物聯網環境監測研究

開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，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篇物聯網環境監測研究，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。

引言

隨著我國社會經濟的快速發展，生態環境問題愈來愈嚴重，因而使用先進技術提高環境監測準確性，整治和保護環境勢在必行。目前，通訊技術正快速發展，如5G互聯網技術、WiFi、GPRS、ZigBee、LoRa、NB-IoT等，在其中NB-IoT相比于其他專業性具有耗能低、成本費用低、遮蓋廣和連接點半等特點。文中設立了一種基于NB-IoT的生活環境監測系統，該網站以STM32F103RBT6單片機設計為微控制器，應用多種多樣感應器來精準測量空氣溫度環境濕度、PM2.5和CO等主要參數，運用BC26控制器將收集的數據保存到云管理平臺，用戶可根據網頁頁面及時查看環境監測數據，并設計出對應的治理方案。

1環境物聯網的關鍵技術

本研究設計的一種環境物聯網監測系統主要針對大氣污染監測工作，其整體結構包含包括應用層，網絡層及感知層。圖1為結構示意圖。應用層做為自然環境物聯網的終端用戶，能夠提供更好的人機交互，并且通過監控系統的服務器手機軟件解決、剖析、表明和儲存從感知層收集的數據信息[1]，從而使得用戶可對大氣污染有更加清楚、更加直觀地掌握。網絡層主要是對數據的傳送，包含短距離傳送和長離傳輸兩大類。短距離傳送通常采用ZigBee、WiFi、手機藍牙等新技術，大氣環境監測里的短距離傳送最優方案為ZigBeewifi網絡傳送；長距傳送時，選用4G互聯網開展，是因為4G互聯網具備大空間、高速傳輸的特征。感知層關鍵應用ZigBee傳感器網絡互聯網來搜集環境空氣數據信息等主要參數[2]。ZigBee傳感器網絡互聯網由監管區域范圍一組功耗低、降低成本傳感器節點而構成，其具有數據收集、文件存儲、數據處理方法、數據信息接收作用[8-9]，并實現監控區域內環境空氣數據收集整理以及有效的展示[3]。

2基于物聯網的環境監測系統設計

2.1整體設計方案

基于物聯網的環境監控系統由傳感器節點、匯聚節點、網關節點和云端接點組成，拓撲結構見圖2。傳感器節點主要選擇環境溫度、濕度、光照強度、大氣壓等數據作為環境監控系統的主要收集數據，并且通過LoRa模塊發送至匯聚節點；匯聚節點根據LoRa無線通信網絡開展互聯網內數據的收集整理與分享；網關節點選用LoRa與NB-IoT無線接收模塊聯合設計，根據LoRa模塊搜集互聯網內數據信息，根據NB-IoT控制模塊將收集到的物聯網技術環境數據發送至云端，云端接收到數據信息之后進行數據儲存和顯示，當數據信息超出閥值時，用郵件、短消息等方式提示報警。運用兩種通訊方式形成混和組網方案，既發揮出LoRa成本低、功耗低、長距離通訊的優點，也能夠通過利用NB-IoT填補LoRa不能通過運營商網絡向云端傳送數據的缺陷[4]。

