一種基于NB-IOT無線通信處理技術的氣象信息采集通信系統(tǒng)設計摘要隨著社會工業(yè)自動化的持續(xù)發(fā)展以及人們對生活環(huán)境水平要求的不斷提高,相關領域對氣象環(huán)境信息的需求日益提高,氣象參數(shù)的測量在工業(yè)生產和科學研究中有著廣泛的應用,而且在氣象領域氣象參數(shù)的測定有著舉足輕重的意義.氣象采集設備在光伏發(fā)電,交通運輸行業(yè),輸電線路在線監(jiān)測,旅游景區(qū)環(huán)境監(jiān)測,農業(yè)種植氣象監(jiān)測,智能學校防災減災有著廣泛的應用.設計方案所要進行設計的系統(tǒng)是一種基于NB-IOT等無線通信處理技術的新型當前氣象信息采集通信系統(tǒng)，該氣象采集系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為主控芯片,采用BC26模塊為通訊渠道、使用空氣溫濕度傳感器、PM2.5傳感器和壓力傳感器分別用于監(jiān)測當前環(huán)境的氣壓、溫度和濕度以及空氣中細顆粒物的濃度。數(shù)據在STM32主控芯片中進行解析并顯示在OLED中，傳感器的數(shù)據可以在平臺中實時顯示，完成對當前環(huán)境氣象要素的監(jiān)測。本系統(tǒng)由傳感器采集結點,物聯(lián)網NB-IOT通信模塊,電源模塊,展示單元以及stm32f103c8t6微處理器芯片等幾個部分構成,采用超低功耗設計,便于移動式測量以及便攜式應用目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 1目錄 31前言 11.1研究背景 11.2研究意義 11.3研究內容 22系統(tǒng)總體設計方案 32.1設計任務要求 32.2系統(tǒng)總體設計框架 32.2.1系統(tǒng)總體性能分析 32.3系統(tǒng)總體設計方案 42.3.1溫濕度傳感器模塊 42.3.2PM2.5空氣質量監(jiān)測模塊 52.3.3氣壓模塊 52.3.4NB-IOT&BC26無線通信模塊 52.3.5主控芯片 62.3.5ONENET物聯(lián)網云平臺 73系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn) 83.1主控模塊基本電路 83.2NB-IOT模塊電路 103.3本地顯示模塊電路 123.4溫濕度測量電路 123.5PM2.5傳感器模塊PS5003 133.5.1工作原理 3.5.2輸出結果 3.6MS5611氣壓模塊 153.7NBIOT天線接口 153.8電源模塊 164軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 174.1軟件主流程 124.2硬件初始化：GPIO初始化 184.3注冊聯(lián)網 194.4AT指令集 204.5云平臺部署 205系統(tǒng)調試與試驗結果 215.1硬件調試 215.2軟件調試 225.3測試結果 23結論與展望 27參考文獻 28致謝 29附錄 301前言研究背景氣象服務是一項與國家安防以及交通建設、工業(yè)科技發(fā)展建設、社會發(fā)展和人民生活密切相關的基礎性產業(yè)。因此，無線通信技術的有效利用對氣象產業(yè)的發(fā)展、氣象信息技術預報和氣象服務質量的提高，對國民經濟和氣象事業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。目前氣象數(shù)據的采集主要來源于地市氣象局建設的氣象觀測站進行氣象數(shù)據的綜合采集并進行權威發(fā)布,大部分采用蓄電池加太陽能供電等形式和采用GPRS/3G/4G等通行方式,造成其體積大，結構繁雜，不易安裝，故障率高,以及GPRS/3G/4G功耗高,系統(tǒng)需要配備大容量電池和大功率太陽能電池板，防止出現(xiàn)因連續(xù)陰雨惡劣天氣時供電系統(tǒng)供電不足導致設備的無法正常運行.而且現(xiàn)有的氣象采集設備不利于便攜式進行移動測量.