钟电路、复位电路等，这些模块都是围绕STM32微处理器运行的。

1.2 NB-IoT技术

物联网技术是互联网技术的一项革新应用，也是延伸。物联网就是通过感知元件采集物品的一些信息，进行传输，结合互联网技术，进行信息交换和处理，最终实现实时监测物品和管理。感知元件和互联网是物联网技术的关键，感知元件定义为感知层，能够将物品的状态上传至互联网，最终将信息传递给客户端。

目前，常用的无线通信技术有Wifi、蓝牙、Zigbee等[5]。Wifi是一种无线局域网接入技术，采用802.11协议，网络覆盖100米左右，功耗大[6]。蓝牙技术是短距离的无线通信技术，传输半径只有10米，可以实现点对点或一点对多点的通信，具有低功耗、低成本、抗干扰能力较弱等特点[7]。Zigbee技术采用IEEE802.15.4标准，传输距离在10～100 m，具有低功耗、低成本等特点[8]。窄带物联网(NB-IoT)是全新窄带无线接入技术，通常也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT是在LTE基础上发展起来的，NB-IoT带宽为 180 kHz，上下行速率不超过250 kbit/s，NB-IoT终端类型为Cat.NB1。NB-IoT网络结构,如图1所示。

图1 NB-IoT组网图

其中包括NB-IoT终端，NB-IoT基站，NB-IoT核心网，NB-IoT云平台和垂直行业中心。NB-IOT技术与其他技术相比，网络覆盖面提升了；NB-IoT电池可以支撑十年，大大降低了功耗。综上所述，本系统采用NB-IoT通信协议[9-11]。

2 系统硬件模块设计

2.1 主控制器模块

STM32单片机与其他单片机比较，具有价格低、功能强、开发方便等特点。本系统采用STM32F407单片机，STM32F407是32位高性能微控制器，具有CortexTM-M4架构，抗干扰能力强，使用独立的数据总线和指令总线。其主频为168 MHz，自带DCMI接口，能够接收外部CMOS摄像头模块发出的高速数据流。该架构含有好多个总线接口，都可以对自己的应用进行优化。利用STM32对采集到的多种数据信息进行处理后，将已处理数据通过NB-IoT无线通信发送到网络平台。

2.2 NB-IoT模块

NB-IoT是窄带物联网技术，也被称为低功耗广域网。目前NB-IoT的带宽消耗已降至180 kHz，因为其优点比较突出，所以可以将NB-IoT部署在GSM网络、UMTS网络和LTE网络中。该系统NB-IoT模块采用5 V供电，每15 min向外发射信号一次。STM32单片机与NB-IoT模块相连，NB-IoT模块与网络相连，将数据信息传送到后台，实现双向透明传输。

2.3 摄像头模块

OV2640是一款CMOS图像传感器，自带JPEG输出功能。STM32F407自带同步并行数字摄像头(DCMI)接口，与OV2640连接，可以控制数据传输方式、图像质量和设置数据格式。同时能够以DMA的方式接收摄像头发出的高速数据流，降低了CPU的工作量，大大减少了图像处理的数据量，灵敏度高。

2.4 传感器模块

传感器模块主要包括温湿度传感器(DHT11)、一氧化碳传感器(MQ-7)、二氧化碳传感器(MG-811)。各模块监测周围环境中对应参数值。各传感器与主控芯片STM32相连接，各传感器将被测模拟信号转变为可被STM32处理的数字信号，并将数据通过NB-IoT无线通信传输到云平台。各传感器将采集的数据传给STM32，STM32对这些数据进行校验，这样就有效的提高了数据传输的正确性[12]。

2.5 电源模块

本系统使用LDO低压差模拟电源芯片AMS1117-3.3，该芯片工作特性是：当输入电压在4.8～10 V之间时，能输出3.3 V的稳定电压。本系统中芯片与传感器所需电压都为3.3 V，模块提供的是5 V直流电，可以通过该稳压芯片把电压降到3.3 V，其稳定性较高，功耗较低，能够给系统提供稳定的电压。电源电路原理,如图2所示。

图2 电源电路原理图

3 系统软件设计

3.1 主程序软件设计

该系统软件设计主要包括终端数据采集与数据通信协议设计、IOT云平台以及客户端软件设计。为了移植方便，该系统采用C语言编写，使用Keil uVision5软件编译。并且使用软件构件技术设计底层驱动程序，可以提高软件的开放性、移植性、通用性以及系统稳定性。根据模块功能，终端构件,如图3所示。

构件设计包含源程序文件(.c)和头文件(.h) 两部分。主程序设计过程,如图4所示。

主程序设计在main()函数中调用函数，主要进行声明主函数中变量类型和名称，关总中断；进行系统初始化，初始化各个模块；调用传感器模块采集的参数，根据设定的阈值判断采集数据是否正常[13-16]。

3.2 数据通信协议设计

本系统在采集终端和IOT云平台之间采用了CoAP通信协议，该协议是一种应用层通信协议，波特率为9 600 bit/s。通信时，首先与IOT云平台服务器建立连接，接入网络后再进行数据传输。CoAP通信协议最小数据包仅为4字节，可实现微型机之间的通信。数据发送格式采用CRC校验，提高了数据的准确性。

图4 主程序流程图

3.3 通信机制

根据NB-IoT通信技术的架构可知，在通信中，终端设备的识别是采用IP地址+IMSI号的方法，每个终端设备有且只有一个IMSI号，给传输的数据包加入目的IP地址，以保证通信的有效进行。通信中一帧数据格式：帧头占2字节、传输数据占32字节、IP地址占15字节、IMSI号占15字节、验证码占2字节、帧尾占2字节。该帧结构可以提高数据传输的正确性。为了保证数据模块通信成功，设置了重复发送的次数，有效避免外界干扰引起的传输失败。

4 通信测试

为了检测该系统的稳定性和准确性，实际搭建了模拟仿真实验平台。将传感器所采集的湿度、温度、一氧化碳以及二氧化碳等参数，通过NB-IoT核心网和云平台每隔6分钟发送到监测中心的PC机的检测界面中，进行操作和观察。经反复实验分析，该系统数据传输中没有产生丢包的现象，运行较稳定，数据比较准确。

5 总结

本文结合物联网技术、嵌入式技术和传感器技术，设计了基于NB-IoT的多传感器数据采集系统，并通过硬件模块和软件功能模块的设计，运用云平台技术，最终实现了无线通信的数据采集系统，能对温湿度、一氧化碳以及二氧化碳进行实时监控。通过实验表明:该方案能够快速地对环境进行数据采集，且运行稳定，数据采集准确，达到了设计之初的要求，并且具有通用性和扩展性。