基于NB-IoT的大氣污染物無線監測站點設計

侯凡博 張修太 王丹丹 王凱

摘 要：文中設計并實現了一種基于窄帶物聯網的大氣主要污染物在線監測系統。該系統主要由數據發布服務器、設備管理服務器、云端數據采集服務器、NB-IoT無線監測站點等組成。文中主要討論了NB-IoT無線監測站點的設計與實現，其采用ARM Cortex-M3內核主流單片機STM32F103作為主控制器，采用SIM7000C NB-IoT通信模塊進行設備與服務器間的數據通信。利用高精度電化學大氣有害氣體傳感器和先進的激光散射粒子計數系統對大氣主要污染物進行采樣，并通過NB-IoT實時上傳至云端服務器并記錄和發布。該系統的實現便于專家學者對環境污染信息進行統計分析，利于國家環保機構對大氣污染治理現狀的精準把控。

關鍵詞：NB-IoT;無線監測;大氣污染;單片機;傳感器;STM32F103

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-000-03

0 引 言

大氣污染的治理一直以來都是世界性難題。伴隨著中國經濟的飛速發展，我國大氣污染現狀越來越受到全社會的關注[1]。若要解決和治理大氣污染問題，就必須建立起一套實時、高效、可靠的大氣污染監測系統。受當下物聯網應用技術的啟發和NB-IoT網絡的普及，文中設計了一種大氣主要污染物在線監測系統，用以改善和提高現有大氣污染監測設備的擴展性、實時性、靈活性、可靠性和便利性。該系統主要由數據發布服務器、設備管理服務器、云端數據采集服務器、NB-IoT無線監測站點等組成。本文主要討論無線監測站點的軟硬件設計，采用高精度電化學有害氣體傳感器對大氣中的主要有害氣體（SO2，NO2，O3，CO）進行實時采樣，通過擴展異步串行接口將采樣數據送至STM32單片機;采用激光散射粒子計數設備對大氣中的可吸入顆粒物（PM10，PM2.5，PM1）進行實時采樣，并將采樣數據通過SPI同步串行口傳輸至單片機。單片機對數據進行平均濾波后，經由NB-IoT無線網絡將收集的數據及時上傳到云端數據采集服務器，以實現大氣污染數據的采集。該系統的設計遵循《環境空氣質量自動檢測技術規范》（HJ/T 193—2005），適用于環保部門對大氣污染的監測和管控[2]。

1 總體設計方案

本系統是一套涵蓋網絡服務器與無線網絡監測站點的大型分布式大氣環境污染監測系統，其整體結構如圖1所示。該系統可實時對大氣中的主要有害氣體、可吸入顆粒物以及環境溫濕度等信息進行采集，并通過網絡對采集的數據進行處理和發布。其中NB-IoT無線監測站點是本項目的功能核心，具有對大氣污染物的濃度采集、數據處理和數據上傳功能。站點具有布設便利、通信可靠、采樣準確、運行穩定等特點，以保證站點設備在投入使用后無需人為干涉即可穩定進行數據采集和上傳。

2 系統硬件設計

根據上文制定的方案，NB-IoT無線監測站點的硬件設備應具備以下功能：

（1）可對大氣中主要氣體污染物的濃度進行檢測，包括二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）和臭氧（O3）等;

（2）可對大氣中可吸入顆粒物的濃度進行檢測，包括粒徑小于10 μm的顆粒物（PM10）和粒徑小于2.5 μm的顆粒物（PM2.5）;

（3）可控制風機等設備對檢測站檢測設備腔體內的樣本氣體進行更新;

（4）可通過NB-IoT網絡將數據發送至云端數據采集服務器;

（5）具備儲存能力，可在網絡不好的條件下保存數據，待網絡恢復后向服務器上傳;