由于地市氣象觀測站點大多安裝于偏遠地區(qū),站點建設需耗費大量物力人力成本高昂,導致氣象觀測站的數(shù)量與地區(qū)面積存在較大的差異,即有氣象觀測站點發(fā)布的氣象數(shù)據為該站點通過區(qū)域平均式進行區(qū)域性的概率性通報,不能精確的反應細化的局部氣象數(shù)據 1.2研究意義 我國目前使用現(xiàn)有的生產自動化工業(yè)氣象物理觀測站主要功能是通過有線的通訊方式將各種工業(yè)氣象觀測傳感器的觀測數(shù)據發(fā)送至采集器,隨著觀測的氣象要素增加,有線采集系統(tǒng)日漸復雜，NB-IOT技術隨著目前我國推進工業(yè)生產自動化對于工業(yè)無線通訊和工業(yè)數(shù)據信息傳送的巨大需求而不斷發(fā)展逐步產生的,它也主要是基于IOT這一技術領域的新興應用技術,支持了低頻高功耗的觀測設備在工業(yè)廣域網上能夠進行蜂巢式的無線數(shù)據傳輸鏈路相互連接,可構成LPWAN.NB-IOT具有廣域覆蓋的特點,NB-IOT的增益為20dB,最大可達到23dB,相同頻段下較傳統(tǒng)網絡覆蓋擴大了100倍,它具有通信傳輸距離遠、功耗低、可直接接入運營服務商網絡等優(yōu)點,由MME,ServingGateWay,PDNGateWay,SCEF四部分網元構成,NB-IOT核心網不同的網元分別處理不同的數(shù)據.OneNET平臺是PASS物聯(lián)網的開放平臺，可以實現(xiàn)NB終端與該平臺的通信.在物聯(lián)網應用與硬件終端設備間搭建高效的應用平臺，方便各類硬件終端設備快速接入互聯(lián)網，為各種跨平臺物聯(lián)網應用和行業(yè)解決方案提供便捷的連接、云存儲、設備管理、開發(fā)部署等優(yōu)質服務，并且支持多種行業(yè)主流標準協(xié)議的設備以及用戶自定義協(xié)議都可簡易接入，可以實現(xiàn)室內蜂窩數(shù)據連接的非常全面的覆蓋.本方案的系統(tǒng)設計主要特點是充分利用NB-IOTbc26與ONENET,選用合適的室外氣象觀測傳感器與主控芯片件stm32mcu,設計開發(fā)出一套室外環(huán)境監(jiān)測氣象實時監(jiān)控觀測系統(tǒng),可以直接采用usb及其他蓄電池組件進行實時供電,可廣泛地可以應用于室內外各種氣象環(huán)境,如室內公共交通,景區(qū),農業(yè)等各種環(huán)境,也就是它既能又可以被用戶當作便攜式的或可移動環(huán)境氣象觀測監(jiān)控站使用來實時進行監(jiān)控使用。21世紀的現(xiàn)在，人們對短距離通信的需求日益提高，通信技術已經與人類社會的生活以及發(fā)展屢屢相關，無論是無線個域網還是藍牙技術甚至是WIFI，本系統(tǒng)是基于IOT技術的一個簡單的氣象采集系統(tǒng)，可采集環(huán)境溫濕度，氣壓以及PM2.5值，它的意義在于可將環(huán)境氣象采集的成本大大縮小，并減小傳統(tǒng)氣象數(shù)據采集技術的工作量，從而達到提高生產效率的目的。 1.3研究內容該系統(tǒng)可分為數(shù)據采集節(jié)點；主控制器節(jié)點以及無線通信節(jié)點三部分構成，數(shù)據采集節(jié)點主要采用立式溫濕度傳感器DH11采集環(huán)境溫濕度；壓力傳感器MS5611-01BA01采集環(huán)境壓力；PM2.5傳感器PMS5003采集環(huán)境空氣PM2.5大小，主控節(jié)點采用STM32單片機作為硬件電路控制中心，傳感器其采集數(shù)據通過I2C通信接口將環(huán)境參數(shù)傳輸至STM32單片機中解析。無線通信模塊采用NB-IOT&BC26作為通信節(jié)點，系統(tǒng)以STM32作為的MCU通過Nb-IOT通信模塊的網絡平臺，將處理后的環(huán)境參數(shù)直接上傳到一個服務器上。環(huán)境參數(shù)可通過PC瀏覽器、使用app的移動操作終端或移動操作儀器系統(tǒng)在觸摸屏上顯示等模塊直接查看系統(tǒng)總體設計方案2.1設計任務要求考慮到我國的具體疆域環(huán)境，NB-IOT網絡的功能之一是可以實現(xiàn)遠程數(shù)據采集，NB-IOT節(jié)點可將采集到的數(shù)據通過蜂窩網絡發(fā)送到遠程服務器，為數(shù)據分析和處理提供支持；NB-IOT遠程數(shù)據采集有很多應用，如遠程抄表，揚塵監(jiān)測，空氣質量采集；在實際中，有些路段比較偏遠，交通管理部門不能及時了解路段維護情況和氣象數(shù)據，為方便路網氣象信息及時獲取，需要在偏遠路段添加氣象檢測傳感器。通常，氣象環(huán)境變化都伴隨著大氣壓強的變化，因此對偏遠地區(qū)的氣象監(jiān)測可以有效預知惡劣天氣的發(fā)生，并隨時向過往車輛發(fā)布氣象信息，并為相關路段的維護提供幫助利用集成STM32F103C8T6低功耗單片機與BC26小封裝NB模板，采用電池供電/USB兩種供電方式，搭載DC/DC降壓電路模塊，RS232串口，基本實現(xiàn)氣象采集的功能，具體包括：掌握STM32F130C8T6以及BC26芯片的性能以及開發(fā)掌握DC-DC等模塊原理以及器件選型掌握RS232串口并通過其對BC26的性能進行開發(fā)通過DHT11溫濕度傳感器以及氣壓模塊MPL315A2對當前環(huán)境溫濕度，氣壓進行采集利用主控芯片對氣象采集數(shù)據進行整理，并通過無線通信NB-IOT模塊對接ONENET平臺代碼，將傳感器溫濕度，氣壓數(shù)據傳輸?shù)狡脚_端進行顯示2.2系統(tǒng)總體設計框架2.2.1系統(tǒng)總體性能分析本文設計的系統(tǒng)通過采用單片機做控制處理器技術以及與NB-IOT無線通信技術相結合，其中作為控制器的單片機采用STM32F103C8T6單片機，組成一個有著較強無線通信能力、采集信息性能有很大提升以及功耗大大降低的便攜式無線通信氣象采集系統(tǒng)。