2.2硬件設計

硬件系統主要由控制器最小耗能電路系統，溫濕度采集電路、PM2.5、CO數據采集電路，聲光報警電路，電源電路和NB-IoT模塊組成，其硬件系統架構見圖3[5]。2.2.1最小系統設計STM32最小耗能系統電路由微處理器、復位電路、晶振電路和電源電路組成，見圖4。微控制處理器選用STM32F103RBT6，該處理芯片具有豐富的外接設備網絡資源，包括通用USART、I2C、SPI、CAN和USB等接口，工作標準電壓為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。該硬件系統應用采用USB供電，且供電電壓為5V，而單片機設計工作標準電壓為3.3V，所以需要經過AMS1117-3.3降壓[6]。2.2.2溫濕度采集、PM2.5和CO采集模塊設計目前市面上濕度傳感器品種繁多，本研究設計的主要是選用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合性感應器，該感應器內部結構包含一個電阻式感濕電子器件和一個NTC測溫元件，可確保測量數據的穩定和長期穩定性。該控制板應用CAN總線通訊，因此，與單片機設計通信只需再加上4.7kΩ匹配電阻就可以，溫度濕度收集電源電路見圖5[7]。此外，現在市面上用于檢測空氣中PM2.5感應器通常是紅外感應型激光器型，該平臺選用一款光電子器件細顆粒物檢測傳感器GP2Y1014AU。該傳感器檢測的顆粒物最少直徑為0.8μm，導出模擬電壓和所測的物質濃度值正相關，其電源電路見圖6。本系統選擇MQ-9傳感器來精確測量CO濃度值，這款感應器對CO檢測靈敏度比較高，堅固耐用，成本費用低，電路原理較簡易。

2.3無線通信模塊

LoRa通訊技術選用CSS無線通信調制技術，既能夠完成遠程傳輸，還能降低接收器的復雜度，有效的對抗多普勒效應和多徑衰落。與傳統式FSK技術相比，LoRa調制解調器在犧牲一定數據傳輸速率的情形下，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，發射功耗為12dBm，LoRa調配模式中接收機靈敏度最多可達到-132dBm[8]。此外，SX1280還有著極低功耗，在休眠狀態模式下電流量耗費僅8μA，接收模式中電流量耗費僅20mA，推送模式中電流量耗費僅46mA。NB-IoT是一種面向低傳輸速率的多源物聯網通訊技術，該技術覆蓋面積廣、敏感性低，適用傳輸距離遠且低功耗要求較高的情景，如無線智能抄表等服務。NB-IoT能根據現有蜂窩網絡來進行設計，可憑借運營商網絡將傳輸數據傳輸至云端。與傳統式GPRS網絡相比，NB-IoT鏈接有著更遠的傳輸距離，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報警電路設計

本系統硬件部分設置了聲光報警器控制模塊，該組件由三極管、聲控開關和發光二極管構成，當某個因素不符合城市空氣質量標準時，系統會傳出聲光報警提示，工作人員應采取相應措施。聲光報警器電源電路見圖8。

2.5軟件設計

2.5.1傳感器節點的軟件開發

傳感器節點具有數據收集和實時傳輸數據等功能。當終端節點接入到網絡時，最開始進入睡眠模式，系統根據睡眠質量記時器來設置初始計數值，當記數器的計數值相當于初始計數值時，造成中斷數據信號以喚起該節點。節點喚起后，開展數據收集和傳輸。隨后，該節點再度進入睡眠模式以達到節能降耗效果。路由節點除收集信息外還擔負互聯網技術無線路由橋接的功效，因此該平臺無法使用睡眠模式。連接路由器點加上至互聯網后，務必每日進行兩項工作目標：一是探尋子節點并將其導到網絡里，明確“父子關系”，之后將子節點數據轉發到互聯網；二是搜集本身源數據，并把數據轉發到上級領導路由節點或協調器。

2.5.2網關節點的軟件開發

網關節點是傳感器網絡的核心，主要包括ZigBee無線網絡接口模塊，主控制器控制模塊和4G網絡接口。網關節點上電后，協調器產生ZigBee網絡，實時進行數據處理，圖9為網關節點的工作流程。首先，通過主動掃描確定網絡協調器，發送要求指令，并設定掃描限期。假如在這段時間未檢測到信號，則可將這一鏈接點作為互聯網協調器設置ZigBee網絡。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網絡通道。最后，協調器明確唯一的網絡標識并實現ZigBee網絡復位。協調器承擔網絡運行期間的監控與維護工作，識別出服務器接收的數據信息后，對數據種類進行核對并把其分享至對應的連接點，同時把每個連接點上傳的數據幀傳輸至IP地址，然后發給監控系統的主機服務器。監控系統中心儲存處理后，顯示通過終端設備接收到的各種數據信息。

