基于NB-IoT的家電測試參數遠程監控方案的設計

陳麗芬 張濤 楊雙 蔡寧 彭強

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，家電檢測實驗室是其工作的場景之一，以空調熱平衡實驗室為例[1]，實驗室結構采用聚氨酯冷庫板搭建，內含的彩鋼板和不銹鋼板對空間中電磁波信號有很強的屏蔽作用，且該實驗室對密閉性要求較高，不便于網絡走線，如何讓測試樣機在上述環境中依然可以實時準確地輸出測試數據、上報當前狀態，便于廠商和實驗員預測實驗發展趨勢是需要解決的問題。

本文設計的方案采用無線模組采集家電主機的測試數據，經由無線網絡上報至云端，配合前端界面顯示測試數據，實現了用戶隨時隨地遠程監控家電的測試數據及運行情況的功能。

實驗室建筑板材的特殊性要求無線信號穿透力強、網絡覆蓋率高；測試中家電的長時間連續工作特點要求無線模組具備低功耗特性，可長時間維持穩定狀態；此外，還需要云端平臺設計時在可接入樣機數量方面余量充足，便于后續增加接入樣機。

2 方案架構

方案應用場景如圖1所示。

方案中，通信模塊負責采集家電主機的測試數據，經由網絡上報至云端存儲，用戶可以在Web頁面瀏覽當前數據并查詢歷史數據。

（1）無線網絡

相較于有限網絡，無線局域網具有開發運營成本低、發周期短、布線工程量小且沒有距離限制的優點，如表1所示為種類繁多的無線通信技術[2]。

表1 無線網絡技術

NB-IoT省電且信號穿透力強的低功耗長距離廣域網絡特性非常適合檢測實驗室密閉的工作環境，基于授權頻段的工作方式對信號的傳輸穩定性是一種保障。考慮到家電主機單次采集的數據量不大于200 Byte且實時性要求不嚴苛的工作方式，最終選擇NB-IoT為無線模塊的通信方式，網絡體系架構[1]如圖2所示。

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

（2）數據處理

應用數據處理的后臺服務依托智能家電領域行業性公共云服務平臺眾家云平臺提供。眾家云平臺基于智能家電國家標準提供產品智能升級和一站式云端運維服務[3]，可以實現不同企業、不同品牌、不同類型家電間的互聯互通，滿足智能家電產品應用過程中各個環節的數據協同需要。

3 方案實現

3.1 無線模塊選型

國內目前比較活躍的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、空閑態功耗、連接態功耗、TAU能耗、小數據能耗）這4大特性入手，對11項內容進行了評測，結果顯示聯發科MT2625芯片在四大特性中均表現突出，尤其續航能力優秀，設計中選擇了聯發科的NB260作為空調標準機的無線終端模塊，它是基于移遠NB-IoT模塊BC26的小型系統模塊，BC26支持全球頻段的NBIoT網絡，如表2所示，模塊上電后，會根據SIM卡網絡類型自動搜索網絡，無需手動設置頻段。

表2 BC26已支持的頻段

圖1 應用場景圖

圖2 NB-IoT網絡體系架構

NB260采用了省電技術，最大功耗300 mA。小系統板采用2.54標準間距排針，引出BC26模塊的全部可用GPIO口，硬件結構簡單、實用，利于后期調試。

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，綠色指示燈指示網絡狀態。

（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，數據傳輸和軟件升級。

在嵌入式軟件方面，NB260板載OpenCPU方案，可以直接在模塊里開發集成應用，從而省掉外部主控MCU，節約硬件成本，加速應用開發。

表3 NB260-P1引腳描述

3.2 后臺應用服務

在數據處理的服務中使用目前主流的前后端分離技術，MVC架構。

（1）后端

使用包括node、koa2、Mysql等技術框架開發后端服務。

（2）前端

前端使用的技術包括React、React-Router、Redux、Reduxsaga、Dva、Umi、Ant-design以及Antd-admin等技術框架開發前端數據管理頁面。

用戶界面中可以查看無線模塊上報的參數，有數據、圖形2種顯示方式，并且可以導出用戶所需數據。

①數據表頁面

用戶能夠查看所有無線模塊上報的數據，并通過檢索功能，以家電主機主控板地址、無線模塊地址為主鍵，組合日期時間來查詢對應某一臺家電某一時間段的詳細數據。

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在一段時間內的數據曲線，選擇家電依據的是家電主控板地址。

③導出指定設備數據功能

用戶可以在上述2種頁面中導出選中的數據，格式為“.xlsx”。

4 應用驗證

以空調熱平衡實驗室作為測試環境，G廠商生產的空調作為家電主機，測試中NB260模塊與空調主控板連接，將采集到的數據同步傳輸到云端，在前端web頁面監控樣機的運行情況和數據準確性。

（1）無線模塊連接

NB260與空調主機的連接如圖3所示。

圖3 NB260與空調主機電路連接圖

（2）天線設置

為保證無線模塊工作時的信號強度，為其配置了全頻段外置天線。

（3）監測參數

根據主機類型設計所需存儲字段，如表4所示。

表4 后臺數據庫字段

（4）嵌入式軟件

無線模塊軟件采用C語言編寫，綜合考慮主機的數據發送頻率以及SIM卡流量的使用情況，設置模塊的采樣周期為500 ms，數據記錄周期為5 min，數據上報頻率為40 min。軟件流程如圖4所示，無線模塊上報的數據日志可在運營商IoT平臺查看。

圖4 嵌入式軟件流程圖

（5）交互界面設計

在功能實現的基礎之上，本著清晰明了、美觀大方、記憶負擔最小化[5]以及從用戶習慣考慮的原則設計的UI界面如圖5所示。

圖5 UI 界面

從圖5可以看到，用戶可以實時在前端頁面上看到無線模塊上報的空調測試數據，方便用戶查看并分析樣機的當前狀態，驗證了方案的可行性。

5 結論

綜上所述，方案中采用聯發科NB260無線模組作為數據采集器，經由NB-IoT網絡上報測試數據至運營商IoT平臺，依托眾家云平臺實現應用數據的后臺服務及測試數據的前端顯示，用戶可以不受地域限制隨時隨地訪問測試頁面，實現對測試數據以及樣機狀態的遠程監控。基于NB-IoT網絡廣覆蓋、低功耗的優勢，方案經過驗證在屏蔽強密封好的家電檢測實驗室仍然可以正常上報數據，低成本、大連接的特點為系統在可接入樣機數量方面提供充足余量，滿足后續監測點擴展的需求。