基于窄帶物聯網的空調控制平臺的設計

林東旭　陳明明　耿亮　陳育智

摘 要：物聯網時代是“信息化”時代的重要發展階段，隨著網絡技術的飛速發展，窄帶物聯網（NB-IoT）作為萬物互聯網絡的一個重要分支應運而生，基于蜂窩網絡的通信技術，具備廣域覆蓋、海量接入、低功耗等特征。其應用關鍵技術包括很多，比如傳感器技術、嵌入式技術、移動通信技術等。本平臺主要是通過傳統空調進行智能化改造，通過NB-IoT的無線通訊技術和REST架構的CoAP通訊協議，實現空調的智能化實時控制，并可將此平臺應用于校園設備設施管理、校園環境管理和教育教學管理等方面，實現校園的智能化。

關鍵詞：物聯網；NB-IoT；空調控制平臺；智慧校園

經過2017年“物聯網元年”的爆發，目前，物聯網技術已經滲透各行各業，比如生產制造、交通物流、健康醫療、消費電子、汽車等行業，而NB-IoT是物聯網領域的一項革新性技術，隨著NB-IoT對行業的不斷滲透，生態體系的不斷完善，物聯網技術給社會帶來深遠的影響[1]。目前NB-IoT設備主要以監測為主，例如：智能抄表、智能煙感等設備，其速率的需求還是以低速率、通信時延低敏感為主，而NB-IoT的技術同樣能夠應用在智慧校園的公共設施的監控上，除了能夠獲取設施的狀態監測數據外，還能夠滿足對其進行時延性不高的控制需求。

本平臺采用先進的無線物聯網和工業控制總線技術，設計了一套基于NB-IoT物聯網技術的空調智能調控系統，對空調加裝專用的NB-IoT的空調控制設備，應用移遠的BC95-B5的模組和空調控制總線技術，實現空調機內數據實時監控和控制，同時對每臺空調的運行數據上報到信息中心[2]，并由信息中心提供相關的數據服務，用戶可以通過手機APP和Web網頁的訪問方式查詢空調運行狀態和遠程調節空調運行參數。

1 平臺硬件建設

物聯網的平臺在搭建過程中，要考慮日后應用擴展性和網絡安全性，因此，平臺采用云技術進行建設。利用云平臺計算資源，通過云管理平臺與多臺云平臺服務器融合，將CPU、內存等資源池化，提供云主機所需的CPU、內存等計算資源，以虛擬機形式輸出，具體的云平臺架構如圖1所示。

云平臺系統網絡架構分為存儲網絡平面、管理網絡平面、業務網絡平面、硬件管理（IPMI）網絡平面4個層次。存儲網絡、管理網絡、業務網絡平面均采用冗余部署模式，實現網絡負載均衡及鏈路高可靠。

（1）存儲網絡平面，主要用于云平臺服務器與存儲設備的連接，提供高速、可靠的存儲網絡鏈路，存儲網絡由服務器上FC HBA卡和FC交換機構成。

（2）管理網絡平面，負擔云平臺系統的管理流量，包括對云平臺服務器的管理、云主機在線遷移、系統高可用保障等，管理網絡使用服務器千兆網卡和千兆以太網交換機，并與數據中心網絡連接。

（3）業務網絡，與現有核心網絡架構相連，主要用于云主機內部之間的通信以及與外部網絡的通信。業務網絡由服務器上千兆網卡和千兆以太網交換機，并與核心中心網絡連接。

（4）硬件管理（IPMI）網絡，實現遠程硬件管理和監控。IPMI網絡由服務器上遠程管理卡和千兆以太網交換機組成。

NB-IoT空調控制平臺作為物聯網云平臺的一個業務層中的應用性平臺，其采用B/S結構，應用服務器建設在云端，設備終端安裝在空調頂部，通過電信的窄帶物聯網的通訊技術，完成網絡通訊[3]。平臺建設的網絡結構如圖2所示。

在網絡結構圖中，其服務器提供以下服務（見表1）。

2 NB-IoT網絡通訊

NB-IoT網絡包括NB-IoT終端（空調控制設備終端）、NB-IoT基站、NB-IoT分組核心網、NB-IoT連接管理平臺，在數據通訊上存在南向和北向兩種。南向通訊主要是NB-IoT的終端設備與NB-IoT基站進行網絡數據傳輸[4]。NB-IoT基站是移動通信中組成蜂窩網絡的基本單元，主要完成移動通信網和UE之間的通信和管理功能。即通過運營商網絡連接的NB-IoT用戶終端設備必須在基站信號的覆蓋范圍內才能進行通信。基站不是孤立存在的，屬于網絡架構中的一部分，是連接移動通信網和UE的橋梁，其工作原理如圖3所示。

