基于NB-IoT的智能家居環境感知及安防報警系統

時薇 陳湘國 魏忠誠 李鵬 趙繼軍

摘要：隨著人們對居住環境的要求的不斷提高，原有智能家居系統功能需要不斷擴充，技術需要不斷更新。該文設計一種新型的無線智能家居環境感知及安防報警系統，該系統采用移遠BC-35G NB-IoT芯片，基于運營商部署的NB-IoT網絡，按照星型拓撲方式進行終端組網，并配合開發基于Java語言的客戶端APP，實現采用無線方式搭建本系統，并滿足廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接、運營商級Qos等要求，可以克服傳統系統的不易擴展、功耗高、成本高、網路不穩定、通信協議不統一等弊端。最終該系統達到預期功能，實現了對環境信息的采集以及報警信息的上報，終端與客戶端APP可以實時交互信息，提升了系統的穩定性，加強了業主對家居環境的掌控。

關鍵詞：智能家居;安防報警;低功耗廣域網;NB-loT;Android

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）29-0194-04

1背景

伴隨中國城市化的迅速發展，人們對生活品質的需求不斷提高，自2000年國內開始引進智能家居概念后，結合近年來我國政府大力推進的“互聯網+”政策，智能家居得以飛速發展。目前現有智能家居系統應用場景多為室內環境，包括智能門鎖、智能照明、智能影音、智能環境感知以及報警等部分[2]，早期系統以工作內容為單位，基于不同的通信技術，分別建立獨立工作網絡或系統對功能完成實現。并且原有智能家居的環境感知單元僅關注室內環境，忽略室外環境，由于近年來工業的大力發展，大氣環境污染加劇，空氣中PM2.5等污染物的增多，城市中噪音分貝的提高等問題迫使我們在關注室內環境的同時，不得不同時關注室外環境。原有的家居報警系統單元存在諸多弊端，存在終端感知設備種類稀少，事件觸發后有時延、業主接收信息不及時、全時段監控功耗大成本高等問題。

原有的智能家居通信網絡同時存在一定的弊端，雖然這些技術應用成熟，但針對智能家居中應用還存在一定缺陷。其主要依靠兩種通信方式，一是有線通信，通過電纜、光纖等有形介質傳播信息，有線通信技術雖然成熟穩定但存在功耗高，施工復雜成本大，布線繁瑣破壞家裝，不易于擴展等問題;二是無線通信，比如ZigBee、WiFi、LoRa等技術，雖然無線通信技術能有效避免上述有線通信技術帶來的問題，但自身扔存在一定弊端，網關設在用戶側導致網絡不穩定終端接入量小，功耗大仍存在布線需要施工的問題，且沒有統一的通信協議導致組網單元小不易集中管理。

近年來繼計算機、互聯網與移動通信網之后的第三次世界信息產業的“第三次浪潮”物聯網飛速發展，各種順應物聯網趨勢的通信技術應運而生，如，Sigfox、LoRa、NB-IoT等。本文將選擇低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）中的NB-IoT通信技術解決上述原有智能家居環境感知及安防報警系統的種種弊端，增強系統的穩定性，提高對家居環境的全面感知能力和報警的準確性及時性。

2LPWAN技術選擇

在物聯網技術興起之時，LPWAN作為一種新興的通信模式，補充傳統的蜂窩網絡和短距離通信技術，以滿足物聯網應用的各種需求。LPWAN網絡與傳統的物聯網通信技術不同，其面向物聯網中超低功耗和超遠距離的應用場景演進而來，具有傳輸距離遠、節點功耗低、網絡拓撲結構簡單、易于維護等特點。

LoRa和NB-IoT作為LPWAN中的兩大主流技術各有優劣，競爭激烈，分別由阿里、思科、騰訊和華為、國內三大運營商推動，基于不同的頻譜資源、組網方式等性能指標滿足不同應用場景的需求。基于解決原有系統存在的問題，提高系統的性能，根據比較上述LoRa和NB-IoT通信技術的各項性能指標，選出適合智能家居環境感知及安防報警系統的關鍵通信技術，如表1所示。

2.1LoRa技術

LoRa屬于Semtech公司壟斷的通信技術，使用公司私有協議，很難持續長期的技術演進，面對5G的興起和物聯網應用的大規模落地，LoRa的發展受到了局限。LoRa基于非授權頻段部署網絡，網絡不穩定，受自身頻段干擾，通信質量難以保證。用戶可自行組網，雖組網無須申請，選擇自由，但網關設計復雜，受現場施工條件的限制。相較于NB-IoT，LoRa網絡安全陛偏低，QoS沒有達到運營商級別。

