陳麗芬 張濤 楊雙 蔡寧 彭強(qiáng)

CHEN Lifen1 ZHANG Tao2 YANG Shuang3 CAI Ning3 PENG Qiang1

1.中國家用電器研究院 北京 100037；2.中輕合盛科技有限公司 安徽滁州 239000；3.中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司 北京 100176

1. China Household Electric Appliances Research Institute Beijing 100037;2. China Light Industry Hesheng Technology Co., Ltd. Chuzhou 239000;3. CHEARI (Beijing) Certification & Testing Co., Ltd. Beijing 100176

1 引言

家電的工作場景多種多樣，家電檢測實(shí)驗(yàn)室是其工作的場景之一，以空調(diào)熱平衡實(shí)驗(yàn)室為例[1]，實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)采用聚氨酯冷庫板搭建，內(nèi)含的彩鋼板和不銹鋼板對空間中電磁波信號有很強(qiáng)的屏蔽作用，且該實(shí)驗(yàn)室對密閉性要求較高，不便于網(wǎng)絡(luò)走線，如何讓測試樣機(jī)在上述環(huán)境中依然可以實(shí)時準(zhǔn)確地輸出測試數(shù)據(jù)、上報(bào)當(dāng)前狀態(tài)，便于廠商和實(shí)驗(yàn)員預(yù)測實(shí)驗(yàn)發(fā)展趨勢是需要解決的問題。

本文設(shè)計(jì)的方案采用無線模組采集家電主機(jī)的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)至云端，配合前端界面顯示測試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了用戶隨時隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控家電的測試數(shù)據(jù)及運(yùn)行情況的功能。

實(shí)驗(yàn)室建筑板材的特殊性要求無線信號穿透力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高；測試中家電的長時間連續(xù)工作特點(diǎn)要求無線模組具備低功耗特性，可長時間維持穩(wěn)定狀態(tài)；此外，還需要云端平臺設(shè)計(jì)時在可接入樣機(jī)數(shù)量方面余量充足，便于后續(xù)增加接入樣機(jī)。

2 方案架構(gòu)

方案應(yīng)用場景如圖1所示。

方案中，通信模塊負(fù)責(zé)采集家電主機(jī)的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)上報(bào)至云端存儲，用戶可以在Web頁面瀏覽當(dāng)前數(shù)據(jù)并查詢歷史數(shù)據(jù)。

（1）無線網(wǎng)絡(luò)

相較于有限網(wǎng)絡(luò)，無線局域網(wǎng)具有開發(fā)運(yùn)營成本低、發(fā)周期短、布線工程量小且沒有距離限制的優(yōu)點(diǎn)，如表1所示為種類繁多的無線通信技術(shù)[2]。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

NB-IoT省電且信號穿透力強(qiáng)的低功耗長距離廣域網(wǎng)絡(luò)特性非常適合檢測實(shí)驗(yàn)室密閉的工作環(huán)境，基于授權(quán)頻段的工作方式對信號的傳輸穩(wěn)定性是一種保障?？紤]到家電主機(jī)單次采集的數(shù)據(jù)量不大于200 Byte且實(shí)時性要求不嚴(yán)苛的工作方式，最終選擇NB-IoT為無線模塊的通信方式，網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)[1]如圖2所示。

圖1中的云端平臺在應(yīng)用中包含了圖2所示的由電信運(yùn)營商提供的NB-IoT基站、IoT核心網(wǎng)、IoT平臺以及自主開發(fā)的應(yīng)用服務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用數(shù)據(jù)處理的后臺服務(wù)依托智能家電領(lǐng)域行業(yè)性公共云服務(wù)平臺眾家云平臺提供。眾家云平臺基于智能家電國家標(biāo)準(zhǔn)提供產(chǎn)品智能升級和一站式云端運(yùn)維服務(wù)[3]，可以實(shí)現(xiàn)不同企業(yè)、不同品牌、不同類型家電間的互聯(lián)互通，滿足智能家電產(chǎn)品應(yīng)用過程中各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)協(xié)同需要。

3 方案實(shí)現(xiàn)

3.1 無線模塊選型

國內(nèi)目前比較活躍的NB-IoT模組廠商約有30余家，中國電信移動終端研究測試中心[4]從NB-IoT芯片的時延（中覆蓋時延、弱覆蓋時延）、移動場景吞吐量、極限覆蓋接入（極限覆蓋接入能力）以及低功耗（PSM功耗、空閑態(tài)功耗、連接態(tài)功耗、TAU能耗、小數(shù)據(jù)能耗）這4大特性入手，對11項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了評測，結(jié)果顯示聯(lián)發(fā)科MT2625芯片在四大特性中均表現(xiàn)突出，尤其續(xù)航能力優(yōu)秀，設(shè)計(jì)中選擇了聯(lián)發(fā)科的NB260作為空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的無線終端模塊，它是基于移遠(yuǎn)NB-IoT模塊BC26的小型系統(tǒng)模塊，BC26支持全球頻段的NBIoT網(wǎng)絡(luò)，如表2所示，模塊上電后，會根據(jù)SIM卡網(wǎng)絡(luò)類型自動搜索網(wǎng)絡(luò)，無需手動設(shè)置頻段。

