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        基于NB-IoT的智能家居控制系統(tǒng)的研究*

        2020-08-11 00:47:12胡文雅黃東棟
        關(guān)鍵詞:電路圖智能家居閾值

        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,簡化射頻硬件降低協(xié)議成本,基帶復(fù)雜度??;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)測試與調(diào)試,外接各傳感器電路圖經(jīng)測試也都是行的通的。

        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)測環(huán)境溫度、濕度、照度、煙霧度以及所在測試位置的經(jīng)緯度,并將傳感器的監(jiān)測數(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“異常”情況,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)行測試[3~4]。在不同環(huán)境下系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)如表3所示。

        表3 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

        通過測試數(shù)據(jù)可知:家居環(huán)境適宜時(shí),各傳感器測試數(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。

        通過測試,實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測以及提醒用戶對(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,很好地解決了當(dāng)前智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(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)。

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