摘 要

在NB-IoT的迅速普及和人们在很多场景下都有环境监测需求的现状下，本文设计与开发了一种基于NB-IoT的环境监测系统。该系统以STM32F103C8T6单片机为核心，通过温度、湿度、有害气体、可燃气体传感器采集环境中的数据，并使用NB-IoT无线通信模块定时将采集到的数据传送到云端服务器上存储，实现了对环境中的温度、湿度、有害气体浓度、可燃气体浓度等指标的持续监测，用户通过客户端连接到云服务器即可查看环境监测数据的统计情况。由于使用了NB-IoT技术来传输数据，该系统与传统的环境监测系统相比，具有传输距离远、连接数量大、低功耗、低成本等优点。该系统测量数据准确，可靠性高，广泛适用于家庭室内、车内、会议室、教室等相对密闭的空间的环境监测，同时也适用于室外的环境监测。经过实际应用验证，该系统可以很好地监测环境中的温度、湿度、有害气体（氨气、硫化物、一氧化碳、苯系蒸汽等）、可燃气体（煤气、天然气等），数据传输稳定可靠，可以应对不同的环境条件，实际的应用效果很理想。

关键词：NB-IoT；STM32；环境监测；传感器

Abstract

With the rapid popularity of NB-IoT and the fact that people have environmental monitoring needs in many scenarios, this paper designs and develops an environmental monitoring system based on NB-IoT. The system uses the STM32F103C8T6 single-chip microcomputer as the core, collects the data in the environment through the temperature, humidity, harmful gas, and combustible gas sensors, and uses the NB-IoT wireless communication module to periodically transmit the collected data to the cloud server for storage to achieve the environment. In the continuous monitoring of temperature, humidity, harmful gas concentration, combustible gas concentration and other indicators, users can view the statistics of environmental monitoring data by connecting to the cloud server through the client. Because NB-IoT technology is used to transmit data, the system has the advantages of long transmission distance, large number of connections, low power consumption, low cost, etc. compared with traditional environmental monitoring systems. The system has accurate measurement data and high reliability. It is widely used for environmental monitoring of relatively closed spaces in homes, cars, conference rooms, classrooms, etc., as well as outdoor environmental monitoring. After practical application verification, the system can well monitor the temperature, humidity, harmful gases (ammonia, sulfide, carbon monoxide, benzene steam, etc.) and combustible gases (gas, natural gas, etc.) in the environment. Can deal with different environmental conditions, the actual application effect is very ideal.