表2 BC26已支持的頻段

圖1 應(yīng)用場景圖

圖2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

NB260采用了省電技術(shù)，最大功耗300 mA。小系統(tǒng)板采用2.54標(biāo)準(zhǔn)間距排針，引出BC26模塊的全部可用GPIO口，硬件結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用，利于后期調(diào)試。

NB260模塊板上資源如下：

（1）天線

IPEX射頻天線座，需要50 Ω阻抗的外置天線，不同頻段需要配合不同頻段的天線。

（2）電源

NB260有兩種供電方式，一種是穩(wěn)定的5 V電壓供電，另外一種是電池直接供電。

（3）指示燈

板載兩顆指示燈，紅色指示燈指示電源狀態(tài)，綠色指示燈指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

（4）引腳描述

方案中NB260是作為普通的指令模塊使用，所需的引腳描述如表3所示。

（5）串口

NB260的主串口可用于AT命令傳送，數(shù)據(jù)傳輸和軟件升級。

在嵌入式軟件方面，NB260板載OpenCPU方案，可以直接在模塊里開發(fā)集成應(yīng)用，從而省掉外部主控MCU，節(jié)約硬件成本，加速應(yīng)用開發(fā)。

表3 NB260-P1引腳描述

3.2 后臺應(yīng)用服務(wù)

在數(shù)據(jù)處理的服務(wù)中使用目前主流的前后端分離技術(shù)，MVC架構(gòu)。

（1）后端

使用包括node、koa2、Mysql等技術(shù)框架開發(fā)后端服務(wù)。

（2）前端

前端使用的技術(shù)包括React、React-Router、Redux、Reduxsaga、Dva、Umi、Ant-design以及Antd-admin等技術(shù)框架開發(fā)前端數(shù)據(jù)管理頁面。

用戶界面中可以查看無線模塊上報(bào)的參數(shù)，有數(shù)據(jù)、圖形2種顯示方式，并且可以導(dǎo)出用戶所需數(shù)據(jù)。

①數(shù)據(jù)表頁面

用戶能夠查看所有無線模塊上報(bào)的數(shù)據(jù)，并通過檢索功能，以家電主機(jī)主控板地址、無線模塊地址為主鍵，組合日期時間來查詢對應(yīng)某一臺家電某一時間段的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

②曲線圖頁面

用戶可以通過曲線直觀地查看選定的家電中任意一個或者多個參數(shù)在一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線，選擇家電依據(jù)的是家電主控板地址。

③導(dǎo)出指定設(shè)備數(shù)據(jù)功能

用戶可以在上述2種頁面中導(dǎo)出選中的數(shù)據(jù)，格式為“.xlsx”。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

以空調(diào)熱平衡實(shí)驗(yàn)室作為測試環(huán)境，G廠商生產(chǎn)的空調(diào)作為家電主機(jī)，測試中NB260模塊與空調(diào)主控板連接，將采集到的數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)皆贫?，在前端web頁面監(jiān)控樣機(jī)的運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

（1）無線模塊連接

NB260與空調(diào)主機(jī)的連接如圖3所示。

圖3 NB260與空調(diào)主機(jī)電路連接圖

（2）天線設(shè)置

為保證無線模塊工作時的信號強(qiáng)度，為其配置了全頻段外置天線。

（3）監(jiān)測參數(shù)

根據(jù)主機(jī)類型設(shè)計(jì)所需存儲字段，如表4所示。

表4 后臺數(shù)據(jù)庫字段

（4）嵌入式軟件

無線模塊軟件采用C語言編寫，綜合考慮主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率以及SIM卡流量的使用情況，設(shè)置模塊的采樣周期為500 ms，數(shù)據(jù)記錄周期為5 min，數(shù)據(jù)上報(bào)頻率為40 min。軟件流程如圖4所示，無線模塊上報(bào)的數(shù)據(jù)日志可在運(yùn)營商IoT平臺查看。

圖4 嵌入式軟件流程圖

（5）交互界面設(shè)計(jì)

在功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之上，本著清晰明了、美觀大方、記憶負(fù)擔(dān)最小化[5]以及從用戶習(xí)慣考慮的原則設(shè)計(jì)的UI界面如圖5所示。

圖5 UI 界面

從圖5可以看到，用戶可以實(shí)時在前端頁面上看到無線模塊上報(bào)的空調(diào)測試數(shù)據(jù)，方便用戶查看并分析樣機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，驗(yàn)證了方案的可行性。

5 結(jié)論

綜上所述，方案中采用聯(lián)發(fā)科NB260無線模組作為數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)由NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上報(bào)測試數(shù)據(jù)至運(yùn)營商IoT平臺，依托眾家云平臺實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)的后臺服務(wù)及測試數(shù)據(jù)的前端顯示，用戶可以不受地域限制隨時隨地訪問測試頁面，實(shí)現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)以及樣機(jī)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋、低功耗的優(yōu)勢，方案經(jīng)過驗(yàn)證在屏蔽強(qiáng)密封好的家電檢測實(shí)驗(yàn)室仍然可以正常上報(bào)數(shù)據(jù)，低成本、大連接的特點(diǎn)為系統(tǒng)在可接入樣機(jī)數(shù)量方面提供充足余量，滿足后續(xù)監(jiān)測點(diǎn)擴(kuò)展的需求。