基于NB-IoT的空調(diào)遠程智能控制系統(tǒng)設計

葛建新

（河源職業(yè)技術學院，廣東 河源 517000）

0 前言

2019年以來，我國不斷加快優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)連接環(huán)境，推動IPv6、NB-IoT、5G等網(wǎng)絡建設，從而使得物聯(lián)網(wǎng)步入了實質(zhì)性的快速發(fā)展階段。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)領域一個新興的技術，位于物聯(lián)網(wǎng)技術架構(gòu)體系的網(wǎng)絡層，具有低功耗、低成本、廣覆蓋、安全性更強、連接更穩(wěn)定等優(yōu)勢特點，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應用的新興技術?；诜涓C的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）技術,在同一基站的情況下，相比現(xiàn)有無線技術能提供50～100倍的接入數(shù)，能實現(xiàn)比GSM高20db的覆蓋增益，可以保證數(shù)據(jù)成功回收率達99%，可靠性大大提高,將該技術運用于空調(diào)遠程智能控制系統(tǒng)設計具有一定創(chuàng)新性。同時，該系統(tǒng)具有低成本、低耗能、覆蓋廣、性能強等特點[1]。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架及原理

本系統(tǒng)主要依托智能終端、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）云平臺、移動端APP 三部分組成，智能終端負責采集空調(diào)數(shù)據(jù)和控制空調(diào)狀態(tài)；物聯(lián)網(wǎng)云平臺是數(shù)據(jù)管理中心，負責數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，可以接收智能終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)控制指令給智能終端，并隨時響應移動客戶端的請求，實現(xiàn)云平臺和移動客戶端的雙向通信；移動客戶端可以實時查看空調(diào)相關數(shù)據(jù)，也可以通過云平臺發(fā)送指令給智能終端。其中智能終端是系統(tǒng)的核心[2]，系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 設計與實現(xiàn)

2.1 元器件選取

2.1.1 主控制器

采用STM32F103RCT6 單片機做為主控制器。STM32F103RCT6支持工作頻率72MHz，64k的內(nèi)部FLASH，是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核屬于STM32系列的32位的微控制器，處理速度足夠快，有功能強大，價格低，性價比高，開發(fā)資料豐富的優(yōu)點。

2.1.2 NB-IoT模塊

采用移遠公司的BC20模塊，BC20是一款高性能、低功耗、多頻段、支持GNSS定位功能的無線通信模塊，另外BC20支持北斗、GPS、QZSS等多星座衛(wèi)星解調(diào)算法，支持TCP/IP協(xié)議，其定位更加精準。成本稍微中等，功能齊全。

2.1.3 顯示模塊

采用OLED 1.3寸屏幕，特點使用OLED 1.3寸屏幕無需背光，顯示單元能自發(fā)光，分辨率高清晰，模塊體積?。ū纫辉矌派源螅?，可視角度大，采用SPI通訊，支持眾多控制芯片，功耗低，亮度高，電壓支持3-5V，I/O口占用少等。

2.1.4 繼電器

采用電磁繼電器。有輸入和輸出是隔離的。驅(qū)動簡單，隔離性強，無漏電流，發(fā)熱性小不需要散熱片，價格便宜，多組觸點，可使項目成本降低等優(yōu)點。缺點：噪音大，靈敏度稍差通斷時間比固態(tài)繼電器稍長，在大電壓的情況下通斷瞬間容易產(chǎn)生電弧[3]。

2.1.5 電量測量

采用ATT7053AU單相電能計量芯片。ATT7053AU采用3.3v供電，可同時測量兩通道的有功功率、無功功率，支持有功、無功、視在功率和電能脈沖輸出，能夠同時得到三通道的有效值，及電壓頻率，電壓電流相位，支持斷相防竊電，片內(nèi)溫度傳感器。使用電能計量芯片對功率計算，電源檢測都較為精準，對計算要求稍微偏低。

2.2 硬件設計

2.2.1 單片機最小系統(tǒng)

本項目采用STM32F103RCT6單片機來做主控芯片，有雙晶振（8M與32.768khz），還有簡單的上電自動復位電路，和兩個按鍵一起組成了單片機的最小系統(tǒng)，原理圖如圖2。

圖2 單片機最小系統(tǒng)圖

2.2.2 紅外發(fā)射與接收

紅外發(fā)射：發(fā)送端將會采用單片機的定時中斷功能，由單片機中的定時器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖，即是通過定時器產(chǎn)生中斷，從而輸出一個與原先相反的信號使得單片機輸出端能產(chǎn)生一個周期為接收端需要的周期為38kHz～40kHz的方波。

