基于NB-IoT技術(shù)的智慧洗手間管理系統(tǒng)

李 為，唐亞軍，譚富元

（中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司，重慶 401336）

0 引 言

隨著信息通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智慧樓宇憑借其信息化、智能化、可視化和高度集成化等特點(diǎn)日益成為現(xiàn)代化城市建設(shè)的重要組成部分。智慧樓宇是寫字樓與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，通過采用無線通信和傳感器等技術(shù)，將各類樓宇系統(tǒng)、運(yùn)維管理體系、人的行為有序結(jié)合在一起，打造成為集數(shù)字化、智能化于一體的智慧樓宇，以保障樓宇內(nèi)工作環(huán)境的舒適程度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和高效管理[1]。

針對當(dāng)前企業(yè)辦公樓洗手間存在的資源緊張問題，例如工作日早晨8:00—10:00期間是使用洗手間的高峰期，由于洗手間數(shù)量有限，經(jīng)常出現(xiàn)無洗手間空閑位置、等待時(shí)間過長等問題，浪費(fèi)了員工的工作時(shí)間，降低了工作效率。員工需求：第一時(shí)間知曉洗手間是否處于空閑狀態(tài)，就近樓層是否有空位。

針對上述現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的智慧洗手間管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測洗手間的狀態(tài)，并通過NB-IoT將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺，將洗手間狀態(tài)變更數(shù)據(jù)推送并顯示在LCD顯示屏上，實(shí)現(xiàn)洗手間狀態(tài)信息主動(dòng)上報(bào)和顯示[2-3]。

1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）屬于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，具有廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于多種應(yīng)用場景，如智慧停車、能源安防、智慧農(nóng)業(yè)等[4-6]。

2 OneNET云平臺

OneNET云平臺是由中國移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。平臺能夠幫助開發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品開發(fā)部署，具備設(shè)備接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)及訪問安全、豐富API支持等功能。另外，OneNET云平臺還可提供數(shù)據(jù)推送功能，將平臺作為客戶端，將相關(guān)信息以HTTP/HTTPS請求的方式推送至應(yīng)用服務(wù)器。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于NB-IoT技術(shù)的智慧洗手間管理系統(tǒng)由智能紅外探測終端、LCD顯示屏和應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)成。其中，智能紅外探測終端安裝在洗手間靠內(nèi)的墻壁上，主要用于探測和上報(bào)洗手間狀態(tài)；LCD顯示屏安裝在洗手間入口位置，用于實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示企業(yè)辦公樓各樓層洗手間的使用情況；應(yīng)用服務(wù)器采用Workerman通信框架搭建，負(fù)責(zé)管理和維護(hù)智能紅外探測終端上報(bào)的數(shù)據(jù)。另外，企業(yè)員工可隨時(shí)訪問應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看洗手間狀態(tài)[7-8]。系統(tǒng)組成原理如圖1所示，系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)工作示意圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 智能紅外探測終端實(shí)現(xiàn)

圖3 紅外探測終端工作原理

圖4 MCU最小系統(tǒng)電路

圖5 NB-IoT模組電路

圖6 電池電壓輸入電路

圖7 智能紅外探測終端代碼流程

終端采用MCU STM32F103RCT6運(yùn)作，使用的資源包括5個(gè)部分：

（1）基本定時(shí)器（2個(gè)）：1個(gè)定時(shí)器用于定時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)低功耗模式，1個(gè)定時(shí)器用于紅外終端的誤觸發(fā)機(jī)制（默認(rèn)300 ms為有效觸發(fā)時(shí)延）。

（2）UART串口：Main串口與NB-IoT模組通信，Debug串口用于打印NB-IoT模組Log信息。

（3）內(nèi)部RTC計(jì)時(shí)器：用于獲取基站時(shí)間，進(jìn)行時(shí)間和日期的計(jì)時(shí)。

（4）I/O口：主要用于讀取紅外模塊的輸出數(shù)據(jù)，控制模組的電源和紅外模塊電源。

（5）SWD口（串行調(diào)試口）：用于下載MCU調(diào)試程序。

教學(xué)知識、教學(xué)技能、教育理念、教學(xué)行為、教學(xué)能力、教學(xué)藝術(shù)等構(gòu)成教師教學(xué)能力系統(tǒng)。遵循教學(xué)能力依序逐層遞進(jìn)發(fā)展規(guī)律，工科新教師培訓(xùn)則會(huì)事半功倍。

紅外傳感器模塊主要有3個(gè)I/O口，VCC（接入電路電壓）、GND（接地）和I/O狀態(tài)輸出口。每當(dāng)檢測到活動(dòng)人體時(shí)輸出高電平，無人情況下為低電平，以準(zhǔn)確進(jìn)行洗手間狀態(tài)判斷。

