基于 NB-IoT的智能安全报警系统设计

姜玉叶

烟台江联智能科技有限公司 山东烟台 264000

摘要：本文以STM32F103R8超低功耗芯片为主控制器，利用NB-IOT无需重新建网的优点，设计了采用透传云将警报数据上传云端同时发送到用户端，实现与监测终端的数据实时通信交互的新型智能安全报警监控系统。

关键词：NB-IOT；报警系统；智能

1基于NB-IOT的智能报警系统总体设计方案

基于NB-IOT的智能报警系统应用传感器技术、无线通信技术及云计算技术实现了适用于商家店铺及家环境的实时防盗报警系统，其由终端数据监测系统、NB-IOT通信模块、透传云服务器和远程监控中心四部分组成。以商家店铺应用的系统为例：终端数据监测系统通过GPIO端口采集人体红外传感器数据，根据传感器数据判断有无报警，并将报警信息按照自定义的通信协议通过串口发送到NB-IOT模块，NB-IOT模块与附近的NB通信基站通信，将数据打包通过UDP协议发送到透传云服务器，管理人员可以在云管理平台上查看有商家店铺的地址及状态，透传云服务器还可以将数据通过TCP协议发送给远程监控中心^[1]，从而实现与监测终端的数据通信交互的新型智能报警监控系统。基于NB-IOT的智能报警系统示意图如图１示。

图１基于NB-IOT的智能报警系统示意图

2系统硬件设计

终端数据监测系统的硬件设备包括微控制器、报警模块装置、HC-SR501人体红外传感器、布防撤防开关、NB-IOT通信模块、电源控制芯片。系统采用stm32F103R8增强型系列的ＡＲＭ核３２位微控制器，此处理器拥有64kBFlash、定时器、A/D等多种片内外设。采用开关电源TPS62120双路供电设计为微控制器供电，另外用开关电源芯片TPS82150为USR－NB75模块和人体红外传感器供电[2]。

2.1NB-IOT通信模组

NB-IOT是符合3GPP标准的低速率业务市场的新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。NB-IOT具有待机时间长、可实现对网络连接要求较高设备的高效连接、拥有非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖等特点。本系统采用的NB-IOT通信模块是上海稳恒科技的WH-USR-NB75，该模块支持电信、移动和联通三大运营商的NB-IOT网络通信标准，其工作模式包括网络透传模式、CoAP模式和UDC模式。

本设计采用NB-IOT模块的网络透传工作模式，登录透传云服务器，将NB-IOT设备的ID号绑定到透传云服务器，透传云服务器根据ID号进行数据的接收与发送工作。NB-IOT模块采用AT指令发送数据。

监控中心通过NB-IOT厂商提供的动态链接库连接透传云服务器，并将数据发送到透传云服务器，透传云服务器收到监控中心的数据后，发送“＋NNMI”给相应的NB-IOT设备，stm32通过串口接收到数据后通过NB-IOT模块发送“AT+NMGR”数据给透传云服务器，透传云服务器会将缓存中的有数据发送给相应的NB-IOT模块。

2.2HC-SR501人体红外传感器

任何发热体都产生红外线，温度越高辐射能量越大，最强红外线波长λｍ与温度Ｔ的关系为：

λｍ·Ｔ＝2989μｍ·Ｋ．（１）

人体正常温度为36℃～37℃，其辐射最强的红

外波长为9.7μｍ～9.64μｍ，恰好落在HC-SR501传感器滤光窗的响应波长中心，阻止灯光、阳光等可见光的红外线通过，有效地采集到人体辐射的红外线，增强了信号采集的准确性。

３系统软件设计

本系统的软件主要包括终端数据监测软件、透传云服务器软件和远程监控中心软件三部分。终端数据监测软件使用Ｃ语言进行开发。透传云服务器软件是借助第三方Web平台，无需再次开发。远程监控中心软件使用面向对象的高级编程语言C＃．NET开发。系统软件功能框图如图５示。

3.1终端数据监测系统的软件设计

终端系统采用“中断”的报警机制，系统平常处于休眠状态，当红外传感器检测到有人时会将相应的GPIO引脚由低电平拉至高电平，由此产生外部中断，中断将系统唤醒，并根据“布防撤防”的状态发送相应的报警信息，报警信息会被封装成自定义的通信协议，并通过NB-IOT模块发送到透传云服务器。用户可通过控制某个GPIO引脚的高低电平状态实现“布防”和“撤防”状态的切换，如果“布防”状态下检测到有人闯入，终端设备会控制现场的报警器或探照灯等设备工作，达到现场报警的效果。

3.2数据通信

NB-IOT接收到stm32串口数据，通过UDP协议直接上传给透传云服务器。使用NB-IOT前，首先对NB-IOT进行参数配置和功能测试。通过配置软件将NB-IOT设置为CMD工作模式，并设置透传云的IP地址和端口号。NB-IOT在上电后30s后发送“AT+NMGS=4,03010101”，配置软件收到“OK”说明NB-IOT可以正常通信。通信双方进行数据交互首先要有通信协议，本设计采用自定义的通信协议，通信协议格式定义为“＄７７,ID,Flag＊[1]”，每个字段的含义见表１。当接收到数据“Flag”为“01”时，说明有非法人员闯入；“Flag”为“00”时，说明是用户本人触发，报警解除。

3.3移动客户端的设计

移动客户端采用标准的ＭＶＣ框架结构，根据商铺的属性和商铺用户的个人信息建立其模型，将移动客户端设计的各个界面作为视图结构，便于用户从模型中获取商铺状态加载到视图，模型的状态也会及时更新。商家用户在注册个人账号完成后，即可将自己店铺使用的NB-IOT设备绑定到该账号下，用户可以随时查看商家店铺的状态，实现客户端远程设置及应用。

3.4远程监控中心软件设计

远程监控中心通过NB-IOT透传云提供的应用程序接口登录透传云，透传云将NB模块发送的数据转发给中心软件，中心软件根据自定义的通信协议解析数据，并将数据显示到人机交互界面。同时，将报警数据存储到本地的文本文件，管理人员通过日历控件查询相关店铺当天的报警信息。当有报警时中心软件通过第三方短信管理平台提供的应用程序接口将报警信息发送到相关人员的手机上。

5总结

综上，上述智能安全报警系统在设计功耗、工作效率、数据采集、实时性、成本等各方面都优于传统安全报警系统，且实地测试数据可靠并能实现通信数据的交互，符合实监测标准，是一个值得广商用的技术设计。

参考文献

[1]姚美菱,张星,孙青华,杨延广,李明.基于NB-IoT的智能火灾探测报警系统研究[J].电信快报,2020(04):23-26.

[2]何煌城, 周海芳, 章杰, 等. 基于NB-IoT的智能烟雾报警系统设计[J]. 电气开关, 2019(3):55-61.