基于NBIoT的智能烟感系统设计

信息与电脑2019年第7期China Computer & Communication软件开发与应用基于NB-IoT的智能烟感系统设计金恩曼　侯顺祥　汪婵婵　匡　泰（浙江安防职业技术学院，浙江 温州　325016）摘　要：笔者设计了一种新型的智能烟感系统，实现了远程监控与管理。该系统利用STM32主控制器，将烟雾传感器的数据通过基于窄带物联网技术的NB-IoT通信方式，上传到云平台，移动终端通过与云平台的对接，实现在线报警和远程控制功能。与传统烟感系统相比，该系统具有功耗小、布线简单、远程控制等功能，具有较为广阔的应用前景，值得发展和推广。关键词：NB-IoT；烟感系统；云平台中图分类号：TN929.5；TP391.44　　文献标识码：A　　文章编号：1003-9767（2019）07-071-04Design of Intelligent Smoke Sensing System Based on NB-IoTJin Enman, Hou Shunxiang, Wang Chanchan, Kuang TaiThe system uses STM32 master controller to upload smoke sensor data to cloud platform through NB-IoT communication based on Abstract: A new type of intelligent smoke sensing system is designed, which realizes remote monitoring and management. (Zhejiang College of Security Technology, Wenzhou Zhejiang 325016, China)narrowband Internet of Things technology. Mobile terminal can realize online alarm and remote control function by docking with cloud remote control and so on. It has broad application prospects and is worth developing and popularizing.platform. Compared with the traditional smoke sensing system, the system has the functions of low power consumption, simple wiring, Key words: NB-IoT; smoke sensing system; cloud platform０　引言文提出了一种基于NB-IoT的新型智能烟感系统。NB-IoT目前，智慧消防作为智慧城市建设的主题之一，已引起（Narrow Band Internet of Things）即窄带物联网，是IoT领政府部门的重视。通过部署现场智能消防设备，将采集到的数域的一个新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连据上传到云平台，经过大数据分析和处理，反馈给用户或有关接[3]，也被称为低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT具备四部门，已成为未来智慧消防的发展趋势。该方式能及时发现隐大特点：（1）广覆盖，NB-IoT增益为20 dB，最大可以到患并做出应急措施，有效保障了用户的生命财产安全[1]。23 dB，在相同频段下，提升了100倍覆盖区域的能力；（2）烟雾传感器作为一种重要的消防设备，已广泛应用于工大连接，NB-IoT一个扇区支持10万个连接，频谱使用效率厂、学校、商场和写字楼等众多建筑场所。目前，烟雾传感更高；（3）低功耗，NB-IoT提供connect、寻呼和PSM模器的数据通信方式主要有两种：（1）基于RS232/485的有式，简化了协议，降低了功耗，且其终端模块的待机时间长线通信方式[2]，存在布线设计复杂、走线困难、安装工期长达10年；（4）低成本，企业预期的单个模块不超过5美元[4]。和维护成本高等缺点；（2）采用Zigbee和GSM的无线通NB-IoT的以上优点，很适合终端节点多且分散、对功耗有特信方式。基于Zigbee的通信方式，存在通信距离短、穿墙能殊要求的智慧消防场景。力弱、需要增加大量网关开销等缺点。采用GSM的通信方式，１　系统设计存在模块功耗高、续航能力不足、烟感设备密集布置时易出现网络拥塞等不足。1.1　总体设计方案针对传统烟感设备的缺点及智慧消防的发展趋势，本本系统主要分为四个部分，如图1所示，分别是板载设备、基金项目：浙江安防职业技术学院校级科研项目“基于NB-IoT的智能烟感系统的设计研究”（项目编号：AF2018Y02）。作者简介：金恩曼(1986—)，男，浙江温州人，硕士研究生，助教。研究方向：物联网应用技术。