袁 興，鄧成中，譚 天，何紫楊

（西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引 言

近幾年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人民的生活水平不斷提高，人們對(duì)于生活品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，這促進(jìn)了智能家居行業(yè)的快速發(fā)展。智能家居控制系統(tǒng)主要運(yùn)用了自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)來(lái)為人們提供一種安全、方便、舒適的居住環(huán)境[1]。目前的智能家居控制系統(tǒng)大多數(shù)采用藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)先構(gòu)成無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)后，再連接控制終端的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境參數(shù)和家用電器的監(jiān)測(cè)與控制。但藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)存在著通信距離短、功耗大、連接小、成本高等缺點(diǎn)[2-3]，在一定程度上限制了智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展。

低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟為智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展開(kāi)辟了一條新的道路。其中NB-IoT技術(shù)作為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)中的一種，具有功耗低、覆蓋廣、連接大、成本低等優(yōu)點(diǎn)[4-5]?；贜B-IoT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一種基于M5310A與OneNET云平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)采用基于M5310A芯片的NB-IoT無(wú)線傳輸模塊將智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備接入到OneNET云平臺(tái)，OneNET云平臺(tái)再連接用戶終端，最后通過(guò)用戶終端實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢與常用家電的遠(yuǎn)程控制。由于采用了NB-IoT技術(shù)與OneNET云平臺(tái)技術(shù)，使得本系統(tǒng)具有功耗低、覆蓋廣、開(kāi)發(fā)周期短、成本低等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于M5310A與OneNET云平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)由感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成[6]，其總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

感知層的主要功能是檢測(cè)智能家居的環(huán)境參數(shù)以及控制常用家電的開(kāi)啟和關(guān)閉，其主要包括有各種環(huán)境參數(shù)檢測(cè)傳感器、微控制器、窗簾電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、火災(zāi)報(bào)警模塊等。傳輸層主要包括NB-IoT模塊和NB-IoT基站，其利用NB-IoT無(wú)線傳輸技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將系統(tǒng)的底層硬件接入到OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)底層硬件與OneNET云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)和命令傳輸。平臺(tái)層主要用于接收和存儲(chǔ)底層硬件上傳的環(huán)境參數(shù)以及向底層硬件下發(fā)家電控制命令。應(yīng)用層的主要作用是通過(guò)用戶終端實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢以及對(duì)常用家電進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

底層硬件控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括有傳感器檢測(cè)模塊、電源模塊、微控制器、窗簾電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊和火災(zāi)報(bào)警模塊等。傳感器檢測(cè)模塊用于檢測(cè)智能家居的環(huán)境參數(shù)，包括溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-2和光照傳感器BH1750，分別用于對(duì)家居環(huán)境的溫濕度參數(shù)、煙霧濃度和光照強(qiáng)度的檢測(cè)[7]。微控制器采用的兆易創(chuàng)新生產(chǎn)的GD32F103CBT6單片機(jī)，其具有4個(gè)定時(shí)器，3個(gè)串口，2個(gè)ADC等豐富的內(nèi)部資源，最高主頻可達(dá)108 MHz。微控制器的主要作用是接收傳感器檢測(cè)模塊采集

圖2 底層硬件控制器硬件結(jié)構(gòu)

2.1 底層硬件控制器設(shè)計(jì)

到的環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)NB-IoT模塊上傳到OneNET云平臺(tái)；以及通過(guò)NB-IoT模塊接收OneNET云平臺(tái)下發(fā)的家電控制命令，并根據(jù)控制命令類型控制常用家電的開(kāi)啟和關(guān)閉；并且還能驅(qū)動(dòng)火災(zāi)報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。微控制器最小系統(tǒng)硬件電路如圖3所示。電源模塊的作用是為智能家居控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供所需大小的電壓。

圖3 微控制器最小系統(tǒng)電路

窗簾電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)窗簾直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的拉開(kāi)或關(guān)閉。本系統(tǒng)使用4個(gè)N型MOS管構(gòu)成H橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)[8]，其硬件電路如圖4所示。其中Q1～Q4為4個(gè)N型MOS管；EG2104芯片是一款高耐壓帶SD快速關(guān)斷功能的MOS管專用驅(qū)動(dòng)芯片，用于驅(qū)動(dòng)4個(gè)MOS管；C11和C12為自舉電容；IN1和IN2為一組互補(bǔ)PWM輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)；SD為快速關(guān)斷信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路工作原理如下：當(dāng)IN1為高電平，IN2為低電平時(shí)，MOS管Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止；當(dāng)IN1為低電平，IN2為高電平時(shí)，MOS 管Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4截止 ；Q1、Q4和 Q2、Q3交替導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)窗簾直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；當(dāng)SD為低電平時(shí)，Q1～Q4均截止，從而實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷功能。

圖4 窗簾電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

繼電器驅(qū)動(dòng)模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)常用家用電器的開(kāi)啟或關(guān)閉，其硬件電路如圖5所示。繼電器驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)光耦和三極管控制繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)常用家用電器的開(kāi)啟和關(guān)閉，如電燈、電視、飲水機(jī)、空調(diào)等。

圖5 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路

當(dāng)智能家居發(fā)生火災(zāi)時(shí)，傳感器檢測(cè)模塊檢測(cè)到環(huán)境的溫度和煙霧濃度過(guò)高，則認(rèn)為有火災(zāi)發(fā)生，微控制器驅(qū)動(dòng)火災(zāi)報(bào)警模塊報(bào)警。火災(zāi)報(bào)警模塊的硬件電路如圖6所示，這里通過(guò)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈來(lái)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

