王 琳，肖 軍，劉洲洲

(1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西安航空學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710077)

0 引 言

生活理念的革新和居住要求的提高，使智能家居系統(tǒng)備受人們青睞，滿足了人們的安全、健康及舒適訴求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展水平的提高，智能家居功能逐漸增多，系統(tǒng)逐漸優(yōu)化，為人們生活質(zhì)量的提高提供了路徑[1]。無線通信協(xié)議主要可以分為近距離通信(比如WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等)和遠(yuǎn)距離低功耗通信協(xié)議(比如NB-IoT、LoRa)，而NB-IoT具有待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、連接節(jié)點(diǎn)數(shù)多、功耗非常低等特點(diǎn)，可以增強(qiáng)系統(tǒng)功能[2]。其能夠使用戶對(duì)家居狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對(duì)各類家庭電器設(shè)備進(jìn)行有效控制，具備信息化、自動(dòng)化等特點(diǎn)，契合了當(dāng)前倡導(dǎo)的節(jié)能理念，能夠節(jié)約資金，減少不必要的資源浪費(fèi)。

2016年6月，NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)獲得3GPP通過[3]。愛立信在2016年年中發(fā)布的研究報(bào)告顯示，到2021年全球?qū)⑹褂肗B-IoT連接15億個(gè)，占比約為10%[4]。在2016年中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)移動(dòng)均表示，預(yù)計(jì)NB-IoT的正式商用將在2017年實(shí)現(xiàn)。預(yù)計(jì)2020年，中國(guó)將實(shí)現(xiàn)百億物聯(lián)網(wǎng)連接[5]。NB-IoT支持海量連接、廣覆蓋和低功耗，適合傳感、計(jì)量、監(jiān)控等應(yīng)用，其他無線技術(shù)都無法滿足這些挑戰(zhàn)。美國(guó)和俄羅斯都認(rèn)為奪取當(dāng)今世界的霸主地位的關(guān)鍵因素就是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)帶動(dòng)的經(jīng)濟(jì)騰飛。在中國(guó)，智能家居物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)位于國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之列。在未來的幾十年時(shí)間里，智能家居市場(chǎng)前景不可估量，是中國(guó)最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一[6]。

智能家居系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)方法是家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)和智能控制?，F(xiàn)階段，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展比較快，智能家居控制系統(tǒng)可通過多種方式實(shí)現(xiàn)，而無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)極為靈活，且具備可移動(dòng)性，在該界面內(nèi)極具適用性，為智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及發(fā)展提供了契機(jī)。智能家居中涉及到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸相對(duì)較少，需具備較好的實(shí)時(shí)性。文中主要對(duì)基于NB-IoT無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行論述，為用戶提供便利，提升其現(xiàn)代化家居體驗(yàn)。

1 NB-IoT無線通信技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)是全新窄帶無線接入技術(shù)，通常也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)，于2016年12月完成設(shè)備性能指標(biāo)規(guī)范，是一種應(yīng)用廣泛的新興技術(shù)。NB-IoT是在LTE基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，NB-IoT帶寬為180 kHz，上下行速率不超過 250 kbit/s，NB-IoT終端類型為Cat.NB1。NB-IoT主要面向傳感器類、抄表類和物流監(jiān)控等窄帶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)[7]。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括NB-IoT終端、NB-IoT基站、NB-IoT核心網(wǎng)、NB-IoT云平臺(tái)和垂直行業(yè)中心[8]。

圖1 NB-IoT組網(wǎng)

對(duì)于無線通信技術(shù)來說，不同通信協(xié)議的覆蓋范圍不同，在智能家居上使用，WiFi 和NB-IoT是絕對(duì)可以滿足要求的，ZigBee和Z-wave的距離適中，藍(lán)牙的距離有點(diǎn)太短，對(duì)于大面積家庭就有點(diǎn)不太夠用了。NB-IoT、ZigBee和Z-wave的連接節(jié)點(diǎn)數(shù)，可以滿足家庭的使用。WiFi的連接節(jié)點(diǎn)數(shù)有限，藍(lán)牙連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)太少，不適合家庭使用。WiFi基本上可以傳輸所有的數(shù)據(jù)。藍(lán)牙基本可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)和圖片的傳輸。ZigBee，Z-wave和NB-IoT適合簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)的傳輸。ZigBee，Z-wave和NB-IoT的電池可以支持使用的時(shí)長(zhǎng)是一到兩年以上。WiFi，ZigBee，Z-wave和NB-IoT都可以實(shí)現(xiàn)多可網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的功能。綜上所述，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)流量需求大的智能家居來說，考慮采用 WiFi和NB-IoT通信協(xié)議。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

