基于NB-IoT小型智能家居系統(tǒng)的設(shè)計

梁志勛 施運(yùn)應(yīng) 阮忠

摘要：利用NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)設(shè)計了一套小型遠(yuǎn)程測控智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ARMcorte-M3超低功耗Mcu sTM32IL151作為主控芯片，結(jié)合多種傳感器、華為云服務(wù)器和執(zhí)行器構(gòu)成了具有實時遠(yuǎn)程測控功能的小型智能家居測控系統(tǒng);家居系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，通過NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)天將其發(fā)送至遠(yuǎn)程華為云服務(wù)器;通過人機(jī)交互應(yīng)用軟件端對云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的獲取和操控，實現(xiàn)了對家居環(huán)境情況的監(jiān)測和對家庭用電器設(shè)備的控制。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程實時測控、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、低功耗等特點，具有一定的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;華為云服務(wù)器;智能家居

中圖分類號：TP273DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.202001.014

0引言

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今信息社會發(fā)展的重要趨勢之一，支撐萬物相互聯(lián)接的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如：Wifi、藍(lán)牙、zig-bee、SigFox和NB-IoT等得到了快速的發(fā)展。NB-IoT（Narrow BandInternet ofThings，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的頻段，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT具備四大特點：一是廣覆蓋，將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力;二是具備支撐連接的能力，NB-IoT一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時間可長達(dá)10a;四是更低的模塊成本，企業(yè)預(yù)期的單個接連模塊不超過5美元。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波3種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。當(dāng)前，NB-IoT技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重要的發(fā)展方向之一，但NB-IoT在智能家居上的開發(fā)使用案例并不多。并且當(dāng)今在用的智能家居大部分仍然處于局域網(wǎng)階段，不能很好地滿足人們對真正意義智能家居的要求，不能很好實現(xiàn)遠(yuǎn)程的實時監(jiān)控。研究采用NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程實時環(huán)境監(jiān)測和智能設(shè)備的控制，不再局限于局域網(wǎng)，而是更大范圍的廣域網(wǎng)通信。NB-IoT技術(shù)在智能家居上的應(yīng)用使得人們的生活充滿智慧，在家居智慧設(shè)備中使用廣泛，市場發(fā)展前景可觀。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計了一個具有實時遠(yuǎn)程測控功能的小型智能家居測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)由系統(tǒng)總體框架設(shè)計、底層硬件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計和實驗測試和結(jié)果分析幾部分構(gòu)成。如圖1所示，設(shè)計開發(fā)主要包括家居系統(tǒng)、NB-IoT下位機(jī)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、華為云服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制顯示軟件5個部分組成。

如圖2所示，NB-IoT下位機(jī)系統(tǒng)主要由主控芯片sTM32L151、NB-IoT通信模塊BC95、傳感器網(wǎng)絡(luò)和各執(zhí)行器設(shè)備組成。通過各傳感器設(shè)備和執(zhí)行器設(shè)備的配合實現(xiàn)對家庭環(huán)境的檢測調(diào)節(jié)，由氣體監(jiān)測傳感器監(jiān)測家庭環(huán)境中的一氧化碳及其他有害可燃?xì)怏w，通過排氣風(fēng)扇實現(xiàn)可燃?xì)怏w泄漏自動調(diào)節(jié)和火災(zāi)聲光報警和遠(yuǎn)程報警提示等;由光照監(jiān)測傳感器、人體監(jiān)測傳感器和LED燈、窗戶控制器實現(xiàn)室內(nèi)光照強(qiáng)度的自動調(diào)節(jié)，并由雨滴監(jiān)測傳感器實現(xiàn)晴雨天氣窗戶的自動開關(guān)調(diào)節(jié);由溫濕度傳感器和排氣扇、窗戶控制器等設(shè)備對家庭中的溫濕度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。并由主控芯片將從傳感網(wǎng)中收集回來的數(shù)據(jù)通過NB-IoT通信模塊向上發(fā)送。由于本系統(tǒng)采用電信物聯(lián)網(wǎng)卡，因此通信采用的是電信2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)，而本系統(tǒng)設(shè)計需要將數(shù)據(jù)上傳至公有網(wǎng)絡(luò)的華為云服務(wù)器，所以主控芯片通過NB-IoT通信模塊向上發(fā)送的數(shù)據(jù)要經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)從電信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至公有網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器。華為云服務(wù)器端在接收到數(shù)據(jù)后在遠(yuǎn)程控制顯示軟件上顯示數(shù)據(jù)信息，遠(yuǎn)程控制顯示軟件也可以通過華為云服務(wù)器下發(fā)控制命令控制家庭中的執(zhí)行器設(shè)備。

