摘 要

温度作为衡量环境的重要参量之一，能对其进行准确的测量是十分必要的。传统的温度测量中数据以有线传输为主，在传输中会存在电磁干扰，无法保证数据的准确性。随着物联网的快速发展和广泛运用，无线通信技术逐渐渗透到多个行业领域，为解决以上问题本文设计了一套精确性较高，适应性广泛且实用性强的基于NB-IoT的无人值守温感系统。

本系统主要分为三个模块：

（1）数据采集模块：温度信息的获取由数字式温度传感器 DS18B20来完成，然后通过 LoRa 无线通信模块传输到网关，以此来实现无人值守的目的。

（2）网关模块：结合数据采集情况，设计了多监测点一网关的数据传输模式，不仅便于监测点的部署，而且节省成本。本次系统网关设计采用了 LoRa技术，不仅功耗低而且传输距离也较远。

（3）NB-IoT通信模块：此次系统设计中采用了移远通信的 NB-IoT 模块 BC95，负责网关与监控中心的数据传输。

本次系统设计利用物联网构造了一套无人值守温度监测系统，具有体积小、功耗低、造价成本低、可长距离无线数据通信、可靠性高的特点，适合多种环境参数的测量，有着很好的市场应用前景。

关键词：温度传感器，物联网，LoRa通信, NB-IoT

Abstract

As one of the important parameters of measuring environment, it is necessary to measure temperature accurately. In the traditional temperature measurement, the data is mainly wired, and there will be electromagnetic interference in the transmission, which will affect the accuracy of the data. With the rapid development of Internet of things and is widely used, wireless communication technology gradually penetrated into multiple industries, in order to solve the above problem this paper designed a set of NB - IoT unattended temperature sense system, which has high precision, wide adaptability and practicability.

This system is mainly divided into three modules:

(1) Data acquisition module: the acquisition of temperature information is completed by digital temperature sensor DS18B20, and then transmitted to the gateway by LoRa wireless communication module, so as to realize unattended purpose.

(2) gateway module: in combination with data acquisition, the data transmission mode of a gateway multi-monitoring point is designed to facilitate the deployment of monitoring points and save costs. The gateway design of this system adopts LoRa technology, which has low power consumption and a long transmission distance.

(3) nb-iot communication module: the nb-iot module BC95 is adopted in this system design, responsible for data transmission of gateway and monitoring center.

This system design using the Internet to construct a set of unattended temperature monitoring system, with small size, low power consumption, long distance wireless data communication, low cost, high reliability characteristics, suitable for a variety of environmental parameters monitoring and has better market application prospect.

Key Words: Temperature sensor, Internet of things, LoRa communication, nb-iot.

