韓琛曄，張微微

（河北工程技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050091）

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代即將到來(lái)。伴隨著NB-IoT技術(shù)帶來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對(duì)居住條件要求逐步提高，智慧家庭時(shí)代即將來(lái)臨，搭載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居將會(huì)給大家不一樣的體驗(yàn)。目前，智能家居通常采用ZigBee、WiFi、Bluetooth等技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)，但這些技術(shù)普遍存在功耗高、接入不方便，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小等缺點(diǎn)。NB-IoT是由LTE技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其具備覆蓋范圍廣、終端成本低、海量連接等優(yōu)勢(shì)，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)中智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用。

基于此，本文設(shè)計(jì)一種基于NB-IoT技術(shù)完成智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用具有NB-IoT功能的BC95-B5芯片、融合嵌入式開(kāi)發(fā)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、軟硬件設(shè)計(jì)、Android開(kāi)發(fā)以及Huawei OceanConnect云端平臺(tái)接入技術(shù)支持的智能設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)表明，將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于智能家居控制能夠與家居環(huán)境高度契合，有效提升智能家居用戶(hù)體驗(yàn)，應(yīng)用成本也顯著降低。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于NB-IoT的智能家居系統(tǒng)構(gòu)建遵循物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)設(shè)計(jì)方案的原則，從下往上依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中：感知層由主控制器、煙霧、溫濕度傳感器、語(yǔ)音識(shí)別模塊、光照傳感器等組成，各傳感器具有數(shù)據(jù)采集功能，微處理器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制；網(wǎng)絡(luò)層由NB-IoT模塊、核心網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)在NB-IoT終端建立傳輸通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)層選擇使用華為云平臺(tái)，接收從接入網(wǎng)得到的傳感器請(qǐng)求內(nèi)容，使設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)用層通過(guò)APP將從云平臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的顯示和操作。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為三部分，即微控制器模塊設(shè)計(jì)、NB-IoT通信模塊設(shè)計(jì)和各傳感器組模塊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1 主控芯片電路設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)要求主控芯片低功耗，具有豐富的接口和模塊功能，而低功耗的L系列在可穿戴等領(lǐng)域具有極大優(yōu)勢(shì)，因此主控芯片選用STM32L451RCT6。該芯片具有256 KB的ROM，160 KB的RAM等內(nèi)部資源，引腳數(shù)為64；最高工作頻率為80 MHz；支持低功耗模式，關(guān)機(jī)模式下功耗低至22 nA，待機(jī)模式下功耗低至106 nA。

2.2 NB-IoT模塊電路設(shè)計(jì)

NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)選用BC95-B5芯片上傳家居環(huán)境數(shù)據(jù)。該芯片是移遠(yuǎn)通信技術(shù)公司生產(chǎn)，基于華為海思平臺(tái)開(kāi)發(fā)的一款物聯(lián)網(wǎng)通信模塊。該芯片內(nèi)嵌有豐富的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧，具有超低功耗、超高靈敏度的特點(diǎn)。BC95-B5模塊與電信運(yùn)營(yíng)商相對(duì)應(yīng)支持850 MHz頻段，NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊內(nèi)置SIM卡座并通過(guò)外接電源供電。NB-IoT采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，類(lèi)似手機(jī)通信，需要一個(gè)身份的識(shí)別與鑒權(quán)，因此需要SIM卡電路。物聯(lián)網(wǎng)SIM卡選用中國(guó)電信的4G NB-IoT卡。模組供電電路采用兩種控制方式：硬件控制和軟件控制。接口電路包括天線(xiàn)部分、復(fù)位電路、通信接口和其他接口。

2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用DHT22溫濕度傳感器、煙霧傳感器MQ-2、LD3320語(yǔ)音模塊、BH1750FVI光照傳感器以及LED亮度可調(diào)燈等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取室內(nèi)溫濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度、語(yǔ)音信息等數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)分為四部分：第一部分是底層硬件終端軟件開(kāi)發(fā)，第二部分是NB-IoT模組軟件設(shè)計(jì)，第三部分是云平臺(tái)開(kāi)發(fā)，第四部分是移動(dòng)終端頂層應(yīng)用開(kāi)發(fā)（北向應(yīng)用開(kāi)發(fā)）。其中第一、二部分被稱(chēng)為南向開(kāi)發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)首先完成系統(tǒng)初始化（MCU初始化、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接初始化、NB-IoT模組初始化），完成初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)和命令下發(fā)。系統(tǒng)軟件總體框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件總體框架

3.1 底層硬件終端軟件設(shè)計(jì)

主控制器驅(qū)動(dòng)程序及傳感器數(shù)據(jù)采集程序基于Keil MDK5軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言代碼進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。芯片的初始化配置采用了ST意法半導(dǎo)體推出的針對(duì)STM32系列芯片的圖形化配置軟件STM32 Cube MX開(kāi)發(fā)環(huán)境。設(shè)備上電后，初始化工作完成后需要主程序獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)，并上報(bào)煙霧濃度值、溫度值等數(shù)據(jù)。

