基于NB-IoT的车载环境监测多重预警系统设计

张娅琳，吴伟强，李文熙

（深圳职业技术学院 电子与信息通信工程学院，广东 深圳 518000）

目前，机动车已成为人们不可或缺的交通工具，车内环境安全也引发了人们的重视。此外，近年来车内一氧化碳中毒、二氧化碳超标引发窒息或者高温致死的事件频发，造成了极其恶劣的社会影响。认识到上述问题的严重性，目前面向车载应用的车内有害气体监测、净化和预警的研究逐渐受到重视[1-10]。

通过调查研究发现，现有的技术能够实现部分或者全面车载环境的检测和/或本地预警[1-5]，部分技术还能进行车窗控制或空气净化[4-5,10]，但由于机动车控制协议通常并非互联互通，因此，车窗控制和空气净化涉及到改造升级机动车控制系统，还需要考虑车载设备安装涉及的安全、舒适、美观等问题。其次，目前大部分机动车都不具备远程监控车载环境及控制车窗的功能。因此，急需研发一款独立于机动车动力类型的车载环境监控及安全预警系统，以全面检测并实时监测车内环境信息并预警。要实现远程监控和预警，现有技术提出采用蜂窝移动通信的GPRS、4G等实现车载环境的短信通知预警[9-10]。但基于运营商移动通信终端需与基站保持实时寻呼连接的需求，存在耗电量大、成本高等问题。而面向车载环境监测的应用场景，传输速率无需过高，功耗和低成本是设计考虑的主要因素。NB-IoT是一种低功耗、低成本、广覆盖的物联网解决方案，因此，本文基于NB-IoT进行车载环境监测系统的设计与实现。

终端设备检测到车载环境信息后，通过NB-IoT无线传输到远端云平台，车主和相关人员可通过手机APP和云平台网页实时查看车内环境信息。当检测结果超出人体安全门限值时，可通过本地预警、短信预警和APP通知等预警方式，及时提醒车主和有关人员关注车内状态，采取措施有效避免有害气体中毒或者高温伤亡事故。

本研究旨在实现一种低功耗车载环境动态监测和一氧化碳、二氧化碳等有害气体中毒预警及高温预警的三级预警系统。系统架构如图1所示，主要包含微控制模块、感知识别模块、本地预警模块、本地显示模块、无线通信模块、电源模块、云平台模块、手机APP模块。

图1 车载气体监测预警系统逻辑框图

微控制模块是监测预警系统的中枢，它控制传感模块进行环境信息监测和人体红外识别。同时，微控制模块控制显示模块进行检测结果的显示，并根据检测结果控制本地预警模块进行声光报警。此外，微控制模块将检测结果发送到无线通信模块。

感知识别模块包含传感模块和红外识别模块。其中，传感模块主要包含温湿度传感模块、一氧化碳检测模块、二氧化碳检测模块及其他有害气体检测模块。传感模块与微控制模块可进行有线或无线连接。红外识别模块主要通过红外热释电传感器检测车内是否有生物滞留在车内。

显示模块通过OLED或者LCD显示本地检测的温湿度数据和气体浓度。

预警模块进行本地声光报警。当检测的温度数值或者有害气体浓度超标时，启动声光报警，引起车内、车外人员的警觉，特别是引起机动车周围人员的警觉，从而采取相应的救援措施。

无线通信模块将采集的信息通过无线通信发送到云平台进行远程监控。无线通信可以采用NB-IoT技术或者蜂窝移动通信技术。在传统燃油车中推荐使用NB-IoT无线通信，在新能源车中可以考虑使用4G/5G移动通信。

电源模块为微控制模块、传感模块、人体红外识别模块、无线通信模块、本地显示模块、本地声光预警模块供电。电源模块可采用机动车电源接口充电的方式和/或电池供电的方式。当红外模块识别出车内无人时，可以采用系统休眠的方式以降低能耗，延长系统的续航时间。