—　　　７１　　　—软件开发与应用信息与电脑China Computer & Communication2019年第7期NB-IoT网络、云平台和移动终端APP。板载设备搭载烟雾1.3　系统软件设计传感器和NB-IoT通信模组，实现数据采集和数据上传功能。云平台分别向底层节点和移动设备提供南向接口和北向接口系统软件设计主要分为三块部分，即板载设备软件设计、服务，实现数据存储和管理。移动终端APP通过北向接口接云平台部署和移动终端APP开发。入云平台，实现数据在线查询和远程监控功能。1.3.1　板载设备软件设计板载设备的软件设计主要完成硬件初始化，注册接入运营商网络，定期采集并上报数据，定期检测云平台下发数据并响应，流程如图3所示。图１　系统总体设计方案1.2　系统硬件设计本系统硬件设计主要包括三部分模块，即主控芯片模块、传感器模块和NB-IoT模块。硬件系统设计方案如图2所示。数据上行方向，烟雾传感器采集烟雾浓度输出模拟信号，由主控芯片ADC接口转换后输出数字信号，经Uart接口发送至BC95模组，数据经过封装后由天线发送到NB-IoT网络。数据下行方向，BC95模组从NB-IoT网络接收数据，通过Uart接口送至主控制器，经分析处理后通过GPIO端口驱动蜂鸣器。图３　板载设备初始化流程（1）硬件初始化。第一，GPIO口初始化。本系统中用图２　系统硬件设计方案到多个GPIO口、驱动系统灯、控制报警器和接收模拟信号1.2.1　主控芯片模块输入等。GPIO口初始化主要涉及以下配置，即端口与引脚，本系统针对物联网应用场景，采用意法半导体，推出了输入或输出模式、速率和上拉/下拉电阻等。第二，串口初高性能、低功耗处理的STM32L431RCT6芯片。该芯片基于始化。本系统主要应用两个串口，一个作为程序调试输出，ARMCortex-M4处理器内核，32位位宽，内部集成128 K的一个作为主控芯片和BC95模组通信。串口初始化主要包括FLASH，64 K的SRAM，采用LQFP64封装，提供工作、睡眠、以下配置，即波特率9 600 bps，8位数据格式，1位停止位，关断和待机等四种模式，运行主频达80 MHz，具有丰富的无奇偶校验位，无硬件数据流控制。第三，ADC初始化。烟接口资源，包括I2C、SPI、ACD、Uart、定时器和看门狗等，雾传感器根据检测到的浓度，输出一个0～5 V的模拟信号，非常适合物联网系统[5]。系统将其转换成与之对应的数字信号后，上报至云平台。本1.2.2　烟雾传感器模块系统采用处理器芯片内置的逐次逼近型ADC转换器，配置烟雾传感器模块采用基于QN-N10气敏半导体传感器和如下：12位精度转换方式，单通道单次扫描，软件触发转换，LM393的电压比较器为主要芯片的集成模块。该模块具有较数据右对齐低字节对齐方式。好的灵敏度，能够快速检测气体浓度，输出0～5 V的模拟（2）注册联网。NB-IoT网络由NB-IoT模组、NB-IoT信号。当浓度越高时，输出电压越大。该模块寿命较长、稳基站、核心网和IoT平台等组成。基站和核心网由运营商提供，定性较高，符合本系统的设计要求。实现终端设备和云平台之间信息的上报和下发接收。NB-IoT1.2.3　NB-IoT模块模块需要注册入网，即初始化，主要包括模块上电复位、写目前，NB-IoT芯片厂商主要有高通（Qualcomm）、锐IMEI号、基站搜索、注册和接入云平台。烟雾传感器节点采迪科（RDA）、英特尔（Intel）、华为海思和联发科等。集数据后，按照用户自定义协议进行编码，以AT命令的形本系统采用上海移远公司的BC95模组。该模组工作频段为式将数据发送至NB-IoT模组，模组将数据封装成CoAP协Band5、Band8、Band20和Band28，支持国内电信运营商议包后发送至IoT平台，IoT平台收到数据后进行CoAP协FDD制式，供电电压为3.6 V左右，发射功率为23±2 dB，议包解析和数据存储。数据下行时，IoT平台将下发数据以在省电模式（PSM）下，电流低至5 μA。该模块提供波特CoAP协议包发送至NB-IoT模组，终端通过AT命令收集存率9 600 bps的串口，用于AT命令通信和数据传输，网络通储下发数据，并进行解析处理[6]。整个通信过程中，处理器信支持IPv4/IPv6/UDP/CoAP/协议。和通信模组的信息交换都是基于AT命令实现。BC95模块注—　　　７２　　　—信息与电脑2019年第7期China Computer & Communication软件开发与应用册入网和通信过程中常用的AT命令如表1所示[7]。一款基于Android平台的手机APP。手机通过WiFi或4G接表１　ＢＣ９５常用ＡＴ命令入互联网，可从云端获取烟雾传感器的数据。当烟雾浓度超AT命令描述AT+NRB模块复位重启过一定阈值时，手机自动响铃报警。APP界面主要包括用户AT+CGSN=1查询模块序列号，返回IMEI号登录界面和显示界面。其中，登录界面包含云平台接入的IPAT+CSQ查询信号强度地址、端口号、设备应用ID和密码，显示界面包含设备状态（在AT+CEREG查询网络注册状态AT+CGATT=1附着上基站线、离线）、NB-IoT信号和烟感值，如图6所示。