（6）具備穩定的電源供電能力，可保證系統穩定運行。

系統硬件結構如圖2所示。

2.1 氣體污染物濃度傳感器選型

系統使用氣體傳感器對氣體污染物如二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）和臭氧（O3）進行濃度采樣。氣體傳感器是將特定氣體的濃度信息轉變成數字信號或模擬信號的傳感器件。本系統采用國內某公司出產的通用型電化學大氣監測傳感器模組，利用電化學原理對NO2，CO，SO2，O3氣體進行探測，具有良好的選擇性和穩定性。內部集成有溫度傳感器，可自動進行溫度補償。同時具備數字輸出接口以及模擬電壓輸出接口，方便用戶使用。該傳感器主要應用于城市空氣質量監測、企業污染氣體排放監測、環境保護部門對城市空氣監測、便攜式儀器儀表和空氣質量監測設備的生產制造、智能家居設備的研發等[3]。通用型電化學大氣監測傳感器模組的數字輸出端口采用通用異步收發傳輸接口（UART）。

2.2 可吸入顆粒物濃度傳感器選型

目前世界上主要使用激光粉塵儀對可吸入顆粒物進行自動化取樣檢測。激光粉塵儀采用光散射法對大氣中的粉塵等顆粒物進行濃度檢測。本系統采用國外某廠家生產的激光散射粒子計數系統對可吸入顆粒物濃度進行檢測。該傳感器使用輕便，具有先進的光學粒子檢測系統以及精密的電子電路，可以實現高速且精確的粒子計數和粒徑分布計數。其使用粒子計數算法，并結合空氣動力學、激光檢測技術、數字信號處理、光機電一體化等技術進行綜合研究，測量精度精準，可將大氣中的粒子細分為16個通道進行測試，且性能穩定、響應快速。該激光散射粒子計數系統通過四線高速同步串行外設接口（SPI）與主控制器相連接，可提供高速、穩定、多功能的通信接口。

2.3 NB-IoT網絡模組選型

目前常見的NB-IoT模組主要為上海移遠（Quectel）BC-95模組、利爾達科技（Lierda）NB05-01模組和芯訊通（Simcom）SIM7000C模組。前兩者的技術方案來自華為公司，而后者SIM7000C模組的技術方案來自高通公司。本系統采用SIM7000C模組，它是一款多頻LTE-FDD及雙頻GPRS/EDGE無線模塊，支持NB-IoT，CAT-M1（eMTC），GSM和GPRS/EDGE通信。SIM7000C提供了廣泛的外部接口，為客戶應用提供了極大便利，其中硬件接口包括UART，USB 2.0，PCM等，軟件接口包括TCP，HTTP，HTTPS，SMS等。采用NB-IoT無線模組的優勢在于功耗低、覆蓋面廣、支持多模、性能穩定。本系統中，MCU與SIM7600C模組的連接主要通過UART異步串行口實現。

2.4 電平轉換芯片選型

由于NB-IoT網絡模組SIM7000C-PCIE的I/O接口電平為1.8 V，但常見的微控制器GPIO引腳輸出TTL電平為3.3 V或5 V。本系統微控制器選用STM32F103型MCU，其GPIO端口輸出電平為3.3 V，為了使MCU和NB-IoT網絡模組能夠正常通信，應在其接口之間增加電平轉換電路，保證通信的穩定性，以確保NB-IoT網絡模組能夠正常工作。本系統采用德州儀器（TI）公司出產的TXB0108電平轉換芯片，該芯片是具有自動方向感應和±15 kV ESD（靜電釋放）保護的8位雙向電壓電平轉換器。

2.5 串口擴展芯片選型

由于本系統需要連接大量的UART異步串行通信接口設備，如4個采用UART異步串行接口的氣體污染物濃度傳感器、NB-IoT通信模組和開發調試串行接口。但目前多數微控制器（MCU）缺少足夠的內部UART通信接口，所以應在硬件上設計串行口擴展芯片來拓展MCU的通信能力。