文中將基于嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)、Android技術(shù)完成無線智能家居系統(tǒng)的構(gòu)建。該系統(tǒng)以STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的主控芯片[9]，由智能終端節(jié)點(diǎn)、中央控制器、服務(wù)器、智能家居APP共同構(gòu)成智能家居系統(tǒng)。用戶對(duì)家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的查詢和控制主要通過家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，其也是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交互的核心要素，主要作用是信息傳遞及協(xié)議轉(zhuǎn)換。主要實(shí)現(xiàn)方法是用戶借助手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)和智能家居系統(tǒng)建構(gòu)聯(lián)系，進(jìn)行信息互通，以對(duì)各家居設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)控。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳遞目標(biāo)是網(wǎng)關(guān)上的協(xié)調(diào)器，經(jīng)由主控制器處理之后，采用有線或無線方式實(shí)現(xiàn)至用戶終端的傳遞[10]。

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括STM32單片機(jī)、NB-IoT模塊、GPRS模塊、傳感器模塊、視頻監(jiān)控模塊、語音識(shí)別模塊、電源模塊等，智能家居系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)硬件框圖

終端節(jié)點(diǎn)的本質(zhì)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，以數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)為主。智能家居的環(huán)境信息采集數(shù)據(jù)包括溫濕度、煙霧、二氧化碳、PM2.5、光照等；智能家居的控制對(duì)象主要是家用電器，例如空調(diào)、電視機(jī)、燈、冰箱、窗簾等；語音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)了語音操控終端設(shè)備[11]；視頻采集主要起到安防功能；遠(yuǎn)程監(jiān)控通過Android操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境[12-13]。設(shè)計(jì)人員可對(duì)其進(jìn)行深層次細(xì)分。該系統(tǒng)中家庭網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)主要依托于NB-IoT無線通信技術(shù)，可通過NB-IoT模塊向終端設(shè)備發(fā)出執(zhí)行命令，將終端節(jié)點(diǎn)采集到的信息上傳給智能家居APP，而用戶則可通過各終端對(duì)家居環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，繼而依據(jù)具體狀況，實(shí)現(xiàn)家用電器的有效管理及控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能家居軟件系統(tǒng)運(yùn)行主要通過微控制器STM32F103VCT6對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的智能化控制，操作系統(tǒng)選用Linux為佳。主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、視頻監(jiān)控模塊、語音識(shí)別模塊、NB-IoT無線通信模塊和遠(yuǎn)程客戶端的軟件設(shè)計(jì)[14]。主要工作流程為：系統(tǒng)初始化，開始顯示采集到的部分信息，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，與室內(nèi)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)室內(nèi)終端設(shè)備進(jìn)行智能化控制?？蛻舳斯芾碥浖?duì)外部環(huán)境極為敏感，主要用以家電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，繼而依據(jù)實(shí)際需求，對(duì)其進(jìn)行靈活處理[15]。總體軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程

3.1 視頻監(jiān)控模塊軟件設(shè)計(jì)

首先是OV2640模塊、NB-IoT模塊等的初始化，然后OV2640模塊采集的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，并通過NB-IoT模塊連接云服務(wù)器，最后云服務(wù)器將視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的視頻，通過手機(jī)Android客戶端實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

3.2 遠(yuǎn)程通信軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。服務(wù)器最初處于監(jiān)聽狀態(tài)，通過GPRS/NB-IoT使終端控制器和手機(jī)Android客戶端與服務(wù)器連接，經(jīng)過身份認(rèn)證后，由云服務(wù)器發(fā)送指令，通過Internet網(wǎng)傳輸給終端控制器，并反饋家居環(huán)境的參數(shù)給服務(wù)器，最后發(fā)送給手機(jī)Android客戶端[16]。

