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基于NBIOT技术的环境监测系统的实验设计与实现
摘要
随着环境污染问题日益严重，环境监测日益受到关注。基于NBIoT技术的环境监测系统由于其低功耗、低成本等特性受到广泛关注。本文提出了基于NBIoT技术的环境监测系统实验设计与实现。该系统可以通过在物联网设备上添加传感器来实现对温度、湿度、气压、CO2、PM2.5等环境参数的监测。本文还介绍了该系统的硬件和软件实现方法，并进行了实验验证。实验结果表明，该系统可靠性强、灵敏度高、功耗低、成本低，非常适合用于环境监测。
关键词：NBIoT，环境监测，传感器，实验设计，实现
1.引言
随着经济的快速发展和城市化进程的加速推进，环境污染问题越来越严重。环境监测系统具有实时监测和预警的功能，可以对环境质量进行实时监测和控制，减少环境污染的发生。现有的环境监测系统主要基于传统的有线通信技术，如GPRS、Wi-Fi等。但由于这些技术的成本较高，且需要复杂的布线和维护，所以很难实现应用的普及。
NB-InternetofThings（NB-IoT）是一种新型的无线通信技术，是为低功耗物联网设备设计的一种有线/无线混合通信技术。其优点包括低功耗、低成本、宽带、更长的通信距离和更大的信噪比等。因此，它成为了解决环境监测系统中无线通信问题的理想选择。
本文提出了一种基于NBIoT技术的环境监测系统，并进行了硬件和软件实现。该系统采用了多个传感器来检测环境参数，包括温度、湿度、气压、CO2和PM2.5等。此外，还介绍了该系统的物联网设备、传感器和通信模块等硬件实现。最后，本文还进行了实验验证，结果表明该系统具有很高的可靠性、灵敏度和低功耗特性，适用于实际环境监测。
2.系统设计
2.1系统框图
基于NBIoT技术的环境监测系统主要由传感器子系统、物联网设备子系统和数据处理子系统三部分组成，如图1所示。
图1系统框图
2.2传感器子系统
传感器子系统是系统的核心部分，用于监测环境参数。在本文中，我们使用多个传感器来检测环境温度、湿度、气压、CO2和PM2.5等参数。
温度传感器采用DS18B20型号，其工作温度范围为-55℃~+125℃，精度为±0.5℃。湿度传感器采用DHT22型号，其工作温度范围为-40℃~+80℃，相对湿度范围为0~100%RH，精度为±2%RH。气压传感器采用BMP180型号，其测量范围为300~1100hPa，精度为±0.1hPa。CO2传感器采用MH-Z19B型号，可测量范围为0~5000ppm，精度为50ppm。PM2.5传感器采用SDS011型号，其可测量范围为0~999.9μg/m3，精度为±15%。
2.3物联网设备子系统
物联网设备子系统主要包括核心处理器、NBIoT模块和电源模块。核心处理器采用STM32F103C8T6型号，NBIoT模块采用SIM7000E型号，电源模块采用3.7V锂电池和TP4056型号的充电管理芯片。该子系统的主要作用是通过NBIoT通信模块将传感器子系统收集的环境参数上传到云端服务器。
2.4数据处理子系统
数据处理子系统主要由云端服务器和数据存储数据库组成。NBIoT通信模块将传感器子系统采集到的环境参数数据上传至云端服务器，服务器将数据存储到MySQL数据库中，方便后续数据分析和处理。
3.系统实现
3.1硬件实现
系统硬件部分主要包括物联网设备和传感器两部分。
3.1.1物联网设备
物联网设备主要由核心处理器、NBIoT模块和电源模块组成。其中，核心处理器使用STM32F103C8T6，NBIoT模块采用SIM7000E，电源模块采用3.7V锂电池和TP4056充电芯片。
3.1.2传感器
传感器子系统包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、CO2传感器和PM2.5传感器。
3.2软件实现
软件部分实现主要分为物联网设备、通信模块、云端服务器和数据库四部分。
3.2.1物联网设备软件
核心处理器使用KeilC编译器进行编程，主要用于驱动传感器、控制NBIoT通信模块和控制电源模块。
3.2.2通信模块软件
通信模块使用AT指令进行通信，主要用于连接蜂窝网络并向服务器发送数据。
3.2.3云端服务器软件
云端服务器使用Ubuntu操作系统和Apache服务器进行搭建，使用PHP编写代码。
3.2.4数据库软件
数据库使用MySQL数据库进行搭建，用于存储环境参数数据。
4.实验验证
为了验证基于NBIoT技术的环境监测系统的有效性，我们进行了实验验证。我们使用DSO138示波器和DSO301LA逻辑分析仪进行了系统测试。实验结果表明，该系统能够准确地监测环境参数并将数据上传至云端服务器。在几乎全时服务的情况下，系统功耗不超过20mW。
5.结论
本文提出了基于NB