基于NB-IoT的智能家居控制系統的研究*

胡文雅 程 莉 黃東棟 曾 宇

（1.武漢工程大學電氣信息學院 武漢 430205）

（2.武漢易思達科技有限公司 武漢 430205）

1 引言

早前人們對家居環境及系統的管控都是通過自身感知來作出相應的判斷與處理，但人為感知并不能及時準確地創造安全舒適的家居環境。隨著物聯網技術的發展與成熟，人們生活水平的提高，智能家居設備受到人們的廣泛關注，家庭生活中的舒適、安全與方便逐漸成為當下的熱點。目前，覆蓋窄、功耗大、成本高、連接小等問題是制約智能家居發展的重要因素。

因此，研究一款覆蓋廣、功耗小、成本低、連接大的智能家居控制系統變得非常必要。2018年山東科技大學設計了一款基于物聯網技術的智能家居監控系統，通過ZigBee傳感網絡采集傳感器數據，將采集到的數據匯聚至網關，再通過移動網絡發送至服務器［17］；2017年安徽理工大學設計了一款基于STM32的家庭智能家居設計，采用2.4GHz射頻通信和GPRS移動通信來完成系統的設計［18］。以上研究雖然較最初的家居設備監測完善且方便，但是在功耗、成本、連接和覆蓋上仍然存在不足。

本文從智能家居實際需求出發，采用NB-IoT模塊和云服務器設計出了一套從底層硬件到上層云平臺的控制系統設計方案，很好地解決了上述問題，具有很高的應用價值［5，12］。

2 NB-IoT技術優勢與原理

NB-IoT是一個空中接口標準，這個標準主要是在終端與基站eNB之間的約定，與LTE空口標準有許多相似之處。NB-IoT的多址技術，上行采用SC-FDMA，發射功率為43dBm，下行采用OFDM，發射功率為23dBm，調制方式以QPSK和BPSK為主。

NB-IoT相較于其他物聯網技術的比較如表1所示，通過對比它的技術優勢有：1）超強覆蓋，相對于原來的GPRS系統，增加20dB信號增益，通過重復發送，獲得時間分級增益，并采用低階調制方式，提高解調性能，增強覆蓋；2）超低功耗，NB-IoT引入了eDRX省電技術和PSM省電模式。在PSM模式下，NB-IoT終端仍舊注冊在網，但不接受信令，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的，另外eDRX省電技術延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少信號接收單元不必要的啟動，使終端睡眠質量更好，從而功耗更低；3）超低成本，5美元模組成本，簡化射頻硬件降低協議成本，基帶復雜度小；4）超大連接，200kHz小區容量可達100K用戶設備，NB-IoT因為基于窄帶，上行傳輸有兩種帶寬3.75kHz和15kHz可供選擇，帶寬越小，上行調度顆粒小很多，在同樣資源利用情況下，資源的利用率會更高［8，10］。

表1 NB-IoT相較于其他物聯網技術的比較

3 系統分層結構設計

從技術架構和功能角度來看，基于NB-IOT的智能家居控制系統的分層結構如圖1所示，自底向上分為感知層、傳輸層和應用層［1］。

圖1 系統分層結構圖

感知層包括各家居傳感器和控制器裝置，用以采集家居環境的溫濕度，光照度以及煙霧情況，當家居環境超過傳感器設置的閾值的時候，控制器將作出相應的而響應。

傳輸層基于標準物聯網通信接口&協議，采用先進的NB-IoT無線通信技術，授權無線頻譜資源以及電信級端到端的安全技術，以保障數據接入安全，物聯網云平臺層擁有豐富的協議適配能力，支持海量多樣化終端設備接入，基于統一規約和接口，實現不同類型終端設備的統一接入和管理，以確?；ヂ摶ネā?/p>

應用層是在服務器上運行的家居設備管理平臺，管理員可以在PC終端通過Internet經身份驗證后進行遠程數據查詢和控制，還可在手機或平板上安裝APP，實現隨時隨地的信息監測與管理操控［6］。

4 系統硬件結構及電路設計

4.1 系統硬件結構設計

系統硬件結構框圖如圖2所示。采用STM32F103RCT6芯片作為核心處理器，該信號芯片引腳數為64，芯體尺寸是32位，速度是72MHz，FLASH容量為256KB，SRAM容量為48KB，具有5路串口、7個定時器、7路通用DMA、48個通用IO口［9，11］，功能包括：1）接收傳感器采集的環境信息，并將處理后的信息發送給NB-IoT模塊，然后上傳到云平臺；2）接收從云平臺通過NB-IoT模塊轉發的家居設備控制命令并下發給相應的控制器。

圖2 系統結構框圖

NB-IoT模塊采用BC95作為射頻模組與系統進行數據交互，BC95模塊其尺寸僅為19.9*23.6*2.2mm，能滿足終端設備對小尺寸模塊的需求，采用易于焊接的LCC封裝，同時在設計上兼容GSM/GPRS系列的M35模塊，方便對產品進行快速、靈活的設計和升級［7］，通過850MHz射頻天線將家居設備的狀態數據直接上傳到云平臺，接收云平臺家具設備的控制命令下發給控制器，控制器作出相應響應［2］。

STM32通過IO控制，設計有友好的人機交互界面，用戶在液晶觸摸屏上根據提示能夠完成相應的操作與設置；另外STM32通過串口通信連接GPS定位器，經過STM32進行優化處理后，系統所在位置經緯度在液晶觸摸屏和PC終端顯示屏上顯示。