本系統采用成都國騰微電子有限公司出品的GM8125串行口擴展芯片。該芯片可將全雙工串行接口擴展為5個標準UART串口，且能夠通過外部引腳控制串行口的擴展方式，實現單通道工作模式和多通道工作模式[4]。本系統采用單通道模式，使用主串口分時對子串口進行控制，從而控制5個子串口與氣體污染物濃度傳感器通信。

2.6 片外E2PROM儲存芯片選型

考慮到設備在運行情況下有可能出現網絡不佳的情況，所以在設備中加入片外E2PROM儲存芯片以儲存當網絡出現問題時的臨時數據。本系統采用Atmel公司的AT24C08 I2C總線及E2PROM儲存器，其具有1 024 B儲存空間，可儲存約100條臨時采樣數據。當采樣周期為15 min時，100條數據的儲存能力可儲存25 h的采樣數據。但現有LTE網絡已非常穩定，出現通信異常的概率極小，異常時間極其短暫，因此該容量的儲存芯片足以應對網絡故障時的臨時數據儲存狀況。

3 系統軟件設計

系統軟件流程如圖3所示。系統上電時，首先應對MCU片內外設進行初始化，依次為系統時鐘初始化、GPIO接口初始化、SPI接口初始化、定時器初始化、UART接口初始化[5]。然后對片外設備進行初始化，依次為GM8125串口擴展芯片初始化并設置其為單通道模式;激光散射粒子計數系統初始化并將其設置為空閑模式;氣體污染物濃度傳感器初始化并設置其為被動查詢模式;NB-IoT網絡模塊初始化并等待網絡連接成功。

網絡連接成功后，設備將與服務器進行第一次通信，使用約定好的GetPubkey服務器API接口，獲取用于安全通信的隨機公鑰和服務器當前時間戳，借助服務器時間戳初始化檢測站點實時時鐘，為隨后的定時任務做準備。由于電化學氣體污染物濃度檢測傳感器的電化學原理特性，接下來需要系統延時約5 min進行預熱，以保證測量值的準確性。

待一切初始化程序運行完畢便開始數據采集和上傳工作。數據采集和上傳由固定的定時器溢出時間標志位來觸發，以實現固定的采樣周期。當一次采樣周期到來后，系統首先打開監測站機殼的風扇，更新設備腔體內的樣本氣體。通風時間到后，進行可吸入顆粒物濃度的采集;首先打開激光散射粒子計數系統的激光和風扇，等待固定的采樣周期，對數據進行讀取和儲存;之后連續循環此程序，得到若干采樣結果，對其求平均值，以避免隨機誤差，得到準確的可吸入顆粒物（PM10，PM2.5）數據;通過GM8125串口擴展芯片，以輪流詢問的方式對4個氣體污染物濃度傳感器進行采樣，連續進行若干次后取平均值，得到準確的數據;所需數據采樣完畢后，使用本機UUID與之前通信獲取的公鑰運算出的驗證密匙、當前監測站時間戳以及采樣得到的數據經過特定格式的Json編碼后，通過PostData服務器API接口將數據上傳至服務器（若服務器返回數據上傳失敗，則重新進行數據上傳，若上傳成功，則判斷服務器返回的最新配置信息版本號，若服務器上的配置信息版本比監測站本地的配置信息版本高，則通過GetConfig服務器API接口獲取最新的配置信息）;待一個采樣上傳流程完成后，則等待下一次采樣周期的到來。

4 結 語

本文通過參考、分析中國當下大氣污染監測的方式方法和技術手段，結合空氣顆粒物連續自動監測系統的技術要求，提出并設計了一種基于NB-IoT的大氣污染物無線監測站點。其通過NB-IoT 網絡將各傳感器采集的信息實時上傳至云端數據采集服務器，并儲存于系統核心數據庫中。實驗過程中啟用了3臺NB-IoT無線監測站點，3個站點各司其職，互不干擾，以各自的節律運行。服務器同時接收多臺監測站點數據時未出現數據擁堵、網絡出錯等情況，一切運行良好。系統的實時性、高效性、穩定性以及可擴展性特點經過驗證，均滿足設計要求。

參考文獻

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