Key Words：NB-IoT；STM32；environmental monitoring；sensor

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的及意义 1

1.1.1 课题研究的背景 1

1.1.2 课题研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状和趋势 2

1.3 课题研究内容和预期目标 3

第2章 系统整体设计 4

2.1 需求分析 4

2.2 系统设计目标 4

2.3 系统整体设计 4

第3章 系统硬件方案设计 5

3.1 传感器的比较与选择 5

3.1.1 温湿度传感器的比较与选择 5

3.1.2 可燃气体、有害气体传感器的比较与选择 7

3.2 单片机的比较与选择 9

3.2.1 51单片机系列 10

3.2.2 AVR系列 10

3.2.3 MSP430系列 10

3.2.4 STM32系列 10

3.3 NB-IoT模块的比较与选择 12

3.4 系统整体硬件设计 14

第4章 系统软件设计与实现 16

4.1 开发工具介绍 16

4.1.1 Keil μVision5 16

4.1.2 STM32CubeMX 16

4.2 传感器驱动程序设计 16

4.2.1 微秒延时函数 16

4.2.2 温湿度传感器驱动程序 17

4.2.3 可燃气体传感器和有害气体传感器驱动程序 22

4.3 串口传输程序 23

4.4 CRC循环冗余校验程序 23

4.5 数据的存储 25

4.6 数据封装程序 25

4.7 客户端的设计 27

4.8 软件整体设计 28

第5章 系统的测试与分析 30

第6章 结论 38

参考文献 39

附录 40

致谢 52

绪论

刚开始移动通信仅仅是作为打电话和发短信的用途，随着科学技术的迅猛发展，移动通信技术应用到了越来越多的场景。近年来，“智慧家居”、“智慧工业”、“智慧城市”等名词相继出现，他们都是利用了移动通信技术来传输硬件和软件的数据，从而达到远程控制和获取数据的目的，“物联网”这个新名词就是由此得来。万物互联时代的到来，离不开移动通信技术的支持。与此同时，人们对物联网通信技术的要求又进一步提高，需要其做到低成本、低功耗、远距离传输等，所以一项新的低功耗广域网技术“NB-IoT”被提出。NB-IoT的特点有广覆盖、低功耗、大连接、低速率、成本低、架构优等，如今被广泛应用到低速率、低功耗物联网设备中^[1]。本文基于NB-IoT技术设计与开发了一种环境监测系统，可以实现对环境中的温湿度、有害气体的远程监测，还可以进行报警提醒，该系统具有低成本、低功耗、测量准确可靠等优点。

课题研究的背景、目的及意义

课题研究的背景

进入信息化时代以来，社会的进步和科学技术的发展日新月异，人们为了提高生产效率和生活质量，人工智能和移动通信技术得到了快速的发展和应用。人工智能极大的提高了生产和生活的效率和质量，逐渐取代了很多领域的人工。但是对于一些特殊的、远程的、环境恶劣的任务，需要通过移动通信技术来实现数据的传输，这样一来，足不出户就能实现远程操控。近些年来，人们对于人工智能技术结合移动通信技术的产物需求激增，于是就提出了“物联网”这个新名词。

课题研究的目的和意义

人们为了使物联网技术具有更好的指标特性，应用到更多的邻域，在物联网的基础上研究出了一种低功耗广域网（LPWAN）技术——NB-IoT技术（窄带物联网技术）^[2]。它与目前广泛使用的GPRS、LTE等物联网通信技术相比，具有许多优点：

1. 覆盖范围更广。相较于LTE网络，NB-IoT网络提升了100倍覆盖区域能力，而且信号穿透能力很强^[3]。所以无论是地广人稀的农村，还是地下停车场等具有一定深度的场所，都能被信号所覆盖到。
2. 更多的设备接入。由于未来是万物互联时代，所以设备的接入是非常密集的，LTE网络不能满足接入大量设备的需求，而NB-IoT网络的每个扇区可以接入大约5万个终端设备。
3. 功耗更低。NB-IoT模块工作时就很省电，而且不工作时就会进入休眠模式，一块电池就可以使用数年不用更换，可以满足更多对功耗要求比较严格的物联网产品。
4. 更低的成本。成本的主要构成主要是硬件价格，其次是功耗、占用的空间、占用的网络资源等。NB-IoT模块的价格在国家的补贴和扶持下，已经降到很低，批量采购只需要20元/片左右。另外模块功耗很低，体积小巧。而且它是在现有的GSM或者LTE网络上直接部署，并且只需要单独占用180KHz的无线频谱资源，速率低，所以射频功耗也低，部署方式也有多种可供选择^[4]。

由于进行环境监测的范围很广，家庭、车内、会议室、宿舍、厂房、工业园区、地下室、隧道等场景下都有用到，所以会受到地理位置、气候条件等的影响，有些特殊的地方和环境不便于人工监测。利用NB-IoT技术让环境监测系统进行移动网络通信，不需要人工去实地读取数据，就能远程获取数据和操控，可以适用于各种复杂的场景。并且功耗低、可靠性高，无论是在地下深井、隧道、地下室、移动的车辆上、接入设备密集的城市还是地广人稀的农村，都能保证物联网设备能接入，也不需要频繁更换电池，只要连上网络就能进行操控。

