基于NB-IoT技術的空調共享系統設計

陳偉杰 蔡團生 馬海東

摘要：為了解決一些高校對空調的迫切需求，而又由于資金短缺、線路改造難等原因，難以大批量采購空調的困難，設計一種空調共享系統。該共享空調系統采用NB-IoT通信模塊，依托電信的窄帶物聯網，通信數據上傳到電信云，微信小程序接入云平臺對空調狀態進行顯示和控制，實現對空調的掃碼租賃、退租和集中控制等共享操作。

關鍵詞：空調器 NB-IoT 共享系統

1 引言

NB-IoT網絡，由LTE技術發展而來，是基于蜂窩的窄帶物聯網技術，僅消耗180kHz的帶寬，與藍牙、ZigBee、wifi和其他短距離通信技術相比，移動蜂窩網絡具有覆蓋范圍廣和移動連接能力強的特點，可用于各種各樣、豐富多彩的應用程序基于此，本文采用NB-IoT模組，使用電信窄帶物聯網，結合微信小程序接入電信云平臺，設計一種空調的共享系統。

2 系統總體框架設計

系統的結構分為應用層、平臺層、網絡層和終端層，應用層為微信小程序，接入電信云平臺;平臺層為SAAS平臺，可以查看數據、集中控制、運維管理等等。網絡層為NB-IoT網絡，網絡層通過NB-IoT通信模塊發送到NB-IoT基站，再由基站經由核心網轉發至電信云平臺。該層是將物聯網與窄帶通信技術融合的核心;終端層為MCU模塊、NB-IoT模塊、各傳感器模塊，傳感器將采集的數據通過NB-IoT模塊發送到基站。

3 硬件設計

硬件部分主要是MCU模塊、NB-IoT模塊和各傳感器模塊，MCU模塊選用16位單片機;NB-IoT模塊，支持B5和B8頻段，支持FOTA升級，模塊休眠模式為DRX模式;傳感器模塊有溫濕度傳感器、光敏傳感器、紅外傳感器等;NB-IoT模塊SIM卡采用中國電信的4G 消費級物聯網專用卡，通過UART串口與MCU進行通訊。

4 軟件設計

軟件部分主要包括三部分：主控程序、微信小程序開發、SAAS平臺。

4.1 主程序軟件設計

主程序主要編寫芯片的底層初始化代碼，各傳感器的驅動程序以及與NB-IoT通訊協議部分的程序代碼編寫，實現對空調狀態數據的上報，對云端下發的命令進行執行，從而對空調實現了實時控制。

主程序在接收到NB-IoT模組發來的租賃狀態前，不處理遙控器、小程序和應急按鍵的操作，空調處于上鎖狀態;在用戶掃碼租賃后，主程序接收到來自NB-IoT模組發來的租賃狀態后，解鎖空調，用戶可通過遙控器、小程序操作設備，至此，實現了租賃時可操作，退租時不可操作，空調的共享邏輯。

4.2 微信小程序設計

微信小程序使用微信開發者工具開發。界面分為主界面和空調控制界面，主界面主要包括租賃空調設備列表，可以進行掃碼租賃、退租等操作，還可查看訂單、充值記錄、安裝維修記錄等;空調控制界面則涵蓋常規空調控制按鈕等功能按鈕。

小程序端將指令發送到云端，云端將數據發送到NB-IoT基站，基站將指令發送到NB-IoT模組，最終實現對空調的控制。

4.3 SAAS平臺設計

物聯網平臺層的開發工作主要包括設備能力描述文件開發和編解碼插件開發。本系統中，其服務主要包括：分組管理、設備管理、運維人員管理、套餐管理、數據查詢、命令下發、安裝維修、分成收益等。

平臺能對空調設備進行分組管理，從而實現空調的集中控制。

5 測試驗證

將NB-IoT模組imei號添加進SAAS平臺，導出共享二維碼。再生成安裝單，在微信小程序安裝工單處掃共享二維碼安裝空調設備。接著微信掃描共享二維碼，選擇套餐租賃使用。測試結果，能夠正常控制空調設備，響應時間為1秒左右。在NB-IoT設備進入休眠狀態時，首次操作小程序喚醒需要3秒左右，之后空調均在1秒左右響應指令。

集中控制功能在不同的信號強度下測試結果顯示，RSRP小于-90dbm時，集中控制功能可靠性大幅下降，信道擁堵所導致。因此，集中控制功能建議在RSRP大于-90dbm時使用。

6 共享方案設計

空調的共享模式不同于共享單車、共享充電寶，共享空調主要是面向學校客戶，針對一些學校資金短缺的情況，空調廠商免費提供空調，包括前期安裝和后期維護，將空調按照到每個宿舍，學生可掃碼租賃使用，根據不同的學校可以定制化不同的租賃套餐，可按使用時間租賃，亦可按學期、學年租賃，可隨時續租、退租，一個宿舍所有成員都可通過小程序控制空調，一個宿舍僅需花少量的錢即可享受到空調帶來的舒適感。

當空調無人租賃時，空調屬于上鎖狀態，小程序和遙控器皆不可控制。待用戶掃碼租賃后，解鎖設備，空調可控制。若空調租賃套餐時間到期，空調自動上鎖，避免用戶還能繼續操作。

7結論

本文基于NB-IoT模組設計一種空調的共享系統。實驗表明，采用NB-IoT模塊使空調連接范圍廣、突破了傳統通信距離和空間障礙限制，能覆蓋到4G NB-IoT網絡覆蓋的每個區域，加上低成本、低功耗等優勢，該技術方案可延伸到其他應用場景，在未來有非常大的應用前景。

參考文獻

[1]葉鑫華.NB-IoT共享單車端到端優化研究[J].物聯網技術，2019，9（11）：116-120.

[2]韓琛曄，張微微.基于NB-IoT的智能家居系統設計[J].物聯網技術，2021，11（02）：69-71.

[3]周磊，鄭文濤，安永麗.基于NB-IOT私家泊位共享系統設計與實現[J].電腦知識與技術，2018，14（34）：268-270.

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