整個監(jiān)控系統(tǒng)大致來說可以詳細劃分四類為由空氣溫濕度變化傳感器,氣壓變化傳感器,PM2.5傳感器組合而成的一個自動數(shù)據采集處理模塊，BC26構成的無線通信模塊，STM32F103c8t6構成的主控MCU模塊，LED液晶顯示屏構成的顯示電路,系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示：2-1系統(tǒng)總體框圖2.3系統(tǒng)總體設計方案2.3.1溫濕度傳感器模塊本系統(tǒng)通過使用溫濕度傳感器的方式來對環(huán)境的范圍式溫度進行數(shù)據采集,通過對不同的溫濕度傳感器進行查看以及驗證,dht11溫濕度模塊是十分滿足本設計系統(tǒng)的適應要求。dht11溫濕度變化測量數(shù)字傳感器是一款已在高精度的實驗產所進行校準完成測量傳感器。該系列產品系統(tǒng)能夠同時具備極高的系統(tǒng)工作溫度可靠性和優(yōu)良的長期運行穩(wěn)定性，可適用于野外或室內復雜環(huán)境，它在專門的自動數(shù)字控制模塊傳感采集控制技術和自動溫濕度控制傳感采集技術有著廣泛地應用。濕度精度可達95%，溫度偏差+-2℃，濕度量程20-90%RH，溫度量程可0℃至50℃。2.3.2PM2.5空氣質量監(jiān)測模塊PMS5003采用激光散射原理，對空氣中一定直徑大小的顆粒物的濃度實現(xiàn)精準監(jiān)測，是一款可對單位體積內空氣中顆粒物濃度分布進行連續(xù)采集并計算的高效的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，對空氣中顆粒物濃度分布，用微處理器利用米氏算法換算成為質量濃度，并以通用數(shù)字接口形式輸出數(shù)字信號。本傳感器可拓展性強，可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關的儀器儀表或環(huán)境改善設備對模塊進行功能性拓展。2.3.3氣壓模塊ms5611-01ba03金屬封裝零三氣壓精度測量傳感設備專用組件-ms5611-01ba零三氣壓測量傳感器組件是由德國meas(瑞士)公司2002年自主研發(fā)提供的一款具備SPI和I2C兩種總線交換接口的高分辨率封裝氣壓測量傳感器,其氣壓分辨率可精確至10厘米。于移動高度計/氣壓計系統(tǒng)；戶外手表；數(shù)據記錄器，GPS導航輔助等上有著典型的應用。MS5611-01BA是包括一個高線度壓阻傳感器和傳感器接口組成的集成電路，內置24位AD轉換器，內部的128-bit存儲器（PROM）中存儲為過程變化和溫度變化計算的6系數(shù)必要補償值，其存儲值（劃分成6個系數(shù)）用軟件來讀取并通過程序將其系數(shù)值轉換成標準氣壓。MS5611-01BA是由高線性度壓力傳感器和傳感器接口構成的集成電路模塊，內置的24位AD轉換器可將采集的模擬氣壓值轉換為24位精度的數(shù)字值進而輸出。MS5611-01BA具有SPI和I2C兩種類型的串行接口。接口方式選擇為對PS引腳的輸出電壓進行調整可以選擇是否采用I2C或者SPI通訊接口2.3.4NB-IOT&BC26無線通信模塊BC26是一款適用于全球頻段的高性能、低功耗的基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺研發(fā)的多頻段無線通信控制模塊。它只有17,7mm×15,8mm×2,0mm，極大限度地滿足了客戶對可穿戴或智能手機和緊湊型設備對小模塊的需求，可有效地幫助我們的客戶減少產品的尺寸,降低了產品的成本。BC26在包裝設計方面采用LCC封裝與M26系列GSM/GPRS模塊和BC28/BC25/bc260y-cn系列nb-物聯(lián)網模塊兼容，便于用戶靈活的于2G網絡與IOT網絡之間的切換BC26模塊由Quectelshanghai等公司推出，具有內置的TCP/IP協(xié)議。這個模塊的主要優(yōu)點是Netcom的完整功能。無論是中國移動卡、中國聯(lián)通還是中國電信NB，所有用在物聯(lián)網上的云計算服務平臺,例如阿里云物聯(lián)網,都已經為中國廣大客戶在物聯(lián)網絡上的商業(yè)應用和技術開發(fā)工作提供了很多便利。