3.2 NB-IoT模組軟件開(kāi)發(fā)

本設(shè)計(jì)采用的NB-IoT模組BC95-B5是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)將STM32控制器發(fā)送來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)打包。BC95模塊中集成了CoAP服務(wù)端和客服端，使用AT（Attention）指令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信配置。AT指令是NB-IoT模組與STM32主控制器和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)通信的橋梁。通過(guò)AT指令進(jìn)行入網(wǎng)配置，對(duì)接云平臺(tái)。對(duì)接成功后，主控制器MCU的上行數(shù)據(jù)，通過(guò)串口使用AT指令發(fā)送給NB-IoT模組上傳到云平臺(tái)解析。下行數(shù)據(jù)從云平臺(tái)通過(guò)CoAP通信協(xié)議發(fā)送到NB-IoT模組，NB-IoT模組使用AT指令獲取到字符串，微控制器通過(guò)串口接收到數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析。BC95通信模塊程序設(shè)計(jì)可分為BC95初始化、配置CDP服務(wù)器、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收四個(gè)部分。

3.3 NB-IoT云平臺(tái)開(kāi)發(fā)

NB-IoT平臺(tái)接入開(kāi)發(fā)流程主要分為以下幾個(gè)步驟：

（1）創(chuàng)建項(xiàng)目；

（2）進(jìn)行Profile定義；

（3）編解碼插件開(kāi)發(fā)與部署。

Profile開(kāi)發(fā)是通過(guò)定義Profile，說(shuō)明設(shè)備的基本信息，接入NB-IoT之前必須先進(jìn)行定義系統(tǒng)終端的設(shè)備模型定義，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的配置。設(shè)置好設(shè)備的服務(wù)內(nèi)容后，完成Profile的在線(xiàn)開(kāi)發(fā)。NB-IoT設(shè)備與華為云平臺(tái)之間采用CoAP協(xié)議通信，因?yàn)镹B-IoT硬件終端設(shè)備要求超低功耗，所以應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式采用二進(jìn)制格式。但是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與應(yīng)用側(cè)使用JSON格式進(jìn)行通信。因此，開(kāi)發(fā)者需要開(kāi)發(fā)編碼插件，供物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)調(diào)用，以完成二進(jìn)制格式和JSON格式的轉(zhuǎn)換。平臺(tái)編解碼插件開(kāi)發(fā)與部署結(jié)果如圖4所示。

圖4 平臺(tái)編解碼插件開(kāi)發(fā)與部署結(jié)果圖

3.4 移動(dòng)終端頂層應(yīng)用開(kāi)發(fā)

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的家居場(chǎng)景為移動(dòng)控制類(lèi)，具有遠(yuǎn)程控制和移動(dòng)操作的特點(diǎn)，故在智能手機(jī)上使用Java語(yǔ)言進(jìn)行移動(dòng)終端APP開(kāi)發(fā)。移動(dòng)客戶(hù)端設(shè)計(jì)了主界面和分界面。其中：主界面用于顯示主要的智能家居設(shè)備；分界面顯示智能家居設(shè)備的具體功能和控制按鈕燈，主要包括燈光控制、溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)和語(yǔ)音助手等。

4 系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)終端放在家居環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)上電后，各個(gè)模塊進(jìn)行初始化；初始化完成后系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)并對(duì)接云平臺(tái)，對(duì)接成功將數(shù)據(jù)上報(bào)。華為云平臺(tái)可以查看上報(bào)的數(shù)據(jù)，并打開(kāi)移動(dòng)客戶(hù)端對(duì)智能家居中的可調(diào)燈進(jìn)行控制，如圖5所示；在移動(dòng)客戶(hù)端操作界面可以下發(fā)命令數(shù)據(jù)，會(huì)在云平臺(tái)上顯示操作記錄，如圖6所示。

圖5 移動(dòng)客戶(hù)端功能界面

圖6 移動(dòng)客戶(hù)端命令下發(fā)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以NB-IoT技術(shù)應(yīng)用為核心研究了智能家居的應(yīng)用，按照物聯(lián)網(wǎng)的四層設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一套智能家居系統(tǒng)。結(jié)合嵌入式技術(shù)，搭載移遠(yuǎn)公司BC98-B5通信模塊完成了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)BC98-B5利用NB-IoT技術(shù)將封裝的CoAP數(shù)據(jù)傳至華為云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析再推送到開(kāi)發(fā)好的移動(dòng)客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)了智能家居的智能遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)連接范圍廣、突破了傳統(tǒng)通信距離和空間障礙限制，能覆蓋到家庭的每個(gè)區(qū)域，并且低成本、低功耗，提升了用戶(hù)對(duì)智能家居的體驗(yàn)。