国内外研究现状和趋势

近几十年以来，移动通信技术已经从1G、2G、3G、4G发展到目前正式商用的5G。随着无人驾驶、智慧家居、智慧城市、智慧工业、智慧农业等新兴市场的开启，物联网技术被越来越多的国家所重视。各国都推出了自己的发展计划，如中国的“中国制造 2025”、德国的“工业4.0”等^[5]。早在很多年以前，相关部门就已经着手研究用LTE技术来承载物联网，直到2015年9月份才由3GPP正式将其命名为NB-IoT（窄带物联网）^[6]。在我国，华为公司对NB-IoT的标准推进得最早。在国外，诺基亚、爱立信、英特尔等通信公司也在推动着NB-IoT的标准的制定。世界主流的运营商中国移动、中国联通、德国电信、沃达丰等也积极参与其中。2016年，NB-IoT标准正式确定，国内运营商开始准备其大规模商用。随着NB-IoT产品的快速落地生产，人们都看到了其产品的优异表现，市场需求极速增大。国内的芯片厂商华为海思、联发科、展讯，国外的高通等，都相继研发出了自己的NB-IoT物联网芯片。运营商也积极和芯片厂商联合研发物联网芯片，以适应更加多样化的网络场景。基于NB-IoT的物联网设备目前也如雨后春笋般的出现，NB-IoT技术被越来越多的厂商用来提升自家硬件产品的核心竞争力。比如具备追踪和报警、远程控制、电池监控等功能的智能车锁，还有厂商推出了具备位置定位、防盗、数据上传的共享单车、共享电动车等^[7]。除此之外，还被广泛地应用在智慧城市、环境监测、农业生产和工业生产等领域。在中国，政府是大力扶持窄带物联网相关研究和全面推进NB-IoT的建设和发展的。工信部也大力宣传和推广NB-IoT，并且预测2020年基本可以实现全国普遍覆盖，全国支持NB-IoT的基站可达150万个，总连接设备数会超过6亿台。

课题研究内容和预期目标

由于环境监测系统市场需求量大，并且在不同的场景和邻域都有应用到。为了解决传统的环境监测系统功耗高、读取数据不方便、数据实时性低、可靠性差等突出的问题，此次课题主要基于NB-IoT设计与开发了一种环境监测系统。需要使用单片机、温度传感器、湿度传感器、NB-IoT物联网模块等完成硬件电路的设计和软件的制作。环境监测系统的初步设计预期目标是：该系统可以测量环境中的温度、湿度、可燃气体、有害气体等指标，还可以通过设置触发器来报警提醒。由于利用了NB-IoT的大连接、广覆盖、低功耗等特性，所以预计设计出来的环境监测系统具有可靠性高、功耗低，能适用于各种复杂的地形条件和气候条件中等优点。

系统整体设计

需求分析

随着生活水平的提高，加上环境问题日益突出，环境的好坏越来越受到人民群众的关注。人们不仅在生活中频繁地关注着温度、湿度、光照强度、PM2.5、有害气体浓度等环境质量信息，在生产中，也在很多地方安置了环境监测系统。在室内，人们关注着温度、湿度、有害气体浓度等信息。尤其是CO气体，对人类的健康威胁极大，轻则昏迷，重则缺氧死亡。在工厂里，为了保障机器的正常运行，要监测环境中的温度、湿度，还要防止生产过程中产生的有害气体和可燃气体外泄。在大棚里，要时刻关注着温度、湿度、光照强度等的变化。然后针对这些变化来采取适当的措施，使作物的产量达到最理想化。

综上种种情形，研制一个好用的环境监测系统对人们的生产生活实在是太有必要了。而市面上传统的环境监测系统要么功耗高，要么价格贵，要么使用起来不方便，要么精度不高，要么不能适用于一些特殊的场景。此次毕业设计正是基于上述需求，设计与开发了一种基于NB-IoT的环境监测系统。

系统设计目标

环境监测系统设计主要有两大基本目标：第一是要做到从环境中获取数据；第二是要将数据传递给用户。环境数据的获取当然是要靠传感器来完成，数据的传递则是采用的NB-IoT技术来实现的。而控制他们如何工作，就要用到单片机了。用户要读取数据，就要做可视化化界面或者客户端。