bc26具有一個非常易于進行市場推廣銷售的典型CCLMT封裝,允許我們能夠使用一個標準化的SMT封裝設備迅速批量生產該封裝模塊，為客戶提供可靠的連接，并滿足復雜環(huán)境中應用程序的需求。BC26模塊具備三種工作模式，其中,Active模式功耗最高，模塊保持工作狀態(tài)，模塊所有功能均可正?？捎?，可進行數(shù)據的發(fā)送和接收；此時模塊在Active模式下可切換到Idle模式或PSM模式。Idle模式，模塊處于淺睡眠狀態(tài)，此時功耗較低，模塊的網絡連接，可以接收外界尋呼消息。模塊在此模式下可切換至Active或PSM模式。PSM模式下此時模塊的功耗極低，當定時器T3412（與周期性更新相關）超時后，模塊將從此狀態(tài)下被喚醒；也可通過PWRKEY和PSM_EINT*從PSM喚醒模塊，模塊PSM工作狀態(tài)下只有RTC工作，聯(lián)網活動處于非連接狀態(tài)，不可接收尋呼消息，可以極大的延長系統(tǒng)電池的供電時間。2.3.5主控芯片STM32單片機：STM32F103C8T6是整個系統(tǒng)的主要控制器件和核心，用戶可任意編程。Coretx-M3內核單片機，主頻可達72Mhz，STM32F103C8T6是一款集成電路IC，32位的位寬，64KB的程序存儲器容量，芯片供電電壓為2V~3.6V，在-40°C~85°C均可正常工作。具有充足的接口資源，具有I2C，ACD,Uart,定時器看門狗等非常適合物聯(lián)網系統(tǒng)2-SEQ圖2-\*ARABIC2STM32引腳圖2.3.6ONENET物聯(lián)網云平臺ONENET服務是一個架構定位于PASS的虛擬服務，即在真實物聯(lián)網虛擬應用與真實虛擬裝置之間將其架構結合起來,并且用于搭建一個高效、穩(wěn)定、安全的虛擬應用服務平臺。ONENET可為所有無線設備都可以提供安全穩(wěn)定的無線數(shù)據接入網絡服務,可以同時直接支持UDP,MQTT,MODBUS,TCP,HTTP等多種協(xié)議。在目前物聯(lián)網的工程應用系統(tǒng)層面已經完全提供了豐富的API和大量復雜數(shù)據流的分發(fā)處理功能,以充分能夠適應各類不同行業(yè)和大型工程系統(tǒng)應用管理系統(tǒng)的技術開發(fā)者在發(fā)展中的要求,物聯(lián)網的工程應用系統(tǒng)開發(fā)人員不僅可以把開發(fā)技術更加多的專注于自己,而且并不是一個非常需要注重開發(fā)環(huán)境的項目構建和開發(fā)設備層的條目管理層,從而大大縮短了整個IOT應用系統(tǒng)開發(fā)項目團隊組建的工作時間和開發(fā)周期,降低了傳統(tǒng)企業(yè)的研發(fā),降低了項目運營和設備維修的時間成本ONENET物聯(lián)專網在環(huán)境監(jiān)控，智慧樓宇，智慧都市，智慧環(huán)境，消費電子，公共事業(yè)，智慧消防，財產追蹤等多種領域有著廣泛的應用。3系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)方案健全的硬件系統(tǒng)是整個系統(tǒng)必不可少的骨架，通過硬件與硬件之間的連接與配合為軟件的運行提供一個框架。本系統(tǒng)硬件設計主體框架主要包括控芯片模塊，傳感器數(shù)據采集模塊以及NB-IOT通信模塊和顯示模塊，各傳感器模塊電路采集并輸出模擬信號，通過主控芯片的ADC接口進行轉換，然后輸出數(shù)字信號，通過UART接口發(fā)送給BC26模塊。數(shù)據封裝后通過天線發(fā)送到窄帶物聯(lián)網網絡，通過LED屏幕顯示給用戶.什么時候完成什么事，這些工作都是由硬件去完成。整個系統(tǒng)的硬件結構框圖如3-1所示：3-1系統(tǒng)硬件結構框圖3.1主控模塊基本電路系統(tǒng)采用基于ARMCortex-M內核STM32系列的32位的微控制器STM32F103C8T6作為主控模塊的處理器,該芯片的工作頻率為72MHZ。芯片內部有64kb的FLASH,包含ADC、定時器、看門狗定時器等,同時提供了3個USART接口以及2個SPI,多個GPIO口。主控芯片是整個網絡的協(xié)調器,作為采集數(shù)據處理中心電源模塊供電用Vcc=3.3V供電，可以通過AMS-1117來轉換3-2AMS117穩(wěn)壓芯片電路圖二.CPU模塊3-3STM32主控芯片電路圖調試接口：在系統(tǒng)的開發(fā)進程中需對程序性開發(fā)和仿真調試，其中對程序開發(fā)的過程中，需要下載bin/hex文件，可采用SWD或者JTAG的方式，在高速模式下SWD下載模式比JTAG下載模式更穩(wěn)定，而且在下載數(shù)據量過大時JTAG會出現(xiàn)下載程序失敗的情況，與JTAG模式相比SWD模式只需4引腳調試接口大大減少，結構較為簡單，實際開發(fā)中一般都采用SWD方式。