基于物联网及云平台的工厂环境远程监控系统

　　摘要：以低功耗广域物联网(LPWAN) LORA 和NB-IOT 技术为基础，利用机智云平台，设计出一种适用于大空间范围的环境监控系统。该系统通过各监测点的LORA 终端对环境参数进行采集并无线发送至LORA 集中器，后者将数据处理后经NB-IOT 模块传送至机智云平台，从而可通过机智云移动电话APP 访问云端实现工厂环境的远程实时监控。系统同时具有基于LabView 界面和485 总线的现场监控功能。通过测试，系统工作稳定、通信可靠、参数检测和相应控制准确，达到了实用要求，具有较高的应用和推广价值。

　　关键词：物联网;云平台;工厂环境;远程监控

　　1系统总体设计

　　本系统主要由LORA 终端、LORA 集中器、NB-IOT 模块、机智云平台、PC 主机及智能移动电话终端等组成。系统采用星型拓扑结构，具有结构简单和低功耗的特点[7]。

　　从功能上可将整个系统分为3 层：感知层、传输层及应用层。感知层为安置在厂区各处的LORA 终端系统， 每个LORA 终端包含了对应各环境参数的传感器组、STM32 核心控制板、LORA 无线通信模块、相关接口。传感器对各种环境信息进行采集后，STM32 板将数据进行分析处理并通过LORA 模块无线汇集到LORA 集中器[8]。传输层主要包括LORA 集中器组、NB-IOT 模块和RS485 总线等，负责感知层和应用层之间的远程信息交互。应用层包括机智云平台、智能终端、监控主机等，主要用于存储、分析、监控各环境数据。监控主机用于现场的监控;机智云平台和智能终端共同实现远程监控，突破了时间空间的限制。

　　1.1感知层系统

　　感知层主要完成现场各环境参数的信息采集、处理、上传等任务，并执行云端或上位机下发的相关控制命令。该层由分布于监测空间各处的多个LORA 终端系统组成，LORA 终端以STM32 控制板为核心，搭载传感器组、LORA通信模块。

　　1.1.1传感器组

　　由各种环境参数对应的检测传感器组成，并可根据具体场合进行增减。主要由温湿度传感器、光照强度传感器、空气粉尘浓度传感器 (检测空气中的灰尘烟尘和雾霾颗粒等)、可燃气体传感器、毒性气体 (如CO、煤气、液化石油气等) 传感器等[9]。各传感器的型号对应为：DHT22、BH1750FVI、GP2Y1010AU0F、MQ-5、MQ-9。

　　(1)电路连接

　　因篇幅所限在此仅以温湿度传感器为例进行介绍。DHT22 为含有已校准数字信号输出的温湿度复合型数字式传感器， 其温湿度数据均为16 bit，采用单总线串口通信、单列4 针脚封装，便于嵌入式系统集成。模块具有体积小、功耗低、传输距离长、稳定可靠等特点， 非常适合本设计的需要[10]。DHT22 供电电压为3.3～6 V，同时考虑其单总线双向通信的需要而选用STM32 控制板通用双向IO口与之连接。

　　(2)数据格式

　　DHT22 采用单总线数据格式。DATA 引脚用来与微处理器进行同步和通信，一次通信时间 5 ms 左右，传输数据40 bit， 高位在前， 低位在后， 具体格式为： 16 bit 湿度数据+16 bit 温度数据+8 bit 校验和，程序代码依据此格式进行时序控制与数据处理。其中，8 bit 校验和为 16 bit 湿度数据和16 bit 温度数据拆分为高、低4 个字节，然后求和，取和的低

　　8 bit。例如，湿度数据：0000 0011 1000 1100;湿度数据：

　　0000 0001 1010 1110; 则 8bit 校验和为 0000 0011 + 10001100+0000 0001+1010 1110 结果的低8 bit，为0011 1100;于是最终 40 bit 数据为： 0000 0011 1000 1100 0000 0001 10101110 0011 1100 。

　　(3)通信时序

　　DHT22 为从机工作模式，空闲时总线为高电平，用户主机 (STM32) 发送一次低电平开始信号将DHT22 从低功耗模式唤醒到高速模式。主机开始信号结束后，DHT22 首先发送一个 80 μs 左右的低电平响应信号;随后拉高 80 μs 并进入40 bit 的数据传送过程。每bit 数据由50 μs 的低电平和一个高电平组成，低电平代表数据位的开始，高电平长度代表数据位的值，较长的高电平代表1、较短的高电平代表0。

　　1.1.2STM32 控制板

　　STM32 为LORA终端和集中器的控制核心，本设计选用ST 公司Cortex-M3 架构的32 位主流ARM 芯片STM32F103RCT6， 其供电电压2～3.6 V，为64 脚LQFP 封装，内部集成256 kB 的FLASH 程序存储器和48 kB 的RAM 存储器，自带CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB 等多种多个通信接口，非常适合与各类型传感器和通信模块的嵌入式连接[11]。

　　STM32 板最小系统，包括电源、晶振、复位电路外，还需进行如下处理：(1) BOOT0 和BOOT1 经10 kΩ下拉电阻接地;(2) 电池供电的BEAT 引脚经100 μF 电容上拉到 3.3 V;

