葛建新

（河源職業(yè)技術學院，廣東 河源 517000）

0 前言

2019年以來，我國不斷加快優(yōu)化物聯網連接環(huán)境，推動IPv6、NB-IoT、5G等網絡建設，從而使得物聯網步入了實質性的快速發(fā)展階段。窄帶物聯網（NB-IoT）是物聯網領域一個新興的技術，位于物聯網技術架構體系的網絡層，具有低功耗、低成本、廣覆蓋、安全性更強、連接更穩(wěn)定等優(yōu)勢特點，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術?；诜涓C的窄帶物聯網（NB-IOT）技術,在同一基站的情況下，相比現有無線技術能提供50～100倍的接入數，能實現比GSM高20db的覆蓋增益，可以保證數據成功回收率達99%，可靠性大大提高,將該技術運用于空調遠程智能控制系統(tǒng)設計具有一定創(chuàng)新性。同時，該系統(tǒng)具有低成本、低耗能、覆蓋廣、性能強等特點[1]。

1 系統(tǒng)總體構架及原理

本系統(tǒng)主要依托智能終端、物聯網（IoT）云平臺、移動端APP 三部分組成，智能終端負責采集空調數據和控制空調狀態(tài)；物聯網云平臺是數據管理中心，負責數據的接收和轉發(fā)，可以接收智能終端發(fā)來的數據，也可以發(fā)控制指令給智能終端，并隨時響應移動客戶端的請求，實現云平臺和移動客戶端的雙向通信；移動客戶端可以實時查看空調相關數據，也可以通過云平臺發(fā)送指令給智能終端。其中智能終端是系統(tǒng)的核心[2]，系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 設計與實現

2.1 元器件選取

2.1.1 主控制器

采用STM32F103RCT6 單片機做為主控制器。STM32F103RCT6支持工作頻率72MHz，64k的內部FLASH，是一款基于ARM Cortex-M內核屬于STM32系列的32位的微控制器，處理速度足夠快，有功能強大，價格低，性價比高，開發(fā)資料豐富的優(yōu)點。

2.1.2 NB-IoT模塊

采用移遠公司的BC20模塊，BC20是一款高性能、低功耗、多頻段、支持GNSS定位功能的無線通信模塊，另外BC20支持北斗、GPS、QZSS等多星座衛(wèi)星解調算法，支持TCP/IP協議，其定位更加精準。成本稍微中等，功能齊全。

2.1.3 顯示模塊

采用OLED 1.3寸屏幕，特點使用OLED 1.3寸屏幕無需背光，顯示單元能自發(fā)光，分辨率高清晰，模塊體積?。ū纫辉矌派源螅?，可視角度大，采用SPI通訊，支持眾多控制芯片，功耗低，亮度高，電壓支持3-5V，I/O口占用少等。

2.1.4 繼電器

采用電磁繼電器。有輸入和輸出是隔離的。驅動簡單，隔離性強，無漏電流，發(fā)熱性小不需要散熱片，價格便宜，多組觸點，可使項目成本降低等優(yōu)點。缺點：噪音大，靈敏度稍差通斷時間比固態(tài)繼電器稍長，在大電壓的情況下通斷瞬間容易產生電弧[3]。

2.1.5 電量測量

采用ATT7053AU單相電能計量芯片。ATT7053AU采用3.3v供電，可同時測量兩通道的有功功率、無功功率，支持有功、無功、視在功率和電能脈沖輸出，能夠同時得到三通道的有效值，及電壓頻率，電壓電流相位，支持斷相防竊電，片內溫度傳感器。使用電能計量芯片對功率計算，電源檢測都較為精準，對計算要求稍微偏低。

2.2 硬件設計

2.2.1 單片機最小系統(tǒng)

本項目采用STM32F103RCT6單片機來做主控芯片，有雙晶振（8M與32.768khz），還有簡單的上電自動復位電路，和兩個按鍵一起組成了單片機的最小系統(tǒng)，原理圖如圖2。

圖2 單片機最小系統(tǒng)圖

2.2.2 紅外發(fā)射與接收

紅外發(fā)射：發(fā)送端將會采用單片機的定時中斷功能，由單片機中的定時器產生一定周期的矩形脈沖，即是通過定時器產生中斷，從而輸出一個與原先相反的信號使得單片機輸出端能產生一個周期為接收端需要的周期為38kHz～40kHz的方波。

