開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的1篇物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。

引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重，因而使用先進(jìn)技術(shù)提高環(huán)境監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，整治和保護(hù)環(huán)境勢(shì)在必行。目前，通訊技術(shù)正快速發(fā)展，如5G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、WiFi、GPRS、ZigBee、LoRa、NB-IoT等，在其中NB-IoT相比于其他專(zhuān)業(yè)性具有耗能低、成本費(fèi)用低、遮蓋廣和連接點(diǎn)半等特點(diǎn)。文中設(shè)立了一種基于NB-IoT的生活環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該網(wǎng)站以STM32F103RBT6單片機(jī)設(shè)計(jì)為微控制器，應(yīng)用多種多樣感應(yīng)器來(lái)精準(zhǔn)測(cè)量空氣溫度環(huán)境濕度、PM2.5和CO等主要參數(shù)，運(yùn)用BC26控制器將收集的數(shù)據(jù)保存到云管理平臺(tái)，用戶(hù)可根據(jù)網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面及時(shí)查看環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的治理方案。

1環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

本研究設(shè)計(jì)的一種環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)大氣污染監(jiān)測(cè)工作，其整體結(jié)構(gòu)包含包括應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層及感知層。圖1為結(jié)構(gòu)示意圖。應(yīng)用層做為自然環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的終端用戶(hù)，能夠提供更好的人機(jī)交互，并且通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器手機(jī)軟件解決、剖析、表明和儲(chǔ)存從感知層收集的數(shù)據(jù)信息[1]，從而使得用戶(hù)可對(duì)大氣污染有更加清楚、更加直觀(guān)地掌握。網(wǎng)絡(luò)層主要是對(duì)數(shù)據(jù)的傳送，包含短距離傳送和長(zhǎng)離傳輸兩大類(lèi)。短距離傳送通常采用ZigBee、WiFi、手機(jī)藍(lán)牙等新技術(shù)，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)里的短距離傳送最優(yōu)方案為ZigBeewifi網(wǎng)絡(luò)傳送；長(zhǎng)距傳送時(shí)，選用4G互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展，是因?yàn)?G互聯(lián)網(wǎng)具備大空間、高速傳輸?shù)奶卣鳌８兄獙雨P(guān)鍵應(yīng)用ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)搜集環(huán)境空氣數(shù)據(jù)信息等主要參數(shù)[2]。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)由監(jiān)管區(qū)域范圍一組功耗低、降低成本傳感器節(jié)點(diǎn)而構(gòu)成，其具有數(shù)據(jù)收集、文件存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)信息接收作用[8-9]，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)環(huán)境空氣數(shù)據(jù)收集整理以及有效的展示[3]。

2基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1整體設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和云端接點(diǎn)組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。傳感器節(jié)點(diǎn)主要選擇環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓等數(shù)據(jù)作為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的主要收集數(shù)據(jù)，并且通過(guò)LoRa模塊發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)LoRa無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的收集整理與分享；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選用LoRa與NB-IoT無(wú)線(xiàn)接收模塊聯(lián)合設(shè)計(jì)，根據(jù)LoRa模塊搜集互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)NB-IoT控制模塊將收集到的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至云端，云端接收到數(shù)據(jù)信息之后進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)信息超出閥值時(shí)，用郵件、短消息等方式提示報(bào)警。運(yùn)用兩種通訊方式形成混和組網(wǎng)方案，既發(fā)揮出LoRa成本低、功耗低、長(zhǎng)距離通訊的優(yōu)點(diǎn)，也能夠通過(guò)利用NB-IoT填補(bǔ)LoRa不能通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)向云端傳送數(shù)據(jù)的缺陷[4]。

