CN109443421A - 一种NB-IoT无线温湿度传感器 - Google Patents

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侯士通
吴刚
蒋剑彪
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Beijing Texida Research & Development Of Technology Co Ltd
Southeast University
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种NB‑IoT无线温湿度传感器，包括温湿度传感模块，温湿度传感模块采集环境温度和湿度数据并发送给MCU核心板，MCU核心板通过NB‑IoT无线通信模块将数据传输至云服务器。本发明通过NB‑IoT无线通信模块建立无线温湿度传感器，解决了有线传感器成本高、布线困难、现场安装难度大等问题，能够实现低成本、低功耗、长寿命、广覆盖目的，有利于实现桥梁等基础设施长期实时监测自身及周边环境变化。

Description

一种NB-IoT无线温湿度传感器
技术领域
本发明涉及土木工程基础设施长期监测领域，特别是涉及无线温湿度传感器。
背景技术
传统的温湿度传感器以有线传输为主，其具有精度高特点，但是传输距离有限，现场布设要求高，且后期维护困难。同时，若对桥梁或其他基础设施集群布设有线传感器，将面临巨大现场安装工作量及极高成本要求。采用无线技术传输温湿度传感数据有利于集群、大规模布设温湿度传感器，且方便数据集中管理。当前无线技术多样，但存在高功耗问题，桥梁等基础设施现场环境复杂，供电困难，高功耗无线传输技术如WiFi，ZigBee，4G等难以满足长期使用要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种低功耗的NB-IoT无线温湿度传感器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的NB-IoT无线温湿度传感器，包括温湿度传感模块，温湿度传感模块采集环境温度和湿度数据并发送给MCU核心板，MCU核心板通过NB-IoT无线通信模块将数据传输至云服务器。
进一步，还包括电池供能模块，电池供能模块连接MCU核心板。
进一步，所述MCU核心板建立定时唤醒机制，不工作时处于低功耗模式，工作时从低功耗模式唤醒。
进一步，所述云服务器建立数据监听机制，实时接收并解析数据。
进一步，所述云服务器建立异常分析与报警机制，基于长期温度数据样本的时域特征包括均值、方差、偏斜、峰度、变异系数、中位数以及Pearson相关系数，频域特征包括均方根频率与均方差频率，采用PCA主成分分析降维保留前3个主元，通过标定正常、异常的标签状态，使用KNN邻近算法对各类数据异常状况进行识别与报警。这样有助于针对异常数据及时采取措施。
进一步，所述云服务器对每个桥梁监测点按照规定的序号进行排序，各数据通过固定格式发送。
进一步，所述NB-IoT无线通信模块采用BC95模组，采用AT指令搜寻注册网络，通过UDP协议向指定IP、端口发送传感器数据。这样能够实现集群、大规模监测目的，实现数据集中管理。
有益效果：本发明公开了一种NB-IoT无线温湿度传感器，通过NB-IoT无线通信模块建立无线温湿度传感器，解决了有线传感器成本高、布线困难、现场安装难度大等问题，能够实现低成本、低功耗、长寿命、广覆盖目的，有利于实现桥梁等基础设施长期实时监测自身及周边环境变化。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中无线温湿度传感器的结构图；
图2为本发明具体实施方式中MCU核心板的控制流程图；
图3为本发明具体实施方式中数据传输流程图；
图4为本发明具体实施方式中的聚类分析结果；
图5为本发明具体实施方式中异常数据分析流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种NB-IoT无线温湿度传感器，如图1所示，包括温湿度传感模块，温湿度传感模块采集环境温度和湿度数据并发送给MCU核心板，MCU核心板通过NB-IoT无线通信模块将数据传输至云服务器。还包括电池供能模块，电池供能模块连接MCU核心板。
下面对各个模块进行介绍：
1)电池供能模块
采用锂电池提供3.7V标准电压为MCU核心板与温湿度传感模块供电。
2)温湿度传感模块
采用HTU21D低功耗芯片采集温湿度数据，工作温度为-40～125℃，供电电压为1.8～3.6V。温度测量范围为-40℃～+125℃，湿度测量范围为0～100％RH。数据采用I2C方式输出，温度和湿度数据精度为十分位，输出形式为数字信号。
3)MCU核心板
该模块包括MSP430F5438A低功耗处理器芯片，具有三个16位定时器、一个高性能12位ADC、多达四个通用串行通信接口(USCI)、一个硬件乘法器、DMA、具有报警功能的RTC模块和87个I/O引脚。核心板包括电源开关、DC12V输入、串口通信。扩展接口支持I2C，保证核心板与无线模块正常通信。该核心板主要实现低功耗数据存储，控制传感模块采集频率，AT指令通信与串口调试功能。建立定时唤醒机制，在工作时从低功耗模式唤醒，采集并发生数据，随后关闭传感器供电并再次进入低功耗模式。通过编译C语言单片机程序，设定接收传感模块数据频率，通过单片机内部时钟确定是否接收传感模块数据；编译C语言程序生成AT指令并发送至无线通信模块，图2为MCU核心板的控制流程。
4)NB-IoT无线通信模块
采用BC95-B20频段为850MHz模块，管脚数量为94，供电电压3.1V～4.2V，典型值3.8V，工作温度为-40℃～+85℃，采用AT指令控制，以UDP协议传输数据。该模块接收核心板AT指令后，执行网络寻找与注册，建立UDP协议连接，传输传感数据至指定IP、端口。该模块主要AT指令包括：“AT+CFUN＝1”设定工作模式，“AT+CGDCONT＝1,”IP”,”APN””设定入网方式，“AT+CGATT＝1”附着网络，“AT+CSQ”查询信号强度，“AT+CEREG？”查询注册网络状态，通过“AT+NSOCR”向指定公网IP发送16进制数据。
5)云服务器
云服务器采用串口程序，端口号为8082，使用Python编写UDP协议接口程序，使用socket库建立8082端口接收程序，接收无线数据，按照ID标识解析数据，使用MangoDB实时存储数据至指定数据库表中。图3为本发明数据传输结构图。
云服务器建立数据监听机制，实时接收并解析数据。云服务器建立异常分析与报警机制，对每个桥梁监测点按照规定的序号进行排序，各数据通过固定格式发送。以桥梁编号、传感器编号、传感器数据格式，通过UDP协议发送至云端服务器。如桥梁A有10个温湿度传感器，桥梁B有5个温湿度传感器，各传感器按照“A+sensor编号+温湿度数据”格式，按照指定频率发送至云端服务器IP。通过Socket程序建立UDP协议，实时监听数据接收情况，并对接收到的数据进行解析，分解每条接收到的数据为桥梁编号，传感器编号及具体数据，并存储至MYSQL数据库。采用Python编写异常数据分析与预警程序，基于100个温湿度连续数据样本，分别提取时域特征包括：均值，方差，偏斜，峰度，变异系数，中位数及Pearson相关系数，以及频域特征包括：均方根频率与均方差频率，采用PCA主成分分析降维保留前3个主元，根据测试环境将数据分为正常，传感器数据异常波动，与环境异常三类，如图4所示，蓝色为正常状态，红色为传感器数据异常波动，绿色为环境异常；长期监测过程中，对每100个监测数据进行特征提取与PCA主成分分析，对前3个主元生成的空间坐标进行KNN邻近算法分类，该坐标属于上述红色或绿色类别后，程序判定属于异常，并进行异常报警，具体流程如图5所示。