其中的時鐘線CLK是用于Jink和芯片的時鐘同步，通常情況時鐘頻率選擇為4MHz，但可根據實際情況調整時鐘頻率。3-4主控芯片調試接口電路圖四．復位模塊系統(tǒng)復位分為軟件復位，看門狗計數(shù)終止復位以及硬件按鍵復位三種。硬件按鍵復位將STM32芯片NRST引腳置為低電平時復位。因為電容的電壓不會突變，所以可采用電容濾波，即有電路中電容C1的作用是消除按鍵剛剛接觸/松開時的電平抖動引發(fā)誤動作（防止主控芯片因I/O口電平抖動而執(zhí)行多次復位)。3-5STM32復位模塊電路圖3.2NB-IOT模塊電路目前，NB-IoT芯片廠商主要有高通（Qualcomm）、銳迪科（RDA）、英特爾（Intel）、華為海思和三星聯(lián)發(fā)科等。此系統(tǒng)測試選擇了中國上海電信移遠電子公司產的bc26模組。該電信模組在其實際工作運行時間和使用頻段上分別支持國內最大的無線電信網絡運營商中的FDD電信制式等。這個模塊最大的優(yōu)點就是在于全網通功能。不管移動，聯(lián)通，電信NB卡都通通適用。開啟電壓為2.1~3.6V左右通常為3.3V，可達23±2dB的發(fā)射功率，在PSM模式下，電流低至5μA。該通訊模塊通?？梢酝瑫r提供一個波特率為9600bps的串口，用于AT命令通訊和數(shù)據傳輸，網絡通訊模塊支持IPv4/IPv6/UDP/CoAP/協(xié)議3-6NB&BC26芯片引腳圖串口對外接口3-7串口電路圖BC26串口電平為1.8V電平而STM32的串口電壓為5V/3.3V無法直接跟外部STM32單片機進行通訊，即需要加入雙串口電平轉換電路將BC26串口信號轉換為外部單片機可識別的信號并同時將單片機信號轉換為BC26可識別的1.8v。因BC26供電參考電壓為3.3V以及STM32串口芯片即有采用TI公司的TXS0108EPWR雙向電平轉換芯片實現(xiàn)1.8V與3.3V之間的信號匹配。TXS0108EPWR為8位非反向轉換器使用兩個獨立的可配置電源，其8位非反向轉換器可實現(xiàn)1.2V、1.8V、2.5V、3.3V和5V電壓節(jié)點之間的任意低壓雙向轉換，TXS0108EPWR具有A與B兩個輸入電源引腳端口，其中A端口接受VCCA引腳的電源電壓控制。VCCA引腳承壓范圍為1.2V到3.6V的任意電源電壓。B端口跟蹤VCCB引腳的輸入電源控制。VCCB引腳承壓范圍為1.65V到5.5V范圍內的任意電源電壓。3.3本地顯示模塊電路3-3-8OLED接口電路圖使用LED屏用于本地顯示傳感器采集數(shù)據，如溫濕度傳感器數(shù)據，PM2.5傳感器采集數(shù)據以及MS5611C氣壓傳感器采集數(shù)據。3.4溫濕度測量電路DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種已經把數(shù)字信號進行校準內部將一個電阻式感濕傳感器以及一個NTC測溫元件集成于一體的復合型傳感器。應用了專用溫濕度采集技術和數(shù)字模塊采集技術的DHT11得以確保了產品具有長期運行的穩(wěn)定性和超高的穩(wěn)定性。傳感器內的NTC測溫元件以及感濕元件與一個高性能的8位單片機相連，所以該產品具有響應快、性價比高、功耗極低、很好的抗干擾能力等特點。所有的DHT11傳感器均已在高精度的實驗產所進行校準完成。校準系數(shù)存儲在OTP內存中且以程序的形式。超小的體積以及超低的功耗并且高達20m以上的傳輸距離，使得它可以被引用在任何苛刻的場合或者環(huán)境。溫濕度測量電路如圖3-9溫濕度模塊接口電路圖3.5PM2.5傳感器模塊PMS50033.5.1工作原理系統(tǒng)PM2.5采集模塊采用PMS5003數(shù)字式顆粒物濃度傳感器，該傳感器基于激光散射原理，基于在某一特定角度收集空氣中懸浮顆粒物的激光散射光，采集到散射光強跟隨時間的曲線，微處理器利用基于米氏（MIE）理論的算法，計算得出單位體積空氣中顆粒物的等效粒徑及單位體積內顆粒物濃度。從監(jiān)測顆粒范圍為0.3微米~10微米，傳感器各功能部分框圖如圖3-10PMS5003工作原理圖3.5.2，輸出結果PMS5003傳感器主要輸出結果為單位體積空氣內各濃度的顆粒物質量和個數(shù)，其中顆粒物個數(shù)以0.1升為單位體積計算，質量濃度單位為：微克/立方米。PMS5003具有主動輸出和被動輸出兩種輸出狀態(tài)。