NB-IoT模組：采用LWM2M協(xié)議通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接OneNET云平臺，主要向云平臺上報(bào)洗手間狀態(tài)等信息，平臺通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)推送至應(yīng)用服務(wù)器。

4.2 LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)

LCD顯示屏工作原理如圖8所示。終端由MCU STM32F429核心板、LCD-RGB屏幕和NB-IoT模組構(gòu)成，主要電路如圖9所示。

圖8 LCD顯示屏工作原理

圖9 顯示屏核心板電路

STM32F429 核心板主要用到以下資源：

（1）RGB-LCD接口：用于與LCD屏幕連接。

（2）W25Q256 32MB的SPI FLASH：用于存放圖片信息。

（3）UART串口：MCU與NB-IoT模組通過UART1串口通信，UART2用于打印Debug信息。

（4）內(nèi)部RTC定時(shí)器：獲取基站時(shí)間后，進(jìn)行時(shí)間和日期的計(jì)時(shí)。

（5）基本定時(shí)器：用于控制模組定時(shí)拉取報(bào)文，定時(shí)更新屏幕信息。

（6）SWD口：用于下載MCU調(diào)試程序。

ATK1018 RGB-LCD屏幕：該電容觸摸屏模塊可提供RGB&LVDS兩種接口，最高支持24位真彩顯示，1280×800像素。自帶驅(qū)動(dòng)芯片，MCU移植驅(qū)動(dòng)代碼后，便能進(jìn)行屏幕開發(fā)。NB-IoT模組（LCD顯示屏部分）電路如圖10所示，LCD顯示屏代碼流程如圖11所示。

圖10 NB-IoT模組電路（LCD顯示屏部分）

圖11 LCD顯示屏代碼流程

NB-IoT模組：NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信采用HTTP協(xié)議從應(yīng)用服務(wù)器拉取報(bào)文，并通過串口將報(bào)文信息交付給MCU處理。

4.3 應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)管理和維護(hù)智能紅外探測終端上報(bào)的數(shù)據(jù)。另外，企業(yè)員工可隨時(shí)訪問應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看洗手間狀態(tài)。應(yīng)用服務(wù)器工作原理如圖12所示。

圖12 應(yīng)用服務(wù)器工作原理

（1）Workerman通信框架：應(yīng)用服務(wù)器采用異步PHP Socket框架搭建，支持高并發(fā)、TCP長連接、HTTP、WebSocket等，穩(wěn)定性高。

（2）數(shù)據(jù)管理和維護(hù)：應(yīng)用服務(wù)器可調(diào)用OneNET云平臺提供的API接口進(jìn)行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備命令反向交互等操作。

（3）數(shù)據(jù)訪問：終端可通過HTTP協(xié)議-GET請求定時(shí)從應(yīng)用服務(wù)器拉取紅外探測終端上報(bào)的數(shù)據(jù)，并通過串口將報(bào)文信息交付給MCU，實(shí)現(xiàn)LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示洗手間狀態(tài)的目的。另外，企業(yè)員工可隨時(shí)訪問應(yīng)用服務(wù)器，查看洗手間狀態(tài)。

5 測試結(jié)果與分析

智能紅外探測終端上電后，完成初始化操作，測試實(shí)物如圖13所示。紅外傳感器模塊用于實(shí)時(shí)檢測活動(dòng)人體，NBIoT模組自動(dòng)連網(wǎng)并在MCU STM32F103RCT6的控制下上報(bào)洗手間狀態(tài)。在OneNET云平臺上能夠看到相應(yīng)的智能紅外探測終端在線情況和洗手間狀態(tài)信息，測試效果如圖14和圖15所示。

圖13 紅外探測終端實(shí)物

圖14 智能紅外探測終端在線情況

圖15 洗手間空閑狀態(tài)信息

LCD顯示屏上電后，終端完成初始化操作，NB-IoT模組自動(dòng)連網(wǎng)并在MCU STM32F429核心板的控制下實(shí)時(shí)通過HTTP協(xié)議從應(yīng)用服務(wù)器拉取報(bào)文，并將洗手間空閑狀態(tài)信息顯示在屏幕上[9-10]，測試效果如圖16所示。

圖16 LCD顯示屏信息

6 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT技術(shù)的智慧洗手間管理系統(tǒng)，終端能夠?qū)崟r(shí)檢測洗手間狀態(tài)，并通過NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺，將洗手間狀態(tài)變更數(shù)據(jù)推送并顯示在LCD顯示屏上，實(shí)現(xiàn)洗手間狀態(tài)信息主動(dòng)上報(bào)和顯示。本文將硬件和軟件技術(shù)相結(jié)合，使系統(tǒng)在一定程度上具備終端接入量更大，網(wǎng)絡(luò)穿透力更強(qiáng)，通信更加安全，系統(tǒng)整體功耗更低，電源轉(zhuǎn)換率更高，并降低終端無線接入側(cè)的并發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和傳輸時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)[11-12]。