微控制模块、传感模块、红外识别模块、本地显示模块、预警模块和电源模块均集成在一个终端模块中，便于安装和使用。

云平台模块用于在云平台上动态显示和存储检测的车载环境信息。当车内温度过高或者有害气体浓度超标时，云平台将发送短信通知车主和相关人员。

手机APP模块通过访问云平台获取车载环境信息并显示在手机APP上。同时，当车内温度过高或者有害气体浓度超标，手机APP将弹出预警消息，安装相应手机APP的车主和相关人员便可及时了解车内环境信息以便及时开展救援。

从系统设计的角度看，在中型及大型巴士中，单个感知识别模块红外辐射范围难以覆盖整个车体，因此，可以考虑部署多个感知识别模块使人体识别和环境信息检测更加准确。在多个感知识别模块部署后，考虑到车载布线的问题，感知识别模块可通过低功耗蓝牙或者ZigBee低功耗无线通信的方式将传感信息发送给主控模块。

党风和社会风气是任何人和组织干事创业的社会条件。风气好，人人受益，百业俱兴；
风气坏，人人受害，事事受阻。因此，加强军队党的领导和党的建设，必须打好打赢正风反腐这一硬仗。

车载环境监测预警系统硬件模块框图如图2所示。控制模块主要基于STM32F103单片机模块进行信息采集和处理、本地显示及预警、NB-IoT模块的无线通信控制以及为各模块提供供电电源；
供电电源采用USB方式充电供电；
传感器模块主要包含MQ-7一氧化碳传感器模块，CCS811二氧化碳模块、DTH11温湿度模块和人体红外模块HC-SR501；
无线通信模块采用NB-IoT模组M5311，与控制模块通过串口进行命令和数据的交互；
显示模块采用9.6寸的OLED模块，声光报警模块采用蜂鸣器和LED实现本地声光报警。

图2 车载环境监测预警系统硬件模块框图

图3～图7是主控芯片与主要模块的电路连接原理图。由于篇幅限制，晶振电路、复位电路、下载电路、温湿度电路等模块的电路原理图不再赘述。

图3 主控芯片电路原理

图4 电源模块原理

图5 CO检测电路原理

图6 CO2检测电路原理

图7 NB-IoT模块电路原理

电源模块通过USB接口为STM32最小微控制系统提供5 V电源，并通过AMS1117-3.3正向低压降稳压器将电源电压从5 V降为3.3 V，为需要3.3 V电源输入的模块供电。

图5为MQ-7一氧化碳检测模块连接图。模拟输出AO引脚连接主控芯片的PC3引脚作为ADC的输入，通过ADC转换将MQ-7产生的电化学信号转换为数字信号，然后根据MQ-7浓度与电压关系表得到一氧化碳浓度值。

图6为CCS811二氧化碳检测模块的连接图。CCS811是一款低功耗空气质量传感器，使用I2C总线通信。时钟信号和数据信号引脚SCL和SDA分别连接主控芯片的GPIO引脚。CCS811引脚65（WAK）为低电平时SDA、SCL才能正常通信；
引脚6（INT）连接主控芯片PA7相当于复位引脚。

图7为M5311 NB-IoT模块连接原理图。通过串口RXD/TXD引脚连接主控芯片的串行通信复用引脚。PWRKEY连接主控芯片GPIO进行NB模组开关机控制。

程序首先完成各模块的初始化：包括一氧化碳传感器MQ-7模块初始化、二氧化碳传感器CCS811模块初始化、温湿度传感器DTH10模块初始化、NB-IoT模组M5311初始化、HC-SR501人体红外模块初始化、OLED显示初始化、蜂鸣器和LED指示灯初始化、定时器中断初始化、电脑与终端模块的串口通信（USART1）初始化、嵌入式控制模块M5311 NB-IoT串口通信（USART2）初始化等。嵌入式终端软件流程如图8所示。

图8 嵌入式终端软件流程

终端设备上电初始化后，循环判断检测标志是否为1。如果检测标志为1，则启动人体红外模块，否则传感器模块和NB模块进入空闲或低功耗模式。当检测周期的定时器中断或者外部中断（本地按键、APP或云平台APP指令）发生时，检测标志置1，系统进入检测模式。

