基于NB-IoT的智能家居控制系統(tǒng)的研究*

胡文雅 程 莉 黃東棟 曾 宇

（1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院 武漢 430205）

（2.武漢易思達(dá)科技有限公司 武漢 430205）

1 引言

早前人們對(duì)家居環(huán)境及系統(tǒng)的管控都是通過自身感知來作出相應(yīng)的判斷與處理，但人為感知并不能及時(shí)準(zhǔn)確地創(chuàng)造安全舒適的家居環(huán)境。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與成熟，人們生活水平的提高，智能家居設(shè)備受到人們的廣泛關(guān)注，家庭生活中的舒適、安全與方便逐漸成為當(dāng)下的熱點(diǎn)。目前，覆蓋窄、功耗大、成本高、連接小等問題是制約智能家居發(fā)展的重要因素。

因此，研究一款覆蓋廣、功耗小、成本低、連接大的智能家居控制系統(tǒng)變得非常必要。2018年山東科技大學(xué)設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，通過ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)采集傳感器數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)匯聚至網(wǎng)關(guān)，再通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器［17］；2017年安徽理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一款基于STM32的家庭智能家居設(shè)計(jì)，采用2.4GHz射頻通信和GPRS移動(dòng)通信來完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［18］。以上研究雖然較最初的家居設(shè)備監(jiān)測(cè)完善且方便，但是在功耗、成本、連接和覆蓋上仍然存在不足。

本文從智能家居實(shí)際需求出發(fā)，采用NB-IoT模塊和云服務(wù)器設(shè)計(jì)出了一套從底層硬件到上層云平臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，很好地解決了上述問題，具有很高的應(yīng)用價(jià)值［5，12］。

2 NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢(shì)與原理

NB-IoT是一個(gè)空中接口標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要是在終端與基站eNB之間的約定，與LTE空口標(biāo)準(zhǔn)有許多相似之處。NB-IoT的多址技術(shù)，上行采用SC-FDMA，發(fā)射功率為43dBm，下行采用OFDM，發(fā)射功率為23dBm，調(diào)制方式以QPSK和BPSK為主。

NB-IoT相較于其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的比較如表1所示，通過對(duì)比它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有：1）超強(qiáng)覆蓋，相對(duì)于原來的GPRS系統(tǒng)，增加20dB信號(hào)增益，通過重復(fù)發(fā)送，獲得時(shí)間分級(jí)增益，并采用低階調(diào)制方式，提高解調(diào)性能，增強(qiáng)覆蓋；2）超低功耗，NB-IoT引入了eDRX省電技術(shù)和PSM省電模式。在PSM模式下，NB-IoT終端仍舊注冊(cè)在網(wǎng)，但不接受信令，從而使終端更長時(shí)間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的，另外eDRX省電技術(shù)延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少信號(hào)接收單元不必要的啟動(dòng)，使終端睡眠質(zhì)量更好，從而功耗更低；3）超低成本，5美元模組成本，簡(jiǎn)化射頻硬件降低協(xié)議成本，基帶復(fù)雜度小；4）超大連接，200kHz小區(qū)容量可達(dá)100K用戶設(shè)備，NB-IoT因?yàn)榛谡瓗?，上行傳輸有兩種帶寬3.75kHz和15kHz可供選擇，帶寬越小，上行調(diào)度顆粒小很多，在同樣資源利用情況下，資源的利用率會(huì)更高［8，10］。

表1 NB-IoT相較于其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的比較

3 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從技術(shù)架構(gòu)和功能角度來看，基于NB-IOT的智能家居控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)如圖1所示，自底向上分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層［1］。

圖1 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖

感知層包括各家居傳感器和控制器裝置，用以采集家居環(huán)境的溫濕度，光照度以及煙霧情況，當(dāng)家居環(huán)境超過傳感器設(shè)置的閾值的時(shí)候，控制器將作出相應(yīng)的而響應(yīng)。

傳輸層基于標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信接口&協(xié)議，采用先進(jìn)的NB-IoT無線通信技術(shù)，授權(quán)無線頻譜資源以及電信級(jí)端到端的安全技術(shù)，以保障數(shù)據(jù)接入安全，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)層擁有豐富的協(xié)議適配能力，支持海量多樣化終端設(shè)備接入，基于統(tǒng)一規(guī)約和接口，實(shí)現(xiàn)不同類型終端設(shè)備的統(tǒng)一接入和管理，以確?；ヂ?lián)互通。

應(yīng)用層是在服務(wù)器上運(yùn)行的家居設(shè)備管理平臺(tái)，管理員可以在PC終端通過Internet經(jīng)身份驗(yàn)證后進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和控制，還可在手機(jī)或平板上安裝APP，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的信息監(jiān)測(cè)與管理操控［6］。