3.3 Android應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)客戶端軟件開發(fā)語言為Java，開發(fā)環(huán)境采用Android studio；應(yīng)用主要包括智能控制界面、通信功能模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)3個(gè)部分，是實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控必備元素。當(dāng)點(diǎn)擊主界面的按鈕時(shí)，主界面先進(jìn)行初始化，然后與服務(wù)器建立Socket連接，發(fā)送指令給服務(wù)器，再反饋信息發(fā)回手機(jī)客戶端，最后通過GPRS接收線程將信息發(fā)送給子界面。同時(shí)云服務(wù)器發(fā)送指令給終端控制器，進(jìn)而通過NB-IoT通信方式發(fā)送給各個(gè)執(zhí)行終端[17-19]。智能控制軟件的組成如圖4所示。

圖4 智能控制軟件結(jié)構(gòu)

3.4 云服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，以服務(wù)器為中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。隨著智能家居系統(tǒng)的增多，不得不去思考大數(shù)據(jù)量和高并發(fā)量的問題，利用云計(jì)算技術(shù)可以緩解這一問題。云服務(wù)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的服務(wù)平臺(tái)。云服務(wù)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，可以滿足不同用戶需求。今年來，商家都在研究云服務(wù)技術(shù)，例如阿里云、小米云、華為云等等。本系統(tǒng)采用阿里云作為云服務(wù)平臺(tái)，屬于IaaS。

在云服務(wù)中，可以用云計(jì)算中的計(jì)算模式給用戶提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；能夠響應(yīng)客戶端的各種請(qǐng)求；能夠很便捷地實(shí)現(xiàn)資源的存儲(chǔ)和獲取；數(shù)據(jù)在通信鏈路中轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延很??；在云服務(wù)器中，用戶可以對(duì)資源極性修改和調(diào)整。本系統(tǒng)的云服務(wù)器采用集群模式設(shè)計(jì)。首先按功能模塊拆分云服務(wù)平臺(tái)；再次將單個(gè)功能模塊部署成集群。網(wǎng)關(guān)端服務(wù)器集群主要負(fù)責(zé)與業(yè)務(wù)處理模塊進(jìn)行信息交互。業(yè)務(wù)處理模塊集群是核心模塊，負(fù)責(zé)控制所有業(yè)務(wù)功能的流轉(zhuǎn)等核心業(yè)務(wù)。后臺(tái)管理中心提供網(wǎng)關(guān)信息管理、客戶信息管理等服務(wù)。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對(duì)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況監(jiān)視和信息提取。數(shù)據(jù)中心提供各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。圖5為云服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)[20-22]。

圖5 云服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)測(cè)試

文中的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為完整、精細(xì)，很多控制方法在該背景下都具備適用性。完成基于NB-IoT的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作之后，可采用專業(yè)化的方法，對(duì)系統(tǒng)的可靠及穩(wěn)定與否進(jìn)行驗(yàn)證，從而對(duì)其進(jìn)行有效測(cè)試，看其是否符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過一段時(shí)間驗(yàn)證，在科學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，測(cè)試結(jié)果與預(yù)期效果一致，達(dá)到了智能化的目的。該操作中涉及到的專業(yè)性內(nèi)容比較多。例如，采用平板電腦客戶端對(duì)智能家居系統(tǒng)中的燈具進(jìn)行控制。具體實(shí)施方法如下：完成客戶端登錄之后，進(jìn)入到智能家居控制系統(tǒng)管理軟件主界面，找到“我的家居”菜單選項(xiàng)，借助該部分內(nèi)容，對(duì)家電設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)控制，選擇燈具執(zhí)行器按鈕，用以對(duì)燈泡進(jìn)行控制。打開燈具之后，會(huì)有與之相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)顯示。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能家居的智能化控制，提升了系統(tǒng)的可控性，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)束語

綜上所述，基于NB-IoT無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程極為復(fù)雜，專業(yè)性強(qiáng)，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求也比較高。系統(tǒng)借助嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、NB-IoT無線通信技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，以便于家居環(huán)境與設(shè)備處于同一管理界面內(nèi)，為用戶提供便利，實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)的智能化與先進(jìn)性。