2.2硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由控制器最小耗能電路系統(tǒng)，溫濕度采集電路、PM2.5、CO數(shù)據(jù)采集電路，聲光報(bào)警電路，電源電路和NB-IoT模塊組成，其硬件系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖3[5]。2.2.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)STM32最小耗能系統(tǒng)電路由微處理器、復(fù)位電路、晶振電路和電源電路組成，見(jiàn)圖4。微控制處理器選用STM32F103RBT6，該處理芯片具有豐富的外接設(shè)備網(wǎng)絡(luò)資源，包括通用USART、I2C、SPI、CAN和USB等接口，工作標(biāo)準(zhǔn)電壓為2.0～3.6V，工作溫度范圍-40～105℃，是一款性能卓越、功耗低的單片機(jī)。該硬件系統(tǒng)應(yīng)用采用USB供電，且供電電壓為5V，而單片機(jī)設(shè)計(jì)工作標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.3V，所以需要經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3降壓[6]。2.2.2溫濕度采集、PM2.5和CO采集模塊設(shè)計(jì)目前市面上濕度傳感器品種繁多，本研究設(shè)計(jì)的主要是選用DHT11型濕度傳感器。該濕度傳感器是一款功能損耗低、帶審校功能性的溫度濕度復(fù)合性感應(yīng)器，該感應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含一個(gè)電阻式感濕電子器件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，可確保測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該控制板應(yīng)用CAN總線(xiàn)通訊，因此，與單片機(jī)設(shè)計(jì)通信只需再加上4.7kΩ匹配電阻就可以，溫度濕度收集電源電路見(jiàn)圖5[7]。此外，現(xiàn)在市面上用于檢測(cè)空氣中PM2.5感應(yīng)器通常是紅外感應(yīng)型激光器型，該平臺(tái)選用一款光電子器件細(xì)顆粒物檢測(cè)傳感器GP2Y1014AU。該傳感器檢測(cè)的顆粒物最少直徑為0.8μm，導(dǎo)出模擬電壓和所測(cè)的物質(zhì)濃度值正相關(guān)，其電源電路見(jiàn)圖6。本系統(tǒng)選擇MQ-9傳感器來(lái)精確測(cè)量CO濃度值，這款感應(yīng)器對(duì)CO檢測(cè)靈敏度比較高，堅(jiān)固耐用，成本費(fèi)用低，電路原理較簡(jiǎn)易。

2.3無(wú)線(xiàn)通信模塊

LoRa通訊技術(shù)選用CSS無(wú)線(xiàn)通信調(diào)制技術(shù)，既能夠完成遠(yuǎn)程傳輸，還能降低接收器的復(fù)雜度，有效的對(duì)抗多普勒效應(yīng)和多徑衰落。與傳統(tǒng)式FSK技術(shù)相比，LoRa調(diào)制解調(diào)器在犧牲一定數(shù)據(jù)傳輸速率的情形下，顯著提升了接收器的靈敏度。本次所選用的SX1280控制模塊具有較高的同信道抑制能力，發(fā)射功耗為12dBm，LoRa調(diào)配模式中接收機(jī)靈敏度最多可達(dá)到-132dBm[8]。此外，SX1280還有著極低功耗，在休眠狀態(tài)模式下電流量耗費(fèi)僅8μA，接收模式中電流量耗費(fèi)僅20mA，推送模式中電流量耗費(fèi)僅46mA。NB-IoT是一種面向低傳輸速率的多源物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，該技術(shù)覆蓋面積廣、敏感性低，適用傳輸距離遠(yuǎn)且低功耗要求較高的情景，如無(wú)線(xiàn)智能抄表等服務(wù)。NB-IoT能根據(jù)現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可憑借運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)將傳輸數(shù)據(jù)傳輸至云端。與傳統(tǒng)式GPRS網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IoT鏈接有著更遠(yuǎn)的傳輸距離，更低的功耗。本次采用的WH-NB75-B5控制模塊推送電流量約336mA，接受電流量約40mA，PSM省電模式電流量約6mA。

2.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分設(shè)置了聲光報(bào)警器控制模塊，該組件由三極管、聲控開(kāi)關(guān)和發(fā)光二極管構(gòu)成，當(dāng)某個(gè)因素不符合城市空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)傳出聲光報(bào)警提示，工作人員應(yīng)采取相應(yīng)措施。聲光報(bào)警器電源電路見(jiàn)圖8。