2.2NB-IoT技術

NB-IoT技術源自華為、沃達豐、高通等通信設備制造商以及芯片制造廠商的共同推進和發展，遵循3GPP制定的協議標準，基于統一的物聯網標準化專有協議，NB-IoT易于全面推廣，有利于進行長期持續演進，最終面向5G，成熟應用可大面積落地嘲。NB-IoT基于授權頻段部署，定位運營商級物聯網技術，可直接部署于LTE網絡，或基于運營商2G、3G網絡進行平滑升級部署，具有非常專業的網絡保障和高質量的通信保障。NB-IoT工作在授權頻譜，基于LTE網絡原有架構進行設計，可直接部署于LTE網絡，或利用2G、3G頻譜重更來進行部署，利于運營商實現與傳統網絡的共站部署，加強即將退網的傳統2G、3G網絡再利用，降低建網成本。因此NB-IoT網絡系統具有運營商級的安全等級，網絡覆蓋范圍和信號質量。

通過對比LoRa和NB-IoT技術，本系統最終選用NB-IoT作為搭建系統的通信技術，基于上述NB-IoT的各項特性，可以有效解決早期系統存在的缺陷，提升系統的性能。

3基于NB-IoT的智能家居環境感知及安防報警系統構建

基于NB-IoT的智能家居環境感知及安防報警系統構建遵循物聯網系統的劃分結構，從下向上分為四個層次，分別是感知層、網絡層、數據層和應用層。本系統設計的體系架構如圖1所示。

3.1感知層

感知層是本結構的最底層，為面向應用環境部署的終端網絡，包括傳感模塊、電源模塊、NB-IoT通信模塊、控制模塊，傳感模塊硬件結構圖如圖2所示。傳感模塊負責采集感知設備的數據，本系統采用市場現有的成熟環境感知設備和安防報警設備，現有NB-IoT通信模塊負責將數據發送至運營商部署的NB-IoT網絡，同時NB-IoT模塊也接收并響應網關下發的命令，完成數據上發任務。

單片機采用STM32F103系列低功耗單片機，基于ARM最新架構，內核為32位處理器，內置128KB的Flash，20K的RAM，以CPU速度訪問，可以滿足系統性能需求。NB-IoT通信模塊采用移遠BC-35G通信模塊，基于BC28內核，能夠實現全網通，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28多頻段通信，其高性能，低功耗、小體積的特點具有顯著優勢。

3.2網絡層

本系統網絡層采用NB-IoT技術，與原有2G、3G網絡相比NB-IoT最大鏈路預算提升20dB，覆蓋面積提升了100倍，基站單扇區可支持超過五萬個UE連接，網絡信號可以達到農村、山區、地下區域，支持本系統應用到除城市外更廣范圍的地區川。

NB-IoT支持三種部署模式，分別為獨立（standalone）部署、保護帶（Guard-Band）部署、帶內（In-Band）部署。這三種部署模式在頻譜、兼容性、覆蓋面積、容量、時延等方面的優勢各不相同。獨立部署獨占頻譜，與現有系統不存在共存問題，無須考慮與現有系統的兼容性問題。保護帶部署和帶內部署均需考慮與現有LTE系統共存問題，如干擾規避、射頻指標等問題。三種部署模式均滿足滿足3GPP協議的覆蓋需求、容量需求和時延需求，其中獨立部署模式覆蓋面積最大，小區容量最大，時延最小。保護帶部署模式和帶內部署模式覆蓋面積小于獨立部署模式，小區支持容量略小與獨立部署模式，時延略大于獨立部署模式。本系統使用運營商網絡，部署模式為獨立部署，支持容量最大，傳輸質量最高，時延最小。

3.3數據層

本系統的數據接收與處理選擇采用開放平臺即OneNET物聯網平臺，平臺定位于PaaS（Plafform-as-a-Set-vice：平臺即服務），便于搭建搭建高效、穩定、安全的應用系統，支持多種標準協議的設備接人，如CoAP（LWM2M）、MOTT、Modbus、HTI'P等，提供API和數據分發能力，支持多語言開發SDK。專門提供適用于CoAP協議使用的DTLS加密通道，能夠充分保證用戶數據的傳輸安全，從而提升整個系統的安全性能。

3.4應用層

本系統的應用單元可以分為三個部分，分別為智能家居基礎部分，環境感知部分以及安防報警部分。智能家居基礎部分包括傳統的智能門鎖、門磁、溫濕度等感知節點;環境感知部分主要為室內的一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、噪聲、PM2.5、PM10、光照等感知節點以及室外的風速、風向、氣壓等感知節點;安防報警部分包括燃氣報警器、煙霧報警器、玻璃破碎傳感器、震動傳感器、紅外傳感器、水浸傳感器、一鍵報警等報警終端。感知數據上傳至開發的Android客戶端，用戶可隨時接收數據，處理報警信息，實現系統的完整性。