圖6 火災(zāi)報(bào)警模塊電路

2.2 NB-IoT模塊硬件設(shè)計(jì)

NB-IoT模塊的作用是將智能家居控制系統(tǒng)的底層硬件接入到OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)底層硬件與OneNET云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)和命令交互，其硬件電路如圖7所示，主要包括M5310A芯片、SIM卡座、RF天線和固件下載接口等。M5310A芯片是中移物聯(lián)網(wǎng)公司生產(chǎn)的一款工業(yè)級(jí)多頻段NB-IoT模組芯片，內(nèi)嵌MQTT/LwM2M/COAP等多種傳輸協(xié)議及擴(kuò)展AT指令，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的AT指令即可實(shí)現(xiàn)NB-IoT模塊與OneNET云平臺(tái)之間的連接[9]。并且M5310A芯片支持PSM和eDRX兩種節(jié)電技術(shù)，滿足系統(tǒng)對(duì)低功耗的要求。通過(guò)NB-IoT模塊可將智能家居的環(huán)境參數(shù)上傳到OneNET云平臺(tái)，以及接收OneNET云平臺(tái)下發(fā)的家電控制命令。

圖7 NB-IoT模塊硬件電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括環(huán)境參數(shù)采集與上傳程序設(shè)計(jì)、命令接收與家電控制程序設(shè)計(jì)和用戶終端界面設(shè)計(jì)3部分。

3.1 環(huán)境參數(shù)采集與上傳程序設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)采集與上傳程序流程圖如圖8所示。在系統(tǒng)上電后，首先對(duì)基本外設(shè)、I/O口、傳感器檢測(cè)模塊和NB-IoT模塊等進(jìn)行初始化；接著通過(guò)向NB-IoT模塊發(fā)送AT指令連接OneNET云平臺(tái)；OneNET云平臺(tái)連接成功后開(kāi)啟定時(shí)器中斷并等待定時(shí)時(shí)間到；定時(shí)時(shí)間達(dá)到后利用傳感器檢測(cè)模塊采集家居環(huán)境參數(shù)并通過(guò)NB-IoT模塊上傳到OneNET云平臺(tái)；數(shù)據(jù)上傳完成后等待下一次定時(shí)時(shí)間達(dá)到后再進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集與上傳。

圖8 環(huán)境參數(shù)采集與上傳程序流程

3.2 命令接收與家電控制程序設(shè)計(jì)

命令接收與家電控制程序流程圖如圖9所示。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作；接著通過(guò)NB-IoT模塊接收OneNET云平臺(tái)下發(fā)的家電控制命令并通過(guò)串口發(fā)送給底層硬件控制器；底層硬件控制器通過(guò)串口接收下發(fā)的家電控制命令，并根據(jù)控制命令的類型驅(qū)動(dòng)繼電器或窗簾直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)常用家用電器（窗簾、電燈、電視、飲水機(jī)、空調(diào)等）的開(kāi)啟與關(guān)閉。控制命令執(zhí)行完成后繼續(xù)等待接收下一個(gè)控制命令。

圖9 命令接收與家電控制程序流程

3.3 用戶終端界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)用戶終端可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢以及可對(duì)常用家電進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，其主要包括手機(jī)移動(dòng)端和Web網(wǎng)頁(yè)端。用戶終端的界面設(shè)計(jì)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，但OneNET云平臺(tái)為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)比較簡(jiǎn)單實(shí)用的開(kāi)發(fā)工具，使開(kāi)發(fā)者可以快速的構(gòu)建自己的應(yīng)用終端界面。開(kāi)發(fā)者只需在OneNET云平臺(tái)應(yīng)用開(kāi)發(fā)端拖拽相應(yīng)控件，并設(shè)置好參數(shù)屬性，即可完成應(yīng)用終端界面設(shè)計(jì)[10]。本文利用OneNET云平臺(tái)提供的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具來(lái)構(gòu)建智能家居控制系統(tǒng)的手機(jī)APP和Web網(wǎng)頁(yè)用戶終端界面，用于對(duì)智能家居環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢與常用家電的遠(yuǎn)程控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試

燒寫好底層硬件控制器程序后對(duì)系統(tǒng)上電，登錄OneNET云平臺(tái)開(kāi)發(fā)者中心，在設(shè)備列表中設(shè)備狀態(tài)顯示為在線狀態(tài)，如圖10所示，說(shuō)明成功連接OneNET云平臺(tái)。通過(guò)OneNET云平臺(tái)應(yīng)用管理Web網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)APP，可實(shí)時(shí)查詢智能家居的環(huán)境參數(shù)（溫濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度），以及通過(guò)相應(yīng)控件可遠(yuǎn)程控制常用家電（窗簾、電燈、電視、飲水機(jī)、空調(diào)等）的開(kāi)啟與關(guān)閉。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、上傳數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、控制命令的響應(yīng)速度較快，滿足系統(tǒng)要求。手機(jī)APP界面和Web網(wǎng)頁(yè)界面分別如圖11和圖12所示。

圖10 設(shè)備狀態(tài)圖

圖11 手機(jī)APP界面

圖12 Web網(wǎng)頁(yè)界面

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于M5310A與OneNET云平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于M5310A芯片的NB-IoT模塊將智能家居控制系統(tǒng)的底層硬件接入到OneNET云平臺(tái)，可通過(guò)用戶終端實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居溫濕度參數(shù)、煙霧濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢，并且還能遠(yuǎn)程控制常用家電的開(kāi)啟和關(guān)閉。由于采用了NB-IoT技術(shù)與OneNET云平臺(tái)技術(shù)，使得本系統(tǒng)具有功耗低、覆蓋廣、成本低、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)，在智能家居領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。