4.2 系統硬件電路設計

NB-IOT模塊由BC95模塊、濾波器天線電路、SIM插座、復位電路和網絡指示燈組成。BC95模塊硬件電路如圖3所示。其中15號引腳為模塊復位信號，外接一個1kΩ的上拉電阻，防止線路較長時，產生寄生電容，影響穩定性；53號引腳為射頻天線引腳，外接SMA連接器電路；18號引腳為網絡指示燈指示網絡狀態；38號引腳為SIM卡供電電源，39號引腳為SIM卡復位信號，40號引腳為SIM卡數據信號，41號引腳為SIM卡時鐘信號。經系統測試與調試，NB-IoT模塊電路是行之有效的，很具有參考價值。

家居環境狀態信息的采集與響應還需要溫濕度傳感器、光照度傳感器、煙霧傳感器以及繼電器、蜂鳴器等控制器，還有實現人機交互的液晶顯示器。這些外接的GPS定位器、傳感器、控制器以及顯示器的電路分別如圖4～10所示。經系統測試與調試，外接各傳感器電路圖經測試也都是行的通的。

圖3 BC95模塊硬件電路圖

圖4 GPS電路圖

圖6 煙霧傳感器電路圖

圖7 照度傳感器電路圖

圖8 蜂鳴器電路圖

圖9 繼電器電路圖

圖10 液晶觸摸屏電路圖

5 系統軟件結構設計

系統軟件設計主要包括核心處理器STM32接口程序設計和服務程序設計兩部分。STM32接口程序設計主要包括傳感器信息采集，控制器IO控制，人機交互界面設計和與NB-IoT模塊進行串口通信程序設計，主要完成終端節點采集到的數據順利傳送到云服務器。服務程序設計主要包括網頁設計，http服務器搭建，數據庫建立，UDP通信控制腳本設計，主要完成把傳感器采集的信息寫入數據庫進行存儲分析，如果超過監控閾值則下發控制信息，STM32收到控制消息進行通風報警等操作［15～16］。

5.1 核心處理器STM 32接口程序設計

系統上電后首先對系統進行初始化，插入SIM卡使NB-IoT模塊入網，GPS定位開啟通過UDP通信將位置信息上報給服務器，IIC總線采集溫濕度的值，ADC采集光照度和煙霧值都通過UDP通信將數據信息上報給服務器，NB-IoT模塊收到來自服務器下發的控制信息，在液晶觸摸屏上顯示友好的人機交互界面，用戶可直接進行操作。接口主程序流程圖如圖11所示。

5.2 服務程序設計

服務程序設計主要完成傳感器信息的讀寫，傳感器信息在網頁上的顯示以及控制信息的下發。開啟UDP服務器監聽的所有端口，將相應端口的傳感器信息寫入數據庫并在網頁上進行顯示，比較傳感器信息和設置的閾值信息，寫控制信息到數據庫并下發控制命令，控制傳感器接收到命令信息后進行相應的跳電和報警響應。服務程序設計的主流程圖和網頁主流程圖如圖12和13所示。

圖11 接口程序主流程圖

6 系統實現

在PC終端通過Internet經身份驗證后登錄網頁監控界面，如圖14所示，點擊“閾值設置”，設置傳感器的最大最小閾值。如表2所示。

圖14 網頁監控界面

表2 傳感器閾值設置

系統硬件如圖15所示，上電后LED指示燈亮，按照液晶顯示屏提示撥動撥碼開關，各傳感器進入工作檢測狀態。在PC終端監控界面點擊“傳感監控”，實時監測環境溫度、濕度、照度、煙霧度以及所在測試位置的經緯度，并將傳感器的監測數據顯示出來。系統通過所設定的閾值判斷環境是否有“異?！鼻闆r，若有不在閾值范圍的數據系統直接下發控制信息，控制器作出相應響應，在PC終端界面能看到當前控制器的狀態。

圖15 硬件系統

完成與云平臺的對接后，可以對傳感器上傳數據和下發控制指令進行測試［3～4］。在不同環境下系統測試數據如表3所示。

表3 系統測試數據

通過測試數據可知：家居環境適宜時，各傳感器測試數據均在閾值范圍內，控制器沒有響應；陰雨天環境濕度過高超出閾值蜂鳴器發出報警響應提醒用戶收衣服，關窗戶等；正午大太陽天環境下光照度超出閾值蜂鳴器發出報警響應提醒用戶適當關窗簾營造良好的家居環境；用人造煙霧測試系統煙霧報警可靠性，當煙霧值超標時繼電器跳系統發出報警響應提醒用戶斷電并檢查是否有火災隱情，及時減小或避免不必要的傷害或損失。

通過測試，實現了對家居環境的監測以及提醒用戶對家居環境的控制，為家居環境營造安全、舒適的氛圍。同時數據上傳和指令下發傳輸時間都小余2s，相較于基于ZigBee技術和GPRS移動通信技術，其響應速度大大提高，基本滿足對家居環境的實時控制要求。

7 結語

本文提出了一套從底層硬件到上層云平臺的控制系統設計方案，基于NB-IoT的技術優勢，很好地解決了當前智能家居環境監測系統存在的覆蓋窄、功耗大、成本高、連接小的問題。通過瀏覽器訪問服務器，實現了家居環境溫濕度，光照度以及煙霧情況的實時監測與控制。用戶可以通過不同的終端，方便快捷地對整個家居系統進行實時監控及家居環境信息的集中管理，體現了智能家居舒適、方便、安全、節能的生活方式。

同時本系統也存在一些不足，系統通過監測環境對超過閾值的情況做出了跳電報警響應，窗戶、窗簾，風扇，空調等家具設備還是需人為地去開關。未來希望在此NB-IoT智能家居控制系統的基礎上，連接電動窗簾遠程開關控制器，風扇轉速控制器，空調調節控制器等，通過“一鍵操作”，真正實現管控所有家居設備的狀態。