AT+NCDP=“IP地址”配置CDP服务器的IP地址和端口号AT+NMSTATUS?测试NB模块与IoT平台的连接AT+NMGS发送消息到CDP服务器AT+NMGR接收CDP服务器消息1.3.2　云平台部署物联网云平台提供设备接入、管理和数据分析存储功能，并向各种应用提供服务。本系统使用电信SIM卡，采用华为的OceanConnect作为云平台。该平台是华为云核心网推出的以IoT联接管理平台为核心的IoT生态圈。基于物联网、云计算、大数据等核心技术，构建统一开放的IoT联接管理平台，通过开放API和IoT Agent，实现与上下游产品的无缝联接，从而为客户提供端到端的高价值行业应用。OceanConnect云图５　编解码插件平台开发工作主要包括Profile定义和编解码插件开发。Profile也称产品模型，用于描述设备具备的能力和特性。用户可通过定义Profile，在物联网平台构建一款设备的抽象模型，使平台理解该款设备支持的服务、属性、命令等信息。本系统创建了一个Smoke服务，该服务下创建了四个属性和一个控制命令。属性分别为“index”、“CSQ”、“SmokeValue”、“MaxValue”，控制命令为“Beep”，如图4所示。图６　移动终端ＡＰＰ　ＵＩ２　系统测试将设备插入SIM卡，接入天线后，置于4G信号较强的位置并上电。用打火机口对准烟雾烟感器模拟可燃性气体环境，如图7所示。当无可燃性气体时，云平台上显示烟感值为300左右；当有可燃性气体时，烟感值飙升到2 000左右，同时，手机APP界面显示报警“异常”，并发出响铃报警。图４　Ｐｒｏｆｉｌｅ定义编解码插件可实现二进制数据和Json格式数据的转换，３　结　语从而实现设备终端和OceanConnect平台之间数据上报和命令本文基于NB-IoT技术，设计了智能烟感系统，详细阐述下发的双向通信，如图5所示。了系统总体方案、软硬件设计。测试结果表明，该系统可以1.3.3　手机APP设计实现烟感数据远程采集及监控。该系统具有功耗小、成本低、为了能够将现场节点信息实时反映给用户，本文设计了可靠性高和布线简单等优点，适用于智慧消防等应用场景。—　　　７３　　　—软件开发与应用信息与电脑China Computer & Communication2019年第7期图７　云平台数据和手机ＡＰＰ界面参考文献[4]祝恩国.一种应用NB-IoT的智能电能计量装置设计[J].[1]居晓东.关于“智慧消防”建设的研究[J].消防论坛,2017 电气传动,2019(49):92-93.[5]曹小娜.ST STM32L4:整合Cortex_M4内核超低功耗高性(9):45-46.能MCU[J].世界电子元器件,2015(4):42-43.[2]王元荪.基于RS232和RS485总线的火灾集散式监控网络[6]李艳.基于窄带物联网技术的路灯监控系统的设计与实[J].消防技术与产品信息,2009(2):10.现[J].上海师范大学学报(自然科学版),2019,48(1):27-31.[3]张良德.NB-IoT的及应用研究[J].通信设计与应用,2017 [7]蒋震.基于NB-IoT的温湿度采集系统设计与实现[J].信(1):115-116.息化研究,2018,44(6):63-68.（上接第70页）5.3　促进了医院各部门的团结协作资源汇集到统一的信息平台。通过网络技术实现资源整合，协同合作的目的是调动各科室的优势，集结各个医疗人不同资源的内在关联一目了然，有效改善了医院环境。各个员的能力，从而克服重难点医疗问题。随着OA办公自动化员工可将工作过程中的知识、经验、技能以及问题告知其他系统的应用，各科室不必远距离跑动调动人员，只需通过网员工，互相学习，提升全体成员的水平。根据上述意见及时络平台邀请相关人员，节约了治疗时间，提高了医院口碑。调整医院制度，跟随时代发展的潮流，保证医院的市场竞争力，实现可持续发展的目标。根据调查，不同科室跨平台操６　结　语作已成为日常，员工请假、员工投诉、领导决策、重大手术随着医院办公任务的逐渐加重。医院信息化管理工作与申请和疾病控制等流程，可实现快速审批，节约了大量时间，办公自动化系统相结合已成为必然趋势。OA办公自动化系减轻了员工的负担。此外，根据财政报告，随着OA办公自统打破了空间与时间的限制，实现文件的快速传递和共享，动化系统的应用，有效提升了各个医院的经济效益。提供不同群体之间的交流渠道，从而帮助管理者制定决策。5.2　规范办公流程及公文处理流程未来，OA办公自动化系统势必进一步更新，为患者提供更优质的服务。医患纠纷是当前社会高度重视的恶劣事件。OA办公自动化系统明确划分了具体事宜的责任，医疗人员和患者可事参考文献先了解相关内容并交流。和谐的环境是提升医疗水平的基础，[1]曾霞.OA办公自动化系统在医院文书档案信息化管理通过OA办公自动化系统可达到查有所依的目的。此外，该中的应用[J].办公室业务,2015(2):90.系统详细记录了各个流程，可随时查阅工作人员的操作内容，[2]罗彬彬.浅谈医院文书档案管理的办公自动化[J].传提高了医院事务的透明度。承,2016(6):122-123.—　　　７４　　　—