Claims (7)

1.一种NB-IoT无线温湿度传感器，其特征在于：包括温湿度传感模块，温湿度传感模块采集环境温度和湿度数据并发送给MCU核心板，MCU核心板通过NB-IoT无线通信模块将数据传输至云服务器。
2.根据权利要求1所述的NB-IoT无线温湿度传感器，其特征在于：还包括电池供能模块，电池供能模块连接MCU核心板。
3.根据权利要求1所述的NB-IoT无线温湿度传感器，其特征在于：所述MCU核心板建立定时唤醒机制，不工作时处于低功耗模式，工作时从低功耗模式唤醒。
4.根据权利要求1所述的NB-IoT无线温湿度传感器，其特征在于：所述云服务器建立数据监听机制，实时接收并解析数据。
5.根据权利要求1所述的NB-IoT无线温湿度传感器，其特征在于：所述云服务器建立异常分析与报警机制，基于长期温度数据样本的时域特征包括均值、方差、偏斜、峰度、变异系数、中位数以及Pearson相关系数，频域特征包括均方根频率与均方差频率，采用PCA主成分分析降维保留前3个主元，通过标定正常、异常的标签状态，使用KNN邻近算法对各类数据异常状况进行识别与报警。
6.根据权利要求5所述的NB-IoT无线温湿度传感器，其特征在于：所述云服务器对每个桥梁监测点按照规定的序号进行排序，各数据通过固定格式发送。
7.根据权利要求1所述的NB-IoT无线温湿度传感器，其特征在于：所述NB-IoT无线通信模块采用BC95模组，采用AT指令搜寻注册网络，通过UDP协议向指定IP、端口发送传感器数据。
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