傳感器上電后默認工作狀態(tài)為主動輸出，主動輸出模式為PMS5003傳感器主動向管理系統(tǒng)的控制用戶發(fā)送一個串行控制信號,時間持動間隔持續(xù)范圍一般為200~800ms，空氣環(huán)境中的懸浮顆粒物和氧含量濃度越高,時間持續(xù)間隔也就會變得越小。主動信號輸入又一般可以分別劃分為平穩(wěn)輸入模型和快捷輸入模式兩種。在被測空氣中各個惰性顆粒物的測量濃度發(fā)生變化較小時,傳感器將其數(shù)據輸出轉換成平穩(wěn)更新模型,即每三次更新輸出相同的一組濃度測量差據數(shù)值,實際每組測量差值數(shù)據的每次更新持續(xù)周期大約為2s。例如,當吸入空氣或水中的惰性顆粒物吸入濃度發(fā)生變化很大時,傳感器將其中的輸出濃度信號自動準確地重新切換到快速更新模式,每次更新輸出信號都會自動顯示一個新的濃度值,實際上該數(shù)據濃度更新的時間周期范圍可以簡單確定大約為200~800ms。1.接口電路圖3-11PMS5003模塊接口圖3-12PMS5003典型連接圖3.6MS5611氣壓模塊MS5611-01BA氣壓傳感器是一款具有SPI和I2C總線雙接口的具有極高采集精確度，具有分辨率高達10cm的由MEAS研發(fā)推出的新一代氣壓傳感器。由一個高線性度的壓力傳感器和一個具有工廠校準系數(shù)超低功耗的24位Σ模數(shù)轉換器組成傳感器模塊，其可提供SPI以及I2C兩種不同的操作模式還可在復雜環(huán)境條件下采集氣壓值并將其ADC轉化輸出精確的24位數(shù)字值，并優(yōu)化了電流損耗實現(xiàn)了超低功耗下的高轉換速度。MS5611具備在無需其他傳感器輔助的情況下實現(xiàn)高分辨率精確的溫度輸出使其可以在復雜的情況下實現(xiàn)高度計/溫度計功能，而且其可拓展性強可以與幾乎任何微控制器連接，內置振蕩器無需外接元件通信協(xié)議簡單，不需要對設備內部寄存器編程。MS5611壓力傳感器具有體積小集成性高，可移植性好的優(yōu)點，尺寸僅有5.0毫米×3.0毫米×1.0毫米，可很方便的集成在智能穿戴設備上應用。得益于MEAS多年成熟的設計及規(guī)模性制造經驗并且采用先進的MEMS技術確保了該傳感器具備極低的壓力信號之后性能的同時還確保了高穩(wěn)定性。3-12MS5611應用電路圖3.7NBIOT天線接口模塊電路的天線接口采用適用于普通的2G天線的SMA接口方式，即可以為模塊配備2G天線使用，接入天線接口即可使用。RF天線端口的適配阻抗為50Ω。圖3-13天線接口電路圖對于天線接口的外圍電路設計，天線匹配網絡需要注意后級輸入阻抗與前級輸出阻抗共軛，匹配網絡分為L型，T型，Π型三種為了能夠更好地調節(jié)射頻性能，采用預留π型匹配電路，π型匹配電路元件根據電路實際情況選貼，且匹配電路元件。其參考電路圖如圖3-15，在默認情況下，電容C1，C2無需選貼，只在R1選貼0歐姆電阻方便PCB調試方便以及兼容設計。3-15射頻天線參考電路圖3.8電源模塊電源模塊采AMS1117正向低壓降穩(wěn)壓芯片。AMS1117在1A電流下壓降為1.2V。AMS1117具有固定輸出和可調節(jié)輸出兩個版本，其中有其固定輸出電壓為1％的精度有1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V等七個固定輸出版本；固定輸出電壓為1.2V精度為2%的固定輸出版本。AMS1117內部集成低漏失電壓，限流功能，過熱切斷等功能，在掌上電腦與筆記本電腦，移動電話以及充電或供電系統(tǒng)上有著廣泛的應用因STM32主控模塊工作電壓為5v,設計采用3.3V輸出即ASM1117-5.0芯片,NB-IOT&BC26模塊電源輸入電壓范圍為2.1V~3.63V，即有采用ASM1117-3.3芯片，其應用電路圖為。3-14AMS117穩(wěn)壓芯片應用電路圖4軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件設計主要可以劃分為三個組成部分分別為板載裝置的軟件設計、ONENET云平臺部署以及OLED顯示軟件主流程氣象采集系統(tǒng)接通電源后，整個系統(tǒng)會在程序的指揮下對主控模塊和所有外圍器件的初始化，主要是針對I/O口、LED液晶顯示屏、復位電路、時鐘電路等的初始化。前面的步驟完成后，溫濕度；氣壓；PM2.5濃度等的狀況將依次在LED顯示屏顯示出來，數(shù)據然后經過封裝后由天線發(fā)送到NB-IoT網絡。硬件模塊的系統(tǒng)軟件設計主要是完成硬件的初始化，注冊后接入相應的運營商網絡，并定期收集和上報氣壓，PM2.5以及溫濕度等信息，為了直觀顯示采集數(shù)據添加了個LED模塊用于顯示采集的氣象數(shù)據。以下本文對以上提到的程序進行介紹。