北向通訊主要是NB-IoT的連接管理平臺與應用服務器之間的網絡數據傳輸，其大多數采用CoAP的通訊協議，并基于華為OceanConnect物聯網平臺提供的RESTful接口編寫Profile，生成編解碼插件，編解碼插件主要用來對NB設備上報的數據進行解碼，同時對下發給NB設備的信令進行編碼的插件，對接前，需上傳到OceanConnect平臺。具體Profile的設計如圖4所示。

3 平臺軟件設計

基于對空調智能改造化的需求，需要提供一個對空調的集中智能化管理平臺，并通過空調控制終端設備進行空調的遠程監測與控制。系統可遠程采集空調的運行狀態和運行日志等數據，并能通過手機APP或PC端控制空調的開關和參數調節[5]。能夠提供空調的統一控制和單獨控制，并具有預約功能，可定時開啟空調和設定空調參數，具體功能如下。

（1）能夠通過無線的通信方式，實現空調與中心系統的數據通訊。

（2）能夠實現空調參數數據的實時采集和空調故障的報警。

（3）能夠對空調進行遠程控制，實現Web端和APP端兩種控制方式。

（4）能夠對空調開關提供預約功能，實現系統自動控制空調。

（5）能夠對空調運行狀態的歷史進行記錄，可進行查詢和圖表統計。

3.1 平臺組成

平臺組成如圖5所示。

3.2 微服務技術

空調控制平臺采用了最新的互聯網微服務架構，將物聯網與互聯網進行有效地融合。微服務架構提倡將單一應用程序劃分成一組小的服務，服務之間互相協調、互相配合，為用戶提供最終價值。微服務架構更適合用Docker容器的方式進行實現，每個容器承載一個服務[6]。一臺計算機同時運行多個容器，就能很輕松地模擬出復雜的微服務架構。

平臺在設計上采用此架構后，將本平臺拆分成各組交互獨立的微服務組件，每個微服務組件只負責自身的那塊業務邏輯，相當于一個單獨的項目，代碼量明顯減少，并可以由不同的獨立研發團隊采用不同的開發技術開發、維護及發布，開發模式更加敏捷、靈活。服務與服務之間通過消息總線進行通訊，解決了單體架構中存在的模塊之間的緊藕合問題。各微服務組件也可以使用不同的存儲方式，并可以將數據存儲在不同的數據庫當中，從業務上實現分庫分表。這種架構使得微服務可以獨立地部署、運行、升級，不僅如此，這個系統架構還讓微服務與微服務之間在結構上“松耦合”，而在功能上則表現為一個統一的整體。這種所謂的“統一的整體”表現出來的是統一風格的界面，統一的權限管理，統一的安全策略，統一的上線過程，統一的日志和審計方法，統一的調度方式，統一的訪問入口等。

4 結語

基于NB-IoT通信網絡的空調控制平臺，不僅為傳統的空調智能化監測與控制上提供了一整套的解決方案，而且也可作為智慧校園中對于“端”的管理提供了一種新型的管理方式，可將其推廣到校園中各個不同的應用場景。

[參考文獻]

[1]白磊，欽仿仿，崔羊威，等.空調的智能控制系統[J].自動化與儀表，2015（5）：50-53.

[2]李熙浤，許超.基于STM32的廣播發射臺空調智能控制系統[J].科教導刊，2018（3）：50-52，154.

[3]周蓓，沈健，龔旻.基于物聯網技術的空調智能控制系統設計[J].常熟理工學院學報，2017（4）：67-70，124.

[4]董勁文.窄帶物聯網（NB-IoT）的技術分析及其應用前景[J].通訊世界，2018（7）：1-2.

[5]廉小親，周棟，成開元，等.基于NB-IoT的空調遠程控制系統設計及實現[J].測控技術，2018（5）：51-55.

[6]BEYENE YD，JANTTI R，TIRKKONEN O，et al.NB-IoT technology overview and experience from cloud-RAN implementation[J].IEEE Wireless Communications，2017（3）：26-32.