4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采用STM32F103RCT6芯片作為核心處理器，該信號(hào)芯片引腳數(shù)為64，芯體尺寸是32位，速度是72MHz，F(xiàn)LASH容量為256KB，SRAM容量為48KB，具有5路串口、7個(gè)定時(shí)器、7路通用DMA、48個(gè)通用IO口［9，11］，功能包括：1）接收傳感器采集的環(huán)境信息，并將處理后的信息發(fā)送給NB-IoT模塊，然后上傳到云平臺(tái)；2）接收從云平臺(tái)通過NB-IoT模塊轉(zhuǎn)發(fā)的家居設(shè)備控制命令并下發(fā)給相應(yīng)的控制器。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

NB-IoT模塊采用BC95作為射頻模組與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，BC95模塊其尺寸僅為19.9*23.6*2.2mm，能滿足終端設(shè)備對(duì)小尺寸模塊的需求，采用易于焊接的LCC封裝，同時(shí)在設(shè)計(jì)上兼容GSM/GPRS系列的M35模塊，方便對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速、靈活的設(shè)計(jì)和升級(jí)［7］，通過850MHz射頻天線將家居設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)直接上傳到云平臺(tái)，接收云平臺(tái)家具設(shè)備的控制命令下發(fā)給控制器，控制器作出相應(yīng)響應(yīng)［2］。

STM32通過IO控制，設(shè)計(jì)有友好的人機(jī)交互界面，用戶在液晶觸摸屏上根據(jù)提示能夠完成相應(yīng)的操作與設(shè)置；另外STM32通過串口通信連接GPS定位器，經(jīng)過STM32進(jìn)行優(yōu)化處理后，系統(tǒng)所在位置經(jīng)緯度在液晶觸摸屏和PC終端顯示屏上顯示。

4.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

NB-IOT模塊由BC95模塊、濾波器天線電路、SIM插座、復(fù)位電路和網(wǎng)絡(luò)指示燈組成。BC95模塊硬件電路如圖3所示。其中15號(hào)引腳為模塊復(fù)位信號(hào)，外接一個(gè)1kΩ的上拉電阻，防止線路較長時(shí)，產(chǎn)生寄生電容，影響穩(wěn)定性；53號(hào)引腳為射頻天線引腳，外接SMA連接器電路；18號(hào)引腳為網(wǎng)絡(luò)指示燈指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；38號(hào)引腳為SIM卡供電電源，39號(hào)引腳為SIM卡復(fù)位信號(hào)，40號(hào)引腳為SIM卡數(shù)據(jù)信號(hào)，41號(hào)引腳為SIM卡時(shí)鐘信號(hào)。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試，NB-IoT模塊電路是行之有效的，很具有參考價(jià)值。

家居環(huán)境狀態(tài)信息的采集與響應(yīng)還需要溫濕度傳感器、光照度傳感器、煙霧傳感器以及繼電器、蜂鳴器等控制器，還有實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的液晶顯示器。這些外接的GPS定位器、傳感器、控制器以及顯示器的電路分別如圖4～10所示。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試，外接各傳感器電路圖經(jīng)測(cè)試也都是行的通的。

圖3 BC95模塊硬件電路圖

圖4 GPS電路圖

圖6 煙霧傳感器電路圖

圖7 照度傳感器電路圖

圖8 蜂鳴器電路圖

圖9 繼電器電路圖

圖10 液晶觸摸屏電路圖

5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括核心處理器STM32接口程序設(shè)計(jì)和服務(wù)程序設(shè)計(jì)兩部分。STM32接口程序設(shè)計(jì)主要包括傳感器信息采集，控制器IO控制，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和與NB-IoT模塊進(jìn)行串口通信程序設(shè)計(jì)，主要完成終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)順利傳送到云服務(wù)器。服務(wù)程序設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)頁設(shè)計(jì)，http服務(wù)器搭建，數(shù)據(jù)庫建立，UDP通信控制腳本設(shè)計(jì)，主要完成把傳感器采集的信息寫入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)分析，如果超過監(jiān)控閾值則下發(fā)控制信息，STM32收到控制消息進(jìn)行通風(fēng)報(bào)警等操作［15～16］。

5.1 核心處理器STM 32接口程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，插入SIM卡使NB-IoT模塊入網(wǎng)，GPS定位開啟通過UDP通信將位置信息上報(bào)給服務(wù)器，IIC總線采集溫濕度的值，ADC采集光照度和煙霧值都通過UDP通信將數(shù)據(jù)信息上報(bào)給服務(wù)器，NB-IoT模塊收到來自服務(wù)器下發(fā)的控制信息，在液晶觸摸屏上顯示友好的人機(jī)交互界面，用戶可直接進(jìn)行操作。接口主程序流程圖如圖11所示。