2.5軟件設(shè)計(jì)

2.5.1傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)

傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)收集和實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)等功能。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接入到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，最開(kāi)始進(jìn)入睡眠模式，系統(tǒng)根據(jù)睡眠質(zhì)量記時(shí)器來(lái)設(shè)置初始計(jì)數(shù)值，當(dāng)記數(shù)器的計(jì)數(shù)值相當(dāng)于初始計(jì)數(shù)值時(shí)，造成中斷數(shù)據(jù)信號(hào)以喚起該節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)喚起后，開(kāi)展數(shù)據(jù)收集和傳輸。隨后，該節(jié)點(diǎn)再度進(jìn)入睡眠模式以達(dá)到節(jié)能降耗效果。路由節(jié)點(diǎn)除收集信息外還擔(dān)負(fù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)線(xiàn)路由橋接的功效，因此該平臺(tái)無(wú)法使用睡眠模式。連接路由器點(diǎn)加上至互聯(lián)網(wǎng)后，務(wù)必每日進(jìn)行兩項(xiàng)工作目標(biāo)：一是探尋子節(jié)點(diǎn)并將其導(dǎo)到網(wǎng)絡(luò)里，明確“父子關(guān)系”，之后將子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)；二是搜集本身源數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器。

2.5.2網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，主要包括ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口模塊，主控制器控制模塊和4G網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖9為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作流程。首先，通過(guò)主動(dòng)掃描確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，發(fā)送要求指令，并設(shè)定掃描限期。假如在這段時(shí)間未檢測(cè)到信號(hào)，則可將這一鏈接點(diǎn)作為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)器設(shè)置ZigBee網(wǎng)絡(luò)。其次，掃描儀從可用的安全通道中選擇最佳安全通道作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)通道。最后，協(xié)調(diào)器明確唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)并實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)復(fù)位。協(xié)調(diào)器承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間的監(jiān)控與維護(hù)工作，識(shí)別出服務(wù)器接收的數(shù)據(jù)信息后，對(duì)數(shù)據(jù)種類(lèi)進(jìn)行核對(duì)并把其分享至對(duì)應(yīng)的連接點(diǎn)，同時(shí)把每個(gè)連接點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)幀傳輸至IP地址，然后發(fā)給監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)服務(wù)器。監(jiān)控系統(tǒng)中心儲(chǔ)存處理后，顯示通過(guò)終端設(shè)備接收到的各種數(shù)據(jù)信息。

2.5.3云端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

云端連接點(diǎn)采用云平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、顯示與報(bào)警功能，便于查看現(xiàn)階段的信息數(shù)據(jù)及歷史時(shí)間數(shù)據(jù)。警報(bào)推送功能設(shè)置在警報(bào)標(biāo)識(shí)后，若數(shù)據(jù)信息超過(guò)規(guī)定閥值，就可利用電子郵件、短消息等形式推送報(bào)警信息。

2.5.4監(jiān)控中心組網(wǎng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件根據(jù)VC編程實(shí)現(xiàn)，包含登陸界面、數(shù)據(jù)信息監(jiān)控和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。其能通過(guò)4G通訊模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和手機(jī)客戶(hù)端的數(shù)據(jù)傳輸和資料顯示，并把獲得的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在后臺(tái)的Excel表格中，這樣可以方便員工對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行處理分析。監(jiān)控APP基于TCP協(xié)議搭建，在通信過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器必須指定IP地址和服務(wù)器端口才可以與手機(jī)客戶(hù)端建立通訊，手機(jī)客戶(hù)端只需瀏覽訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)并獲得云服務(wù)器IP地址及其服務(wù)器端口參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測(cè)中心通信。

