物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今信息社會發(fā)展的重要趨勢之一，支撐萬物相互聯(lián)接的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如：Wifi、藍(lán)牙、Zig‐ bee、SigFox 和NB-IoT 等得到了快速的發(fā)展.NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。 NB-IoT 構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz 的頻段，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)， 以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級.NB-IoT 具備四大特點(diǎn)：一是廣覆蓋，將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT 比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，相當(dāng)于提升了100 倍覆蓋區(qū)域的能力；二是具備支撐連接的能力，NB-IoT 一個扇區(qū)能夠支持10 萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；三是更低功耗，NB-IoT 終端模塊的待機(jī)時間可長達(dá)10 a；四是更低的模塊成本，企業(yè)預(yù)期的單個接連模塊不超過5 美元.NB-IoT 使用License 頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波3 種部署方式， 與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。 當(dāng)前，NB-IoT 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重要的發(fā)展方向之一，但NB-IoT 在智能家居上的開發(fā)使用案例并不多。 并且當(dāng)今在用的智能家居大部分仍然處于局域網(wǎng)階段，不能很好地滿足人們對真正意義智能家居的要求，不能很好實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時監(jiān)控。 研究采用NB-IoT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程實(shí)時環(huán)境監(jiān)測和智能設(shè)備的控制，不再局限于局域網(wǎng)，而是更大范圍的廣域網(wǎng)通信.NB-IoT 技術(shù)在智能家居上的應(yīng)用使得人們的生活充滿智慧，在家居智慧設(shè)備中使用廣泛，市場發(fā)展前景可觀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于NB-IoT 技術(shù)設(shè)計(jì)了一個具有實(shí)時遠(yuǎn)程測控功能的小型智能家居測控系統(tǒng)。 測控系統(tǒng)由系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)、底層硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測試和結(jié)果分析幾部分構(gòu)成。 如圖1 所示，設(shè)計(jì)開發(fā)主要包括家居系統(tǒng)、NB-IoT 下位機(jī)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、華為云服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制顯示軟件5 個部分組成。

圖1 基于NB-IoT 的小型智能家居測控系統(tǒng)

如圖2 所示，NB-IoT 下位機(jī)系統(tǒng)主要由主控芯片STM32L151、NB-IoT 通信模塊BC95、傳感器網(wǎng)絡(luò)和各執(zhí)行器設(shè)備組成。 通過各傳感器設(shè)備和執(zhí)行器設(shè)備的配合實(shí)現(xiàn)對家庭環(huán)境的檢測調(diào)節(jié)，由氣體監(jiān)測傳感器監(jiān)測家庭環(huán)境中的一氧化碳及其他有害可燃?xì)怏w，通過排氣風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w泄漏自動調(diào)節(jié)和火災(zāi)聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警提示等；由光照監(jiān)測傳感器、人體監(jiān)測傳感器和LED 燈、窗戶控制器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光照強(qiáng)度的自動調(diào)節(jié)，并由雨滴監(jiān)測傳感器實(shí)現(xiàn)晴雨天氣窗戶的自動開關(guān)調(diào)節(jié)；由溫濕度傳感器和排氣扇、窗戶控制器等設(shè)備對家庭中的溫濕度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。 并由主控芯片將從傳感網(wǎng)中收集回來的數(shù)據(jù)通過NB- IoT 通信模塊向上發(fā)送。 由于本系統(tǒng)采用電信物聯(lián)網(wǎng)卡，因此通信采用的是電信2G、3G、4G 網(wǎng)絡(luò)，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要將數(shù)據(jù)上傳至公有網(wǎng)絡(luò)的華為云服務(wù)器，所以主控芯片通過NB-IoT 通信模塊向上發(fā)送的數(shù)據(jù)要經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)從電信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至公有網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器。 華為云服務(wù)器端在接收到數(shù)據(jù)后在遠(yuǎn)程控制顯示軟件上顯示數(shù)據(jù)信息，遠(yuǎn)程控制顯示軟件也可以通過華為云服務(wù)器下發(fā)控制命令控制家庭中的執(zhí)行器設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

2 底層硬件設(shè)計(jì)

硬件電路由MCU 模塊（NB-IoT 通信模塊）、驅(qū)動模塊、窗簾驅(qū)動電路板、窗戶開關(guān)步進(jìn)電機(jī)、環(huán)境氣體調(diào)節(jié)風(fēng)扇和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。 通過各個傳感器模塊的協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)外環(huán)境情況監(jiān)測并將數(shù)據(jù)收集到主控芯片內(nèi)，通過NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳轉(zhuǎn)發(fā)至華為云服務(wù)器端并通過程序設(shè)計(jì)按照監(jiān)測到的狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)顯示和命令下發(fā)，下位機(jī)控制系統(tǒng)做出相應(yīng)的動作，從而使各個模塊協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)智能家居的基本功能。 圖3 是智能家居系統(tǒng)硬件部分的功能運(yùn)行流程圖。 其中，人體傳感器主要是對家庭中人員出入進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)燈光的智能調(diào)節(jié)和竊賊的監(jiān)測報(bào)警；溫濕度傳感器主要是對家庭中的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，液化氣體傳感器是對家庭中的可燃液化氣體等有害氣體進(jìn)行監(jiān)測，雨滴傳感器是對室外天氣情況進(jìn)行監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對窗戶的開關(guān)控制， 窗戶檢測傳感器是對窗戶的開、關(guān)和半開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測顯示，光強(qiáng)傳感器是對室內(nèi)的光照強(qiáng)度監(jiān)測， 實(shí)現(xiàn)光照的自動調(diào)節(jié)。

圖3 硬件功能運(yùn)行流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的通信主要由本地下位機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件之間的通信構(gòu)成，采用UDP 協(xié)議作為通信協(xié)議。 采用UDP 做為運(yùn)輸層協(xié)議主要原因是區(qū)別于TCP 的“三次握手”建立連接和“四次揮手”釋放連接的時延損耗，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)時性。 在應(yīng)用層采用CoAP 協(xié)議與傳輸層的UDP 協(xié)議配套使用更是彌補(bǔ)了UDP 協(xié)議的缺陷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。 數(shù)據(jù)的傳送分為數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)下發(fā)兩部分，數(shù)據(jù)上傳功能主要是本地下位機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，再由轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至華為云服務(wù)器和遠(yuǎn)程控制端；數(shù)據(jù)下發(fā)主要為遠(yuǎn)程控制端和華為云服務(wù)器將所要下發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，再由轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)下發(fā)至本地下位機(jī)系統(tǒng)中。 圖 4 是本地下位機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件之間數(shù)據(jù)收發(fā)通信協(xié)議圖。

圖4 通信協(xié)議圖

表1 和表2 為本地下位機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式定義，其中表1 是上