　　(3) 模拟量引脚VDDA 和VSSA 分别经0R 磁珠与3.3 V 和GND 连接，并在两引脚间并联104 电容。上电复位电路采用X5043 芯片，同时用于数据的断电存储。

　　因为LORA 终端系统需要用到基本的继电器输出，用于掉线、参数超标等的声光报警或向风扇、空调等发出控制信号，所以，该电路采用光电耦合器PC817 进行内外电路系统的光电隔离，可大大提高系统的抗干扰能力。

　　1.1.3LORA通信模块

　　LORA 终端的无线通信功能通过ATK-LORA-01 模块来实现，该模块采用基于LORA 技术的SX1278 扩频芯片并集成32 位高性能MCU，具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点。模块收发同体(模块可设置为发送或接收端)，通过AT 指令实现功能配置、通信控制和模式选择等; 使用433 MHz 免费工业频段，自组网通信，不会产生通信费用[12]。LORA 终端与LORA 集中器通过各自的ATK-LORA-01 模块进行无线通信。

　　1.2传输层系统

　　传输层主要功能为LORA 本地系统内的信息无线收发， LORA 集中器与现场主控电脑的通信，LORA 集中器与云平台的连接等。具体系统为LORA 集中器。包括STM32 板与LORA 模块的连接、STM32 板与主控电脑的RS485 接口设计、STM32 板与物联网云平台间的NB-IOT 连接设计等。因为传输距离、功能要求等不同，本系统有两种无线网络部署：本地各LORA 终端、LORA 集中器之间的LORA 无线网，LORA集中器与云平台之间远程连接的NB-IOT 网络。

　　1.2.1集中器的LORA模块

　　集中器的LORA 模块主要负责与各LORA 终端进行通信， 收集各终端设备采集的环境数据并发送相关控制信号。具体为 STM32 板与ATK-LORA-01 模块的连接和控制。其中STM32 板、ATK-LORA-01 模块及其相互连接与LO⁃ RA 终端设计相同，只是STM32 程序和ATK-LORA-01 模块的控制逻辑根据具体功能而不同[13]。

　　1.2.2RS485 总线接口

　　LORA 集中器通过RS-485 总线 (差分信号传输、抗干扰能力强) 将各终端数据上传给现场监控主机，并接收主机下发的相关指令。

　　1.2.3NB-IOT 模块的接口电路

　　窄带物联网NB-IOT 受到国内三大电信运营商的大力推广和全面部署，其信号覆盖范围甚至超过了手机信号，它的出现使物联网通信得以突破空间的限制，有信号覆盖的任何地方都可以通过NB-IOT 模块与物联网云平台进行数据传输，并可通过远程网络终端进行监控[14]。在此选用NB-IOT 模块型号为WH-NB73，具有资料详实、接口简单 (WH-NB73 模块与STM32 板之间通过串口和AT 指令进行连接)、稳定可靠等特点[15]。

　　1.3应用层系统

　　应用层主要包括工厂环境的现场监控和远程监控两部分。其中，现场监控系统采用LabView设计功能界面，监控主 机经USB-485 转换模块与LORA 集中器的RS-485 总线接口连接进行监测数据和控制信号的传输，从而实现工业现场的环境监控。而工厂环境的远程监控则通过物联网云平台及智能终端APP 联合实现。

　　1.3.1机智云平台应用

　　随着物联网技术的飞速发展，各种物联网云平台不断涌现，但它们的功能强弱有别、使用门槛高低不同，具体应根据实际情况选择，本设计采用机智云平台。

　　机智云是同时面向企业和个人开发者的、从智能硬件接入到应用管理的全生命周期的物联网云服务平台。平台能自动生成已封装设定协议的MCU 代码(只需进行数据节点和相关逻辑的编写)， 提供 APP 开发的 SDK 代码或 APP 成品Demo，提供直连机智云的相关通信模组固件，如此大大降低了物联网应用的技术门槛，并使开发效率得到极大提高[16]。

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　　2结束语

　　本文设计了一种基于LORA、NB-IOT 技术与机智云平台的工厂环境远程监控系统，给出了系统的整体结构，分别对感知层、传输层和应用层进行了设计， 包括各种传感器、STM32 控制板、LORA 通信、NB-IOT 通信、机智云物联网平台、智能终端APP 等。系统设计合理，功能稳定可靠，充分利用了当前新技术新理念，实用性和可推广性强，通过实际测试能够达到实用要求。

　　参考文献：

　　[1]佚名.天嘉宜"3.21"爆炸事故:安全和污染问题的双重考验[J]. 环球聚氨酯,2019(03):49-52.

　　[2]SinhaRS, WeiY, HwangSH. A survey on LPWA technology: Lo⁃ Ra and NB-IoT[J].lctExpress,2017,3 (1).

　　仲宇璐,李娜. 基于LORA 技术的农业大棚温室监测系统设计[J]. 淮北职业技术学院学报,2019,18(2):111-112.

　　蜂窝上的万物互联:NB-IoT[C].未来移动通讯论坛.2016.

　　蔡友宏. 基于NB-IoT 和OneNet 云平台的环境监测系统[J]. 电子技术与软件工程, 2018(24): 51-52.

　　作者：张玉丽