紅外接收：在本系統(tǒng)中選用的是一款結構較為簡單的紅外接收器，紅外遙控接收頭HS0038。我們應該先對波形進行解調，然后再對解調后的波形進行測量，將HS0038解調出的遙控編碼脈沖直接連入所使用單片機中的對應引腳。[4]紅外發(fā)射與接收圖原理圖如圖3。

圖3 紅外發(fā)射與接收電路

2.2.3 語音模塊

本系統(tǒng)創(chuàng)新點是具有語音識別功能，能識別人的話從而進行語音切換各功能，實現語音交互的目的。

2.2.4 OLED顯示電路

采用OLED1.3寸屏幕，默認顯示時間、日期、環(huán)境溫濕度等數據。在配合按鍵的情況，用戶可以查詢電量，設計時間等。

2.2.5 EEPROM存儲器

使用EEPROM作用是為儲存單片機從電量測量出數據之后進行儲存，在某一時刻瞬間掉電之后可以對單片機測量電量的數據進行保存，再次開啟電源之后又能重新讀取原來的電量值，使數據不丟失。

2.2.6 溫濕度模塊

本系統(tǒng)采用的是一塊3.3v供電的溫濕度模塊，使用方便，為了測量周圍的溫度、濕度情況等。

2.2.7 NB-IoT無線通信模塊NB-IoT模塊由BC20模塊、SIM插卡座子、濾波天線電路、北斗與GPS座子、復位電路和網絡指示燈組成。NB-IoT模塊所實現的功能是通過UART接收主控制器的數據并上傳到云平臺；接收云平臺傳輸的空調控制命令并通過UART下發(fā)給主控制器。

2.2.8 電源

系統(tǒng)5v電源是采用了一個220v轉5v模塊，再利用了一個降壓芯片（AMS1117-3.3）從5v降至3.3v為系統(tǒng)中的各個模塊提供穩(wěn)定的電源電壓。

2.2.9 電量測量電路

電路的核心主采用了單相電能計量ATT7053AU芯片電路，能夠測量交流電壓大小，電流的大小，有功功率，無功功率，瓦數等等。電路有兩個濾波電容為芯片提供穩(wěn)定電壓。ATT7053AU采用了雙端差分信號輸入的方式采集電壓，電流的信號數據，正常工作時最大輸入電壓為±800mv，在有效值為200mv的情況下有較好的精確度和線性度[5]。

2.2.10 空調電源控制電路

空調電源控制部分使用了一個繼電器來做空調的總開關，在利用三極管電流放大的特性驅動繼電器來從而形成了一個類似開關的作用。

2.3 設計流程

本系統(tǒng)的程序主流程圖如圖4。

圖4 程序流程框圖

3 測試部分

3.1 測試方案

先給5v電源單獨給主控制電路部分，做一些簡單的調試，對這些主控電路中的各個模塊之間測量，確認每個模塊能否正常工作；之后再進行下一步的調試，我們可以使用幾種實物對象，如燈泡，烙鐵，空調等。均可做被檢測對象；最后將全部的功能結合起來。

3.2 測試設備

220v交流電源，萬用表，鉗表，手機，電腦，燈泡，烙鐵，空調。

3.3 電量測試

表1 電量測試數據

3.4 結果分析

硬件需要大量的調試與測試，找到最適合運動狀態(tài)的硬件。通過測試與調試得到了與項目吻合的狀態(tài)。

4 結論

本文給出基于NB-IoT的空調遠程智能控制系統(tǒng)設計方案。實現空調遠程集中管理，管理者可以遠程通過手機或PC機查看每一臺空調的運行狀態(tài)、當天用電和近12個月的用電情況、還可讓終端實時上傳環(huán)境溫濕度等數據，并且在app或web端生成實時的耗電量曲線圖和溫濕度平均值曲線圖，可讓管理者更直觀了解用電情況及環(huán)境變化?？梢詫崟r遠程控制空調的溫度、關機。當不需使用空調，空調自動關機，達到節(jié)能減排、降低經濟損失的目的。