3系統(tǒng)測(cè)試

3.1組網(wǎng)測(cè)試

組網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)是測(cè)試系統(tǒng)各部件功能的實(shí)現(xiàn)狀況。測(cè)試中，應(yīng)用2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、2個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)、1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的功能測(cè)試。檢測(cè)時(shí)間為2021年5月7日星期四00：00-24：00，天氣為晴轉(zhuǎn)陰。云端平臺(tái)獲得了2個(gè)傳感器器節(jié)點(diǎn)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓強(qiáng)的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。如圖11所示，2個(gè)連接點(diǎn)所測(cè)定的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同，但是由于兩連接點(diǎn)處于不同的檢測(cè)部位，環(huán)境溫度、相對(duì)濕度及陽(yáng)光照度有微小差別。大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)信息沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，且因?yàn)閮蛇B接點(diǎn)數(shù)據(jù)信息一致，圖上僅展示出一條曲線(xiàn)圖。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)解決方案，可以通過(guò)智能移動(dòng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)查詢(xún)，以Andorid設(shè)備為例，用戶(hù)可以通過(guò)APP查詢(xún)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。由于檢測(cè)系統(tǒng)在規(guī)劃之前就已經(jīng)充分考慮可擴(kuò)展性，中后期可在系統(tǒng)軟件中加入多個(gè)終端設(shè)備數(shù)據(jù)收集連接點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)，可得到被測(cè)量點(diǎn)的PM2.5濃度值、溫度、環(huán)境濕度狀況趨勢(shì)圖（周期時(shí)間為30天），其數(shù)據(jù)測(cè)試見(jiàn)圖12。

3.2通信距離測(cè)試

通信距離測(cè)試是檢測(cè)連接點(diǎn)在復(fù)雜條件下的合理通信距離，該性能是評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)覆蓋能力的指標(biāo)。檢測(cè)地址設(shè)置在道路的輔路上，兩邊設(shè)置密集的綠植，從而模擬野外情況。檢測(cè)傳輸速度為1Kb/s，發(fā)送功能損耗為12dBm，無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)類(lèi)型是2.4GHz無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)。每一組數(shù)據(jù)檢測(cè)3次，每一次推送100個(gè)18B數(shù)據(jù)包文件，網(wǎng)絡(luò)丟包率取3次均值進(jìn)行測(cè)算，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。LoRa連接點(diǎn)在1Kb/s傳輸速度下以低于3%的丟包率完成800m通訊距離的復(fù)雜自然環(huán)境通信測(cè)試。

3.3功耗測(cè)試

根據(jù)LoRaMACClassC協(xié)議設(shè)計(jì)系統(tǒng)協(xié)議，該協(xié)議中LoRa控制模塊在工作模式中未傳輸數(shù)據(jù)時(shí)均處在接收狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)操作中，應(yīng)用3.3V電源供電，對(duì)各個(gè)模式中開(kāi)關(guān)電源端電流量消耗模式進(jìn)行測(cè)試。測(cè)出系統(tǒng)功耗在低功耗模式下，電流量耗費(fèi)為0.842mA，接收模式中電流量消耗為47.4mA，推送模式中電流量耗費(fèi)為47mA。

4結(jié)論

本研究應(yīng)用LoRa與NB-IoT兩種低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)檢測(cè)區(qū)域環(huán)境監(jiān)控信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再依托LoRa與NB-IoT混和網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，并能對(duì)超出閥值的數(shù)據(jù)信息報(bào)警。為驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)所測(cè)量點(diǎn)30天內(nèi)的PM2.5濃度值、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度數(shù)據(jù)信息繪制曲線(xiàn)圖，并與標(biāo)準(zhǔn)的PM2.5細(xì)顆粒物濃度值、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度檢測(cè)儀數(shù)據(jù)信息對(duì)比，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)方案相比部署更方便，成本更低廉，采用無(wú)線(xiàn)通信方式監(jiān)測(cè)范圍更大，可視化界面更直觀(guān)，因此值得推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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作者:鄒文虎 單位:江西省景德鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心