启动红外模块和CO、CO2及温湿度传感器进行检测，并将检测信息显示在OLED上，同时，通过NB-IoT模块将传感器检测结果发送到OneNET云平台。如果检测结果超出预先设定的安全阈值，则启动声光报警模块进行本地预警；
同时，在云平台端启动规则引擎进行手机短信通知预警或者后台消息队列通知预警。

NB模块云平台数据交互需要通过嵌入式模块发送AT指令进行设置。CO浓度数据、CO2浓度数据、温湿度数据直接封装在AT+MIPLNOTIFY指令中，由嵌入式控制器STM32F103 MCU发送给NB模组，再由NB模组发送至OneNET云服务器。表1所列为NB模块与云平台交互主要的AT指令。嵌入式模块与NB模块通过串口通信实现AT指令的发送。

表1 NB模块AT指令设置

本系统采用M5311 NB-IoT模组进行远距离无线通信，采用中国移动物联网开放平台（简称OneNET）进行远程云平台监控。OneNET平台是中移物联网有限公司基于物联网技术和产业特点打造的开放平台和生态环境，适配各种网络环境和协议类型，支持各类传感器和智能硬件快速接入并进行大数据服务，提供丰富的API和应用模板以支持各类行业应用和智能硬件的开发，能够有效降低物联网应用开发和部署成本。

4.1 添加产品

登录OneNET云平台（https：//open.iot.10086.cn/）。OneNET平台提供两种设备接入管理方式：一种是以数据流形式提供以NB-IoT/MQTT物联网套件为核心的设备接入管理服务方式，另一种是以物模型形式提供一站式设备接入管理、应用开发方式。本系统设计采用基于数据流形式的产品设计。

添加产品具体参数如图9所示。

图9 基于数据流方式添加产品

4.2 添加设备

添加产品后，需要添加设备，相关信息如图10所示。需要输入SIM卡上的IMEI和IMSI码。其中IMEI用于NBIoT模组鉴权，IMSI则为SIM卡识别码。

图10 云平台添加设备

4.3 监测设备

当NB-IoT模组初始化完毕后，在设备列表-详情标签下，可以看到模组上线与否的信息，数据点由终端节点通过NBIoT模组发送AT指令时创建。如图11所示，设备资源列表栏可观测到所创建的对象，以及上报的实例、属性等信息。

图11 资源列表

4.4 远程预警

云平台对接收的CO浓度、CO2浓度、温度或者湿度值进行分析并设置规则引擎。当检测结果超标时，可以通过短信发送给指定手机用户进行预警，也可设置消息队列进行预警。图12为系统测试配置的规则引擎示例。实际应用中需要根据健康指标科学地设置相关预警门限。

图12 设置规则引擎进行短信息预警配置示例

基于Uni-APP前端开发框架设计跨平台的监控APP，可同时发布在iOS、Android、Web（响应式）以及小程序等平台，实现一次开发，多端部署，大大缩短了开发时长。图13所示为APP设计的基本流程。

根据图13的开发流程，使用HbuilderX软件进行代码编写、编译及APP打包。图14所示为APP测试界面，可实现多用户同时监测车内环境信息。

图13 APP设计基本流程

图14 APP运行界面展示

本文设计了一种基于NB-IoT的车载环境动态监测和三级预警系统，主要包含微控制模块、感知识别模块、本地预警模块、本地显示模块、NB无线通信模块、云平台模块、手机APP模块。系统在STM32微控制器的控制下，进行车内CO、CO2和温湿度等环境信息的采集和本地显示，并通过串口向NB模块发送AT指令，将传感器采集的结果发送到OneNET云平台。同时，设计了一款跨平台APP进行多用户环境信息的动态监测。当CO、CO2或者温湿度超过预先设定的安全阈值时，进行本地声光预警，并通过云平台进行短信通知预警和APP弹窗预警。本系统基本实现了车载环境信息的动态监测和预警，后续还需要在PCB设计、低功耗管理、电池续航、数据分析、外观设计等方面做进一步优化。此外，本系统还可以搭载其他有害气体检测传感器和酒精测量传感器，进行车载环境的全面检测和安全预警。