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3课题主要研究内容 3

1.4 论文结构安排 3

第2章 NB-IoT和LoRa通信技术介绍 4

2.1 NB-IoT技术 4

2.2.1 NB-IoT概述 4

2.2.2 NB-IoT系统网络架构 4

2.2.3 nb-iot技术特点 5

2.1 LoRa技术 6

2.1.1 LoRa概述 6

2.1.2 LoRaWAN网络架构 6

2.1.3 LoRa技术特点 7

第3章 系统硬件设计 8

3.1 系统总体设计 8

3.1.1系统架构与工作流程 8

3.1.2 系统功能模块 8

3.2 数据采集终端 8

3.2.1 温度传感器DS18B20 9

3.2.2 微处理器STM8L151G6U6 10

3.2.3 报警模块 11

3.2.4 LoRa无线通信模块 12

3.3 数据汇聚节点的设计 14

3.4 NB-IoT通信模块 15

3.4.1 NB-IoT通信架构 15

3.4.2 NB-IoT模块设计 15

第4章 系统软件设计 19

4.1 DS18B20软件设计 19

4.2 报警模块软件设计 20

4.3 LoRa通信模块软件设计 20

4.3.1 采集端LoRa模块软件设计 20

4.3.2 汇聚节点LoRa模块软件设计 21

4.4 NB-IoT通信模块软件设计 23

第5章 总结与展望 24

5.1 总结 24

5.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 27

附录 28

第1章 绪论

1.1 课题研究目的和意义

现如今，无人值守环境监测系统的开发是社会的一个热点。随着无人值守远程监测设备在社会中的广泛应用，达到相同监测效果所需的劳动力资源将大大减少，同时社会工作效率将大大提高。从目前市场上的无人值守监测系统来看，通信方式大多还是以有线传输为主，然而这种方式不仅线路成本高，并且存在电磁干扰导致数据不准确的问题。如今随着各种新型业务的不断涌现，对监测设备及工作环境适应能力的要求也必然地升高。因此，为了降低部署成本和维护运营，以及更好地完成新业务的要求，就必须依靠现有的传感器技术和无线通信水平有效地研发出一套高效、精准、简捷、易操作的无人值守远程监测设备系统，从而在这片领域中占据更高的地位和更多的市场。

在近些年的发展中，通信与信息化技术有了巨大的进步，云计算、物联网、移动互联网、传感网等各种相关的技术也都在不断地进化和发展，同时也对各个行业的转型升级产生了重大的影响。纵观世界发展，物联网技术俨然成为了当今世界信息产业的又一次创举，企业和各个科研单位都非常看好物联网产业的前景和发展，物联网将成为当今社会的又一次机遇和挑战。物联网使用各种传感器模块对环境进行感知和测量，从而得到具体的信息数值，然后通过无线通信技术传输到特定的终端服务器，后者对数据进行必要的分析和处理，能够使人们准确、快速、有效的获知一些待测环境的实时信息，更进一步地促使智能化管理走向实践。

社会经济在飞速发展，温度监测系统已被广泛运用在人们的生活中。粮食管理和存储，农业生产，文件管理，工业生产，高科技研发实验室，各公司仓库等场合几乎都需要监测环境的温度。传统的测温措施采取了人工定期测温来监测环境温度，然而这具有很大的局限性。目前生活中大多数的温度监测系统的通信手段仍然是有线通信，这种通信方式需要架设大量的电缆和光纤，不仅成本高，而且系统可扩展性、可维护性与灵活性也比较低，在这种情况下，一旦温度传感器节点过多，存在的问题也会随之加重。因此，高效的、便捷的、性价比更高的无线通信技术逐渐获得了人们的青睐。

有了无线温度监测系统后，工作人员便可以及时了解监测点的实时温度数据信息，并在需要的时候及时地采取必要措施，这样也避免了盲目性和时间浪费，这为环境监控提高了极大的保障，有效地减少了劳动力资源的浪费，这样不仅带来了较高的经济效益，而且对于监测节点温度的监测会相对容易得多，给相关工作人员带来了极大的方便，对于需要进行温度监测的群体而言意义巨大。

1.2 国内外研究现状

无线传感器网络拥有着巨大的市场前景，世界上许多国家的军事机构、学术界以及工业界都将其视为一项能改变世界的技术并投入大量的资源进行研究。在得到了美国自然科学基金委员会的支持后，多所高等学府对无线传感器网络的关键技术和基础理论做了大量研究。国与国之间的竞争中，诸如情报的获取、信息的综合利用等能力是不可或缺的，因此各国的军事机构都非常关注无线传感器网络，尤其是美国还特地为此设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国如 Intel，TI等许多大型公司，也通过高校合作这一方式进入到了无线传感器网络的研究范畴，目前也已经获得了许多重要的科研成果。

中国在无线传感器网络方面的研究工作也正热火朝天地进行着，不仅国家自然基金开设了相关课题，国家级重大专项基金也为其设项，并着手成立微系统研究机构，这将在很大程度上推进无线传感器网络在中国的发展。与此同时国内很多多的大型公司也将注意力移向了无线传感器网络，提出了很多相关的解决方案。目前，世界各国主要正在研究无线传感器网络节点的低功耗硬件设计和通信协议、拓扑控制、定位技术等。

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