軟件設計主流程圖如圖4-1所示4-1軟件流程圖4.2硬件初始化：GPIO口初始化本次系統(tǒng)中使用到芯片的多個GPIO口用以驅動系統(tǒng)燈、LED顯示以及接收傳感器采集的模擬信號輸入等。系統(tǒng)應用GPIO口需要對其進行GPIO初始化配置為選用端口與引腳，選擇GPIO口輸入/輸出模式以及輸出速率，配置上拉/下拉電阻等。其次串口初始化。該氣象采集系統(tǒng)主要采用兩個串口分別用于程序調試輸出以及另一個作為主控芯片與BC26模組通訊使用。串口配置時需配置為9600bps的波特率，選擇是否無硬件數(shù)據流控制，選擇八位數(shù)據格式，停止位選擇1位，數(shù)據無奇偶校驗位。第三，ADC初始化。例如PM2.5傳感器PMS5003將采集的空氣顆粒物數(shù)據即濃度輸出為一個0～5V的模擬信號，系統(tǒng)將其模擬值轉換解析成與之對應的數(shù)字信號后，上報至ONENET平臺其采集的氣壓值以及溫濕度值皆如此。該系統(tǒng)采用處理器芯片內置的逐次逼近型ADC轉換器，配置為12位精度轉換方式，數(shù)據右對齊低字節(jié)對齊方式，采用單通道單次掃描，使用軟件觸發(fā)轉換。4.3注冊聯(lián)網由NB-IoT模組、NB-IoT基站、核心網和IoT平臺等組成的NB-IoT網絡。其中由運營商提供NB-IoT基站、核心網實現(xiàn)了終端設備對云平臺的上報和下發(fā)接收信息的功能。NB-IoT模塊初始化時需進行注冊入網。ms5611傳感器節(jié)點采集的氣壓，DH11傳感器采集的溫濕度，PMS5003傳感器采集PM2.5等四個數(shù)據需要按照用戶自定義的協(xié)議進行編碼處理并用以AT命令將數(shù)據發(fā)送至NB-IOT&BC26模組中，數(shù)據上行時模組采用HTTP協(xié)議將數(shù)據封裝成http協(xié)議包后發(fā)送至ONENET平臺，IoT平臺再將接收到的http協(xié)議數(shù)據包進行解析和數(shù)據存儲,數(shù)據下行時,IoT平臺將下發(fā)數(shù)據以http協(xié)議包發(fā)送至NB-IoT模組[13]。皆以AT命令實現(xiàn)整個通信過程中處理器和通信模組的信息交換本系統(tǒng)NB-IOT&BC26模塊。AT指令通過HTTP連接ONENET平臺發(fā)送溫濕度；氣壓；PM2.5等數(shù)據。超文本傳輸協(xié)議（HypertextTransferProtocol，HTTP）是互聯(lián)網中應用最為廣泛的一種運行在TCP之上的一個簡單的請求-響應協(xié)議，同時所有的www皆遵守這標準。因為HTTP是一個客戶端和服務器端請求和應答的標準（TCP）是WWW的核心，HTTP可以在任何其他互聯(lián)網協(xié)議上，或者在其他網絡上實現(xiàn)，NBIOT中的BC35、BC26、BC28等模組都支持HTTP協(xié)議，代碼來看都是先獲取數(shù)據，然后轉成字符串存儲到數(shù)組變量里面去。然后通過調用BC26的HTTP發(fā)送函數(shù)將數(shù)據遠程發(fā)送出去。http與服務器建立連接只需要一次，不需要重復多次建立。建立成功之后，發(fā)送數(shù)據的函數(shù)可以不限次數(shù)的調用，調用一次發(fā)一次數(shù)據，服務器端也會進行對應的數(shù)據顯示。4.4AT指令簡介4-2AT指令簡介圖圖4-3終端設備與移動臺示意圖從上圖中可看出終端設備與移動臺之間的通信是基于AT指令實現(xiàn)的，通過AT指令來命令和協(xié)作的。BC26模塊注冊入網和通信過程中常用AT命令如下表圖4-3AT指令表4.5云平臺部署物聯(lián)網云平臺致力于構建“云-網-邊-端”式整體架構具備提供設備接入管理和邊緣數(shù)據分析存儲等功能可快速實現(xiàn)產品開發(fā)部署，可向各種物聯(lián)網應用提供服務為物聯(lián)網項目提供完善的行業(yè)解決方案。本系統(tǒng)采用中國移動ONENET作為云平臺，使用電信SIM卡進行通訊。該平臺是中國移動基于物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據等核心技術，以IOT連接管理平臺為核心的IOT生態(tài)圈。ONENET通過開放API與IOTAgent構建統(tǒng)一開放的IoT聯(lián)接管理平臺，以實現(xiàn)與上下游產品的無縫連接，從而為行業(yè)用戶提供終端到云端的高價值行業(yè)應用產品開發(fā)。ONENET云平臺開發(fā)工作涵蓋Profile定義以及編解碼插件開發(fā)。Profile也稱產品模型，用于描述設備具備的能力和特性。用戶可通過定義Profile，在物聯(lián)網平臺構建一款設備的抽象模型，使平臺理解該款設備支持的服務、屬性、命令等信息[13]。