2.5.3云端節點設計

云端連接點采用云平臺設計方案，可實現數據儲存、顯示與報警功能，便于查看現階段的信息數據及歷史時間數據。警報推送功能設置在警報標識后，若數據信息超過規定閥值，就可利用電子郵件、短消息等形式推送報警信息。

2.5.4監控中心組網設計

監控軟件根據VC編程實現，包含登陸界面、數據信息監控和數據儲存。其能通過4G通訊模塊實現網絡服務器和手機客戶端的數據傳輸和資料顯示，并把獲得的數據儲存在后臺的Excel表格中，這樣可以方便員工對數據記錄進行處理分析。監控APP基于TCP協議搭建，在通信過程中，網絡服務器必須指定IP地址和服務器端口才可以與手機客戶端建立通訊，手機客戶端只需瀏覽訪問互聯網并獲得云服務器IP地址及其服務器端口參數，就可以實現相關系統的數據傳輸，監測中心通信。

3系統測試

3.1組網測試

組網系統檢測是測試系統各部件功能的實現狀況。測試中，應用2個傳感器節點、2個匯聚節點、1個網關節點進行系統的功能測試。檢測時間為2021年5月7日星期四00：00-24：00，天氣為晴轉陰。云端平臺獲得了2個傳感器器節點環境溫度、環境濕度、光照強度、大氣壓強的相關測試數據。如圖11所示，2個連接點所測定的環境監控系統數據趨勢相同，但是由于兩連接點處于不同的檢測部位，環境溫度、相對濕度及陽光照度有微小差別。大氣壓強數據信息沒有出現明顯變化，且因為兩連接點數據信息一致，圖上僅展示出一條曲線圖。根據物聯網云平臺解決方案，可以通過智能移動設備、計算機系統開展實時動態查詢，以Andorid設備為例，用戶可以通過APP查詢實時動態。由于檢測系統在規劃之前就已經充分考慮可擴展性，中后期可在系統軟件中加入多個終端設備數據收集連接點。通過試驗，可得到被測量點的PM2.5濃度值、溫度、環境濕度狀況趨勢圖（周期時間為30天），其數據測試見圖12。

3.2通信距離測試

通信距離測試是檢測連接點在復雜條件下的合理通信距離，該性能是評價整個系統信號覆蓋能力的指標。檢測地址設置在道路的輔路上，兩邊設置密集的綠植，從而模擬野外情況。檢測傳輸速度為1Kb/s，發送功能損耗為12dBm，無線天線類型是2.4GHz無線天線。每一組數據檢測3次，每一次推送100個18B數據包文件，網絡丟包率取3次均值進行測算，測試數據見表1。LoRa連接點在1Kb/s傳輸速度下以低于3%的丟包率完成800m通訊距離的復雜自然環境通信測試。

3.3功耗測試

根據LoRaMACClassC協議設計系統協議，該協議中LoRa控制模塊在工作模式中未傳輸數據時均處在接收狀態。實驗操作中，應用3.3V電源供電，對各個模式中開關電源端電流量消耗模式進行測試。測出系統功耗在低功耗模式下，電流量耗費為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為47mA。

4結論

本研究應用LoRa與NB-IoT兩種低功耗物聯網通信技術設計了一套基于物聯網的環保監測系統。該系統可以對檢測區域環境監控信息進行數據采集，再依托LoRa與NB-IoT混和網絡將數據發送到云端，并能對超出閥值的數據信息報警。為驗證結果，對所測量點30天內的PM2.5濃度值、環境溫度、環境濕度數據信息繪制曲線圖，并與標準的PM2.5細顆粒物濃度值、環境溫度、環境濕度檢測儀數據信息對比，結果顯示，該系統與傳統方案相比部署更方便，成本更低廉，采用無線通信方式監測范圍更大，可視化界面更直觀，因此值得推廣與應用。

參考文獻

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作者:鄒文虎 單位:江西省景德鎮生態環境監測中心