紅外接收：在本系統(tǒng)中選用的是一款結(jié)構(gòu)較為簡單的紅外接收器，紅外遙控接收頭HS0038。我們應該先對波形進行解調(diào)，然后再對解調(diào)后的波形進行測量，將HS0038解調(diào)出的遙控編碼脈沖直接連入所使用單片機中的對應引腳。[4]紅外發(fā)射與接收圖原理圖如圖3。

圖3 紅外發(fā)射與接收電路

2.2.3 語音模塊

本系統(tǒng)創(chuàng)新點是具有語音識別功能，能識別人的話從而進行語音切換各功能，實現(xiàn)語音交互的目的。

2.2.4 OLED顯示電路

采用OLED1.3寸屏幕，默認顯示時間、日期、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)。在配合按鍵的情況，用戶可以查詢電量，設計時間等。

2.2.5 EEPROM存儲器

使用EEPROM作用是為儲存單片機從電量測量出數(shù)據(jù)之后進行儲存，在某一時刻瞬間掉電之后可以對單片機測量電量的數(shù)據(jù)進行保存，再次開啟電源之后又能重新讀取原來的電量值，使數(shù)據(jù)不丟失。

2.2.6 溫濕度模塊

本系統(tǒng)采用的是一塊3.3v供電的溫濕度模塊，使用方便，為了測量周圍的溫度、濕度情況等。

2.2.7 NB-IoT無線通信模塊NB-IoT模塊由BC20模塊、SIM插卡座子、濾波天線電路、北斗與GPS座子、復位電路和網(wǎng)絡指示燈組成。NB-IoT模塊所實現(xiàn)的功能是通過UART接收主控制器的數(shù)據(jù)并上傳到云平臺；接收云平臺傳輸?shù)目照{(diào)控制命令并通過UART下發(fā)給主控制器。

2.2.8 電源

系統(tǒng)5v電源是采用了一個220v轉(zhuǎn)5v模塊，再利用了一個降壓芯片（AMS1117-3.3）從5v降至3.3v為系統(tǒng)中的各個模塊提供穩(wěn)定的電源電壓。

2.2.9 電量測量電路

電路的核心主采用了單相電能計量ATT7053AU芯片電路，能夠測量交流電壓大小，電流的大小，有功功率，無功功率，瓦數(shù)等等。電路有兩個濾波電容為芯片提供穩(wěn)定電壓。ATT7053AU采用了雙端差分信號輸入的方式采集電壓，電流的信號數(shù)據(jù)，正常工作時最大輸入電壓為±800mv，在有效值為200mv的情況下有較好的精確度和線性度[5]。

2.2.10 空調(diào)電源控制電路

空調(diào)電源控制部分使用了一個繼電器來做空調(diào)的總開關，在利用三極管電流放大的特性驅(qū)動繼電器來從而形成了一個類似開關的作用。

2.3 設計流程

本系統(tǒng)的程序主流程圖如圖4。

圖4 程序流程框圖

3 測試部分

3.1 測試方案

先給5v電源單獨給主控制電路部分，做一些簡單的調(diào)試，對這些主控電路中的各個模塊之間測量，確認每個模塊能否正常工作；之后再進行下一步的調(diào)試，我們可以使用幾種實物對象，如燈泡，烙鐵，空調(diào)等。均可做被檢測對象；最后將全部的功能結(jié)合起來。

3.2 測試設備

220v交流電源，萬用表，鉗表，手機，電腦，燈泡，烙鐵，空調(diào)。

3.3 電量測試

表1 電量測試數(shù)據(jù)

3.4 結(jié)果分析

硬件需要大量的調(diào)試與測試，找到最適合運動狀態(tài)的硬件。通過測試與調(diào)試得到了與項目吻合的狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文給出基于NB-IoT的空調(diào)遠程智能控制系統(tǒng)設計方案。實現(xiàn)空調(diào)遠程集中管理，管理者可以遠程通過手機或PC機查看每一臺空調(diào)的運行狀態(tài)、當天用電和近12個月的用電情況、還可讓終端實時上傳環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)，并且在app或web端生成實時的耗電量曲線圖和溫濕度平均值曲線圖，可讓管理者更直觀了解用電情況及環(huán)境變化?？梢詫崟r遠程控制空調(diào)的溫度、關機。當不需使用空調(diào)，空調(diào)自動關機，達到節(jié)能減排、降低經(jīng)濟損失的目的。