本系統(tǒng)創(chuàng)建了一個Smoke服務，該服務下創(chuàng)建了四個屬性和一個控制命令。屬性分別為“temp”、“humi”“pres”“pm2_5”，控制命令為“Beep”5系統(tǒng)調試與試驗結果5.1硬件調試按照本氣象采集系統(tǒng)設計要求，本系統(tǒng)整體硬件電路包括OLED液晶顯示屏的用以顯示氣壓，PM2.5以及溫濕度示數(shù)的顯示模塊，含有數(shù)據發(fā)送功能的NB-IOT模塊，把各種信號變成電路可以識別的數(shù)字信號的各類傳感器，以及對整體電路起控制作用的主控電路。進行電路的各個模塊焊接之前，需要確認元器件型號是否符合設計的系統(tǒng)電路的要求，確認無誤后方可進行電路連接/焊接，焊接電路后需確認電路無短路或虛焊等現(xiàn)象以確保電路正確焊接，電路焊接完成后需要對整體電路進行調試。下文為調試的詳細說明：（1）各傳感探測器本文系統(tǒng)中含有幾種完全不一樣的傳感器，這些傳感器能否正常工作是整個系統(tǒng)的前提，這些傳感器模塊類似于人類的感官系統(tǒng)能夠把外界的各種信號轉換為電路可識別的模擬值信號所以。系統(tǒng)第一步調試為對傳感器進行分別調試測試其是否可正常輸出模擬電壓值，調試使其最后正確顯示相應的采集數(shù)據，，最后再整體調試。經過比較嚴謹?shù)恼{試之后，每個傳感器都可以正常工作，這樣才能達到比較實際真實的環(huán)境氣象數(shù)據。溫濕度傳感器BC26模塊OLED模塊STM32主控模塊電源模塊溫濕度傳感器BC26模塊OLED模塊STM32主控模塊電源模塊PM2.5傳感器模塊PS5003氣壓模塊5-1實物展示圖5.2軟件調試BC26模塊默認單片機代碼是下載成USart1透傳代碼（默認）這個是為了方便單片機作為一個透傳模塊來將電腦端的數(shù)據接收并發(fā)給BC26模塊。模塊收到數(shù)據之后，執(zhí)行指令響應之后返回給單片機，單片機將數(shù)據再給電腦進行顯示。使用的時需要注意20s不與模塊交互數(shù)據，模塊就直接處于休眠，此時他會讓其串口功能關閉。單片機是沒法與設備進行通訊的。必須要reset模塊才可以讓模塊工作，這個是BC95與之最大的區(qū)別。首先NBIOT的SIM卡需要正確插接到NB模塊上，否則無法正常進行測試。NB的SIM卡可以在電信運營商或者其他途徑進行購買獲取。調試前必須注意所在地區(qū)是否已被NB網絡覆蓋。否則即使有正確為NB模塊插接上卡，也無法進行實際調試使用。移動的NB使用普通的手機卡物聯(lián)網皆可適用。電信的必須是專用的。BC26是全網通，所以任意一個運營商的NB卡都是可以直接使用的。使用官方推薦的QCOM軟件進行測試。5-2QCOM軟件圖流程就是先建立socket，然后去socketnum，利用這個號碼去連接服務器并進行數(shù)據發(fā)送。也支持對連接進行指令斷開。AT+QSOC=1,1,1的第二個參數(shù)2代表UDP,1代表TCP，根據需要進行設定即可。第一步先建立了socket按照TCP模式，連接的IP和端口是3:80，然后發(fā)送4個字節(jié)。注意需要按照十六進制字符串的方式進行數(shù)據的發(fā)送。那當發(fā)送成功之后，服務器會自動回復你發(fā)的數(shù)據，以QSONMI的格式來進行接收。如果說出現(xiàn)了接收數(shù)據，表明此時的TCP已經被成功建立并且可以正常的工作。TCP測試的基本流程，首先是建立socket鏈接，建立成功之后，會返回sokcetnum號碼。下面的TCP連接與收發(fā)數(shù)據都需要使用此號碼。所以非常重要。5.3測試結果5.3.1常見問題其實NBIOT網絡并不復雜，主要復雜在于目前NB的商用時間較短。所以對于卡方面的使用存在一些注冊的問題。調試過程中可能會經常出現(xiàn)CSQ信號沒有以及系統(tǒng)無法對數(shù)據收發(fā)等錯誤。下面主要將幾個重要的問題給梳理一下。1.CSQ值一直顯示99。（1）此問題首先要看當?shù)仉娦啪W絡是否開通，以及你目前拿到的電信NB卡是否已經商用并注冊了。這個可以跟當?shù)氐碾娦胚\營商進行溝通。（2）模塊天線是否被正常插著了。需要用戶自己手動接好天線。切記天線一定要插！同樣也要檢查SIM卡是否被插好?？ǖ姆较蚴切酒氯笨诔?。2.服務器問題（1）操作BC26的時候，支持UDP協(xié)議，TCP協(xié)議。對于用戶而言,使用云服務器，并必須要配置安全組,比如配置一個端口888，那么你需要讓你的安全組讓這個端口支持UDP輸入和輸出，否則即便代碼正確，依舊無法將數(shù)據發(fā)到云服務器的。5.3.2調試結果（1）系統(tǒng)實物系統(tǒng)所包含的模塊有控制功能的STM32主