NB-IoT无线通信技术和磁控原理在智能门磁系统中的应用

NB-IoT无线通信技术和磁控原理在智能门磁系统中的应用

王昱程1,,孙建梅1,樊晓勇1

大连科技学院，信息科学与技术学院，辽宁大连，116052

项目信息：

（1）2023年度辽宁省大学生创新创业训练计划项目成果，项目名称：智能防疫安全门磁系统的设计与实现。

（2）2022 年大连科技学院高等教育教学改革研究项目成果，项目名称：基于物联网的学生课堂环境的建设研究与实践（XJG202225）

作者简介：王昱程（2001.11），男，汉族，辽宁省大连市，大连科技学院学生。研究方向：物联网系统开发。

摘要：在当代疫情环境下，疫情防控是当今社会最重要的一环。  本文介绍了基于NB-IOT无线通信技术和磁控管原理的智能门磁系统的设计与实现。介绍了NB-IOT无线通信技术与磁控管原理的结合，讨论了系统结构，并解释了基于该系统的MCU控制板，描述了硬件设计方法和软件设计过程。 该系统以低成本实现了对隔离疫人员的远程监管，为当前疫情管理提供了便利。

关键词：疫情防护、门传感器、MCU磁控管原理

1、系统介绍

本文介绍了一种无线通信技术NB-IOT、物联网传感技术和BL110连接一台WS服务器开发了一种低成本、低功耗的智能防疫门传感器系统。

该系统的目的是实现疫情下的智能化管理，可以完善疫情感染的纪律，减少人力资源和财力的投入。智能门传感器系统更方便监控被隔离人员出入境，减少与他人接触造成的持续感染，为当前疫情环境提供安全保障。

本系统的架构由无线传输模块和磁块两部分组成，无线传输模块中当磁铁与磁簧开关之间的距离保持在1.5厘米以内时，钢弹簧开关处于打开状态， 一旦磁铁与磁簧开关的间隔距离超过1.5厘米，磁簧开关就会闭合，导致短路，报警指示灯亮起的同时向主机发送报警信号。

图 1 系统架构图

系统记录被隔离人员的工作和休息情况、体温、 核酸结果，实时监测外部人员接触情况、室内温度、湿度，以便管理人员做出相应的调整或提醒被隔离人员做出更方便快捷的调整。可轻松记录注册人员的隔离信息、人员发送材料信息、医务人员信息等，甚至可以将当前区域隔离情况或疫情发送到所有管理人员的手机上，以便实时关注情况并做出相应措施。

2、关键技术介绍

2.1 NB-物联网技术

窄带物联网（NB-IoT）已成为万物互联的一个重要分支。NB-IoT基于蜂窝网络构建，仅消耗约180kHz带宽，可直接部署在GSM网络、UMTS网络或LTE网络中，降低部署成本，实现平滑升级。NB-IoT是目前现社会的一项新兴技术，支持LPWAN进行蜂窝数据连接。它支持待机时间长、网络连接要求高的设备高效连接。据说NB-IoT设备的电池寿命至少可以提高10年，同时仍然提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖范围 。

2.2智能网关 BL110

该系统无线传感器网络是由独立分布的节点和网关组成。放置在不同位置的传感器节点，例如温度、声音、振动等，独立节点通过无线网络相互通信。每个节点都可以简单地收集、处理数据，从其他节点接收数据，最后将数据发送到网关。

2.3传感器

本系统中涉及的传感器有：红外温度传感器、MEMS 气体传感器、ROHM 光学传感器、热湿度传感器和距离传感器。

4、硬件设计

系统的硬件设计包括传感器设计、MCU开发板设计和NB-IOT无线通信模块。

传感器为SMTIR9901/02/02sil热电堆基硅基红外传感器。由于红外辐射特定于温度，因此可以使用不同的滤光片来测量不同的温度范围。MEMS气体传感器，由金属氧化物半导体或导电聚合物组成，更加小型化和集成化，应用场景广泛；ROHM光学传感器自动调节显示器背光的亮度，以降低产品的功耗;标准modbus协议，支持二次开发;测距传感器，它有一对红外信号发射和接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收该频率的红外信号。

系统采用Esp8266直接连接WiFi和多样化的开发环境。NB-IOT无线通信模块使用移远BC28模块，这是一种支持NB-IoT通信标准的窄带蜂窝物联网通信模块。BC28 专为低速、低功耗、长距离、大规模连接的物联网应用而设计。

5、软件设计

5.1网关的通用软件设计

 Gateway的开发过程是如以下流程 。

（1）加载引导程序和请求路由：BootLoader 是硬件通电时程序的第一部分。其次Uboot 在系统中用作引导加载程序。

（2）嵌入式操作系统：嵌入式Linux移植到这个系统是因为它的优点是：开源，稳定性好，可移植性好，网络功能强大。 

（3）移植嵌入式Web服务器- GoAhead：GoAhead的软件包包括各种操作系统和安装程序。HTML文件存储在Web目录中，CGI可执行文件存储在  cgi-bin目录中。main.c文件是现如今操作系统都会有的，它是入口程序、具有初始化服务器、监控服务、设置相关接口作用。

（4）API 聚合：网关将多个单独的请求聚合为单个请求。客户端和后端之间的频繁通信会对应用程序的性能和规模产生非常不利的影响

，可以让网关为客户端请求多个后端服务，然后将后端服务的响应结果组合回客户端。

（5）API编排：即为服务编排，或叫数据聚合，它可以通过一个请求来调用多个微服务，并对每个服务的返回结果做数据处理，最终整合成一个大的结果返回给前端。

5.2 协调器软件设计

初始化 CC2530F256 和协议栈; ZigBee网络由温度节点和光强节点构建;监控ZigBee无线信号等。如某些路由器或终端节点加入网络，协调器会将网络地址分发给它们; 从终端接收数据，并通过串口将数据 传输到网关;从网关接收控制数据进行分析和重组，发送到ZigBee端控制节点，协调器工作流程如图2所示。

图2协调器软件流程图

5.3 WS云服务器设计

该系统使用智能网关BL110连接AWS云服务器，分为N个子节点，连接到主服务器，服务器有自己的数据空间来存储所有数据。AWS近年来发展迅速，其内部使用计算、存储、数据库等都取得了长足的进步，在存储方面，S3拥有单个用户5TB的巨大存储容量，并支持静态网站，使用Glacier价格便宜，存储文档和备份文件的安全性高;在计算方面，  E C2 和  E LB 分别提供虚拟机和负载均衡器，ELB 可以与 EC2 无缝使用，虚拟机支持 Windows 和 Linux 多个版本，非常实用;数据库采用DynamoDB，性能高，容错能力强，支持分发，高度由Cloud  Watch、EMR  等其他云服务组成。

6 结论

本文结合了低成本、低功耗的无线NB-IOT技术、磁控管原理和嵌入式Web服务器GoAhead，以及 Zigbee技术和NB-IOT技术相结合，应用于智能防疫门传感器系统。实践证明，窄带宽技术在智能系统中的应用具有一定的可行性，具有较高的可靠性和良好的稳定性。 具有低功耗、高可靠性、稳定性好、节能等优点，将应用于防疫领域，发展前景广阔。

参考文献

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[3]李洪兵,罗洋,张颖,王雨凝,欧俊,崔浩.基于模糊PID控制的NB-IoT果蔬农业物联网系统设计与试验[J].中国农机化学报,2023,44(01):162-171.