2底層硬件設(shè)計

硬件電路由Mcu模塊（NB-IoT通信模塊）、驅(qū)動模塊、窗簾驅(qū)動電路板、窗戶開關(guān)步進(jìn)電機(jī)、環(huán)境氣體調(diào)節(jié)風(fēng)扇和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。通過各個傳感器模塊的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)對室內(nèi)外環(huán)境情況監(jiān)測并將數(shù)據(jù)收集到主控芯片內(nèi)，通過NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳轉(zhuǎn)發(fā)至華為云服務(wù)器端并通過程序設(shè)計按照監(jiān)測到的狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)顯示和命令下發(fā)，下位機(jī)控制系統(tǒng)做出相應(yīng)的動作，從而使各個模塊協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)智能家居的基本功能。圖3是智能家居系統(tǒng)硬件部分的功能運(yùn)行流程圖。其中，人體傳感器主要是對家庭中人員m入進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)燈光的智能調(diào)節(jié)和竊賊的監(jiān)測報警;溫濕度傳感器主要是對家庭中的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，液化氣體傳感器是對家庭中的可燃液化氣體等有害氣體進(jìn)行監(jiān)測，雨滴傳感器是對室外天氣情況進(jìn)行監(jiān)測實現(xiàn)對窗戶的開關(guān)控制，窗戶檢測傳感器是對窗戶的開、關(guān)和半開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測顯示，光強(qiáng)傳感器是對室內(nèi)的光照強(qiáng)度監(jiān)測，實現(xiàn)光照的自動調(diào)節(jié)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的通信主要由本地下位機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件之間的通信構(gòu)成，采用UDP協(xié)議作為通信協(xié)議。采用UDP做為運(yùn)輸層協(xié)議主要原因是區(qū)別于TCP的“三次握手”建立連接和“四次揮手”釋放連接的時延損耗，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的實時性。在應(yīng)用層采用CoAP協(xié)議與傳輸層的UDP協(xié)議配套使用更是彌補(bǔ)了UDP協(xié)議的缺陷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。數(shù)據(jù)的傳送分為數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)下發(fā)兩部分，數(shù)據(jù)上傳功能主要是本地下位機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，再由轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至華為云服務(wù)器和遠(yuǎn)程控制端;數(shù)據(jù)下發(fā)主要為遠(yuǎn)程控制端和華為云服務(wù)器將所要下發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，再由轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)下發(fā)至本地下位機(jī)系統(tǒng)中。圖4是本地下位機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件之間數(shù)據(jù)收發(fā)通信協(xié)議圖。

表1和表2為本地下位機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式定義，其中表1是上行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，表2是下行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

通過NB-IoT通信方式實現(xiàn)對普通智能家居的智能化，實現(xiàn)對家庭中的環(huán)境情況的實時遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，做到對家庭環(huán)境情況調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)程化。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件對本地下位機(jī)系統(tǒng)的實時監(jiān)測控制，采用了UDP協(xié)議作為本系統(tǒng)的通信協(xié)議，實現(xiàn)本地室內(nèi)外環(huán)境情況的實時上報、遠(yuǎn)程控制端對本地環(huán)境情況調(diào)節(jié)的實時控制。因此軟件的程序設(shè)計中主要包含與下位機(jī)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)接收、指令發(fā)送3部分軟件設(shè)計。其中與下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)鏈接組建部分包含網(wǎng)絡(luò)UPD協(xié)議編程，是此程序設(shè)計的核心。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

數(shù)據(jù)接收部分主要功能是對本地下位機(jī)中的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集，包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、室內(nèi)液化氣體監(jiān)測狀態(tài)、門口人員經(jīng)過情況、室外天氣情況等數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程命令下發(fā)部分程序主要功能是實現(xiàn)對本地用電器設(shè)備的實時遠(yuǎn)程控制，包括遠(yuǎn)程開、關(guān)燈，遠(yuǎn)程開、關(guān)窗，遠(yuǎn)程開、關(guān)排氣扇等。服務(wù)器端測控軟件界面如圖6所示。4實驗測試和結(jié)果分析

為了對系統(tǒng)通信可靠性、溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及遠(yuǎn)程控制的實時性等信息進(jìn)行驗證，在同等環(huán)境下，對智能家居測控系統(tǒng)進(jìn)行了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳下發(fā)反應(yīng)時間測量，溫、濕度檢測準(zhǔn)確性以及光照強(qiáng)度檢測準(zhǔn)確性的測試，結(jié)果如表3-表6所示。

通過表3的數(shù)據(jù)可以看得出來，智能家居測控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制反應(yīng)時間的平均值為0.98s，可以看出遠(yuǎn)程控制的響應(yīng)速度迅速，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到保證。

通過表4所測量到的數(shù)據(jù)可以得出傳感器測量到室內(nèi)環(huán)境中的平均溫度和實際測量到的平均溫度相差0.5℃，在DHT11數(shù)據(jù)手冊中給出的±2℃的偏差限度之內(nèi)。

由表5的濕度測量數(shù)據(jù)可以得出溫濕度傳感器模塊測量到的濕度平均值和現(xiàn)實測量到的濕度的平均值的差距是3.1%，在DHT11數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的±5%誤差范圍之內(nèi)。

從表6得出光照強(qiáng)度傳感器測量到的光強(qiáng)度和實際測量到的光照強(qiáng)度的平均誤差是0.2LUX，在數(shù)字光強(qiáng)度光照傳感器GY30數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計的智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了測試分析，所設(shè)計的系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)會使我們得家庭生活體驗更為舒適便捷，在任何地方都能夠隨時監(jiān)測、觀察家中的環(huán)境情況，對家中出現(xiàn)的情況進(jìn)行報告，在即將到家時可以提前打開家中的電器設(shè)備，從而減少了等待時間。而當(dāng)智能家居和NB-IoT技術(shù)結(jié)合時，更加方便快捷，可以在公司知道家中的環(huán)境情況，可遠(yuǎn)程控制家中設(shè)備的運(yùn)行情況，使得我們的智能家居體驗更好，在智能家居的發(fā)展應(yīng)用中具有十分廣闊的前景。