5.2 服務(wù)程序設(shè)計(jì)

服務(wù)程序設(shè)計(jì)主要完成傳感器信息的讀寫，傳感器信息在網(wǎng)頁上的顯示以及控制信息的下發(fā)。開啟UDP服務(wù)器監(jiān)聽的所有端口，將相應(yīng)端口的傳感器信息寫入數(shù)據(jù)庫并在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示，比較傳感器信息和設(shè)置的閾值信息，寫控制信息到數(shù)據(jù)庫并下發(fā)控制命令，控制傳感器接收到命令信息后進(jìn)行相應(yīng)的跳電和報(bào)警響應(yīng)。服務(wù)程序設(shè)計(jì)的主流程圖和網(wǎng)頁主流程圖如圖12和13所示。

圖11 接口程序主流程圖

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在PC終端通過Internet經(jīng)身份驗(yàn)證后登錄網(wǎng)頁監(jiān)控界面，如圖14所示，點(diǎn)擊“閾值設(shè)置”，設(shè)置傳感器的最大最小閾值。如表2所示。

圖14 網(wǎng)頁監(jiān)控界面

表2 傳感器閾值設(shè)置

系統(tǒng)硬件如圖15所示，上電后LED指示燈亮，按照液晶顯示屏提示撥動(dòng)撥碼開關(guān)，各傳感器進(jìn)入工作檢測(cè)狀態(tài)。在PC終端監(jiān)控界面點(diǎn)擊“傳感監(jiān)控”，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度、照度、煙霧度以及所在測(cè)試位置的經(jīng)緯度，并將傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示出來。系統(tǒng)通過所設(shè)定的閾值判斷環(huán)境是否有“異?！鼻闆r，若有不在閾值范圍的數(shù)據(jù)系統(tǒng)直接下發(fā)控制信息，控制器作出相應(yīng)響應(yīng)，在PC終端界面能看到當(dāng)前控制器的狀態(tài)。

圖15 硬件系統(tǒng)

完成與云平臺(tái)的對(duì)接后，可以對(duì)傳感器上傳數(shù)據(jù)和下發(fā)控制指令進(jìn)行測(cè)試［3～4］。在不同環(huán)境下系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

通過測(cè)試數(shù)據(jù)可知：家居環(huán)境適宜時(shí)，各傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)均在閾值范圍內(nèi)，控制器沒有響應(yīng)；陰雨天環(huán)境濕度過高超出閾值蜂鳴器發(fā)出報(bào)警響應(yīng)提醒用戶收衣服，關(guān)窗戶等；正午大太陽天環(huán)境下光照度超出閾值蜂鳴器發(fā)出報(bào)警響應(yīng)提醒用戶適當(dāng)關(guān)窗簾營造良好的家居環(huán)境；用人造煙霧測(cè)試系統(tǒng)煙霧報(bào)警可靠性，當(dāng)煙霧值超標(biāo)時(shí)繼電器跳系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警響應(yīng)提醒用戶斷電并檢查是否有火災(zāi)隱情，及時(shí)減小或避免不必要的傷害或損失。

通過測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)以及提醒用戶對(duì)家居環(huán)境的控制，為家居環(huán)境營造安全、舒適的氛圍。同時(shí)數(shù)據(jù)上傳和指令下發(fā)傳輸時(shí)間都小余2s，相較于基于ZigBee技術(shù)和GPRS移動(dòng)通信技術(shù)，其響應(yīng)速度大大提高，基本滿足對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)控制要求。

7 結(jié)語

本文提出了一套從底層硬件到上層云平臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，基于NB-IoT的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，很好地解決了當(dāng)前智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的覆蓋窄、功耗大、成本高、連接小的問題。通過瀏覽器訪問服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了家居環(huán)境溫濕度，光照度以及煙霧情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。用戶可以通過不同的終端，方便快捷地對(duì)整個(gè)家居系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及家居環(huán)境信息的集中管理，體現(xiàn)了智能家居舒適、方便、安全、節(jié)能的生活方式。

同時(shí)本系統(tǒng)也存在一些不足，系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)超過閾值的情況做出了跳電報(bào)警響應(yīng)，窗戶、窗簾，風(fēng)扇，空調(diào)等家具設(shè)備還是需人為地去開關(guān)。未來希望在此NB-IoT智能家居控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，連接電動(dòng)窗簾遠(yuǎn)程開關(guān)控制器，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器，空調(diào)調(diào)節(jié)控制器等，通過“一鍵操作”，真正實(shí)現(xiàn)管控所有家居設(shè)備的狀態(tài)。