4基于NB-IoT的智能家居環境感知及安防報警系統關鍵技術

本文將基于NB-IoT的智能家居環境感知及安防報警系統分為四個部分，分別為前端感知部分、傳輸網絡部分、云平臺部分以及手機客戶端部分。根據功能和部署環境將感知終端分為三個部分，分別為室內外環境感知單元，智能家居基礎設施單元和安防報警單元。系統結構如圖3所示。

4.1網絡拓撲結構

目前現有的無線網絡終端組網拓撲方式為以下四種，分別為總線型拓撲、樹型拓撲、環型拓撲、星型拓撲，四種拓撲形式各有利弊，如圖4所示。

總線型拓撲結構簡單，部署靈活，基于同一信道將多個終端連接起來，每個終端直接連接至總線，成本低，連接簡單，終端之間信息可以進行交互，便于信息共享。但也存在弊端，信息交互時會互相產生影響，信息傳送存在延遲，實時性受到影響;出現故障難以診斷，不易隔離維護，整體容易癱瘓。

樹型拓撲由總線型拓撲演進而來，實質為總線型拓撲加人分支，分支結構對稱。樹型拓撲能夠改善總線型拓撲的缺點，減少延遲，分支故障易于診斷，但樹型拓撲節點間信息共享不充分，維護工作復雜，整體結構過于依賴根節點，系統運行受根節點狀態影響。

環形拓撲異于其他拓撲形式，環形拓撲是閉合型拓撲結構，將各個終端通過環形信道連接起來，任何終端可以請求發送信息，其他終端可以接收信息，環形網中數據可以進行雙向傳輸。環形網絡的節點出現故障會導致整個網絡的癱瘓，穩定性差。

星型拓撲采用中央節點向外輻射終端的形式組網，采用中央節點集中控制其他終端的通信工作方式進行管理，結構簡單便于管理，數據的轉發無須路由的選擇，終端出現故障便于查找維護，發生故障終端不影響其他終端工作，而且易于擴展。但中央節點工作復雜，負擔較重，對其性能要求較高。

結合上述各種類型的拓撲特點，本系統終端組網方式將選擇采用星型拓撲結構。智能家居環境感知及安防報警系統對系統的穩定性要求較高，要求數據實時傳輸，減少延時;要求系統易于維護拓展，單個終端出現故障時其他終端不受影響，正常工作，系統功能或使用面積需要擴展時，星型拓撲組網方式便于系統更靈活變更;且星型拓撲組網方式的欠缺之處采用NB-IoT通信技術進行組網可以有效的彌補，NB-IoT網絡為運營商網絡，網關在運營商側，無須自行組建網關，運營商技術成熟，網絡覆蓋面積廣，運行維護專業化，保障網關即本系統中央節點的長期穩定工作。

4.2云平臺連接

本系統采用現有開放的OneNET物聯網云平臺進行連接，感知終端與平臺基于CoAP協議進行信息交互。CoAP協議運行于UDP之上，減少開銷支持組播，基于REST模型面向M2M場景開發的輕量級協議，借鑒了HTYP協議機制并進行簡化，消息格式為二進制，因此協議包更小更緊湊，最小僅為4B。CoAP協議定義了四個消息類型，分別為CON、NON、ACK、RST，Re-quest＼Response通過Message進行承載，僅在邏輯上進行區分，封包不區分。數據上行和下行過程如圖5所示。

4.3Android客戶端開發

為了便于業主實時掌握家中的動態并及時處理警情，本系統設計開發了Android客戶端。Android采用的Java語言，在Eclipse環境下進行開發，源代碼完全開放，可參考或借鑒的Ja-va類庫較多，學習方便㈣。本文開發的APP具有以下功能：

1）登錄功能

用戶打開界面，需要輸入正確的用戶名和密碼，驗證通過后得到系統的相關信息和管理權限。

2）顯示數據

登錄后可顯示數值、上傳時間、傳感器工作狀態，報警信息等。

3）下發命令

客戶端可下發命令至感知終端，喚醒休眠狀態的感知終端，上發數據及工作狀態。

功能框圖如圖6所示。

最終展示界面如圖7所示，APP展示界面分為兩部分，分別是智能家居環境感知部分和報警終端部分，能夠實時顯示傳感終端感知的設備以及設備工作狀態，實現終端感知設備與客戶端APP的信息交互功能。

5總結

本文所設計開發智能家居環境感知及安防報警系統整合各個功能單元，基于新興的NB-IoT技術進行終端組網，有效的解決了原有系統存在的種種弊端，提高了系統的穩定性、準確性、及時性等性能。此外本系統配合開發了客戶端使用的APP，提升了系統的完整性和實用性，實現業主對家居環境掌控并能及時接收報警信息及時處理。