关键词：环境监测；物联网；NB-IOT；长距离
引言
物联网技术应用到环境监测中，能让我们全面、准确的获取实时环境数据,促使环境监测效率大大提高。目前市面上物联网环境监测系统多以3G/4G无线组网的方式，资费昂贵，在信号弱的地方难以部署；或使用ZigBee或无线射频进行数据传输，这种方式传输距离短，覆盖范围小，需要基站多，建设和维护成本高。窄带物联网（NB-IOT）技术相比3G/4G网络、ZigBee等短距离通信技术，具有容量大、覆盖广、成本低、功耗小等优点。
结合环境物联网监测系统具有小数据传输、非频繁传输、低移动性、对时延不敏感等特点，本文提出一种基于NB-IOT环境物联网控制器。适合大范围部署在环境恶劣或信号难以到达的地方，可实现数据长距离传输，并可在线实时监控环境相关参数和控制器运行状况。
1系统结构
基于NB-IOT环境物联网控制器设计如图1：
控制器主要构成有：传感器、单片机、NB-IOT模块、服务器。基于NB-IOT环境物联网控制器的感知层包括感知终端和通知节点。感知终端是环境传感器，安装在户外，用于监测环境参数。网络传输层采用NB-IOT通讯方式，将采集的环境数据汇聚到路由节点后传输给应用管理层。应用层的核心是一台计算机，对监测到的环境数据进行分析处理，同时可发送查询指令至单片机，实现实时查询功能。
2系统介绍：
基于NB-IOT环境物联网控制器系统构成如下：
（1）主控系统：由STM32单片机构成，连接传感器系统采集环境数据。还可对相应的传感器下达查询指令，实现实时查询。连接数据通信系统，将所得环境数据传输至服务器，实现数据可视化。
（2）传感器系统：由环境传感器组成，实现对各项环境参数的采集。根据具体环境需求可进行传感器配置，可扩展性强。
将传感器连接单片机RS485接口。通过其串口向传感器发送Modbus协议下的询问帧，传感器接收到指令后向单片机发送数据帧，并通过中断接收数据。通过PC端的串口调试助手打印数据，进行调试。
（3）数据传输系统：使用NB-IOT模块将主控系统和服务器建立联系。控制器选用UDP传输方式。在NB-IOT网络中，NB模组通过射频信号与基站连接。基站完成运营商网络与设备的通信，NB核心网实现数据的传输与转发，将数据直接发送到云服务器。第三方应用服务器可主动到IOT平台查询数据。同时，第三方应用服务器可以通过IOT平台给终端下发数据。
3实验与结果
3.1实验材料
开发环境：Keil5，实时操作系统：μC-OSII，单片机：stm32，传感器：建大仁科公司的温湿度变送器、光照温湿度变送器，NB-IOT模块：上海移远公司BC95-B5模块。
3.2实验过程
3.2.1传感器系统
①USART2_TX向温湿度传感器发送Modbus协议下的询问帧，传感器接收到指令后向单片机发送数据帧，USART2_RX通过中断接收来自传感器的数据。②如此循环发送所有环境参数所需的询问帧，实现多个传感器数据读取。循环上述步骤实时更新数据，实现监测环境变化的实时情况。③改变光照温湿度传感器1的监测环境观察传感器的监测数据变化情况并与温度湿度传感器2对比，判断传感器系统是否正常工作。例如：用手握住传感器1的探头并且移动到光照强的空间时，监测数据如图2：
由图可知，在将传感器1的监测环境改变后光照强度数值立刻发生跳变，湿度值迅速变高，温度值变化较慢，环境改变后传感器1所监测的三组数据都发生变化，而传感器2数值，无明显变化。说明控制器可实时监测环境的变化。
3.2.2数据传输系统：
BC95模组连接网络成功后，首先处于连接状态，此时可以进行数据发送和接收，当20s无数据交互后进入IDLE状态，此时能够接收服务器数据，10s后仍无数据交互，进入PSM状态，此时不能接收服务器数据，模块与服务器断开连接。
当环境参数远程传输时，BC95模块接收到主控芯片串口发送的AT指令被唤醒，进入连接状态，立刻将数据传到云服务器，然后传送到监控终端，做到实时响应并且降低了功耗。
3.2.3主控系统：
在单片机上嵌入μc/osII实时操作系统，将定时监测设置为最高优先级，指令查询设为次级优先级。设置成功后，控制器能准确地每隔10分钟采集一次环境数据，并将数据通过NB-IOT模块上传至服务器。当客户端点击查询时，主控系统控制传感器进行一次查询。
4结论
基于NB-IOT环境物联网控制器的研制解决了环境监测数据的长距离发送问题，该设计支持多路传感器采集数据，可扩展性强并能将采集到的数据发送至服务器，可通过改变传感器类型应用于不同场合中。基于NB-IOT环境物联网控制器研制，可实现对环境数据进行实时监测，第一时间观察到环境数据变化。这有利于环保部门制定相应环保措施，加强了环保能力，有一定的经济使用价值。
参考文献
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[2]周波,朱福顺.基于NB-IoT的城市环境综合监控系统的研究与设计[J].信息通信,2018.
[3]何灿隆,沈明霞,刘龙申.基于NB-IoT的温室温度智能调控系统设计与实现[J].华南农业大学学报,2018(2):117-124.
论文作者:贾宁
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/12
标签：数据论文; 传感器论文; 环境论文; 控制器论文; 系统论文; 服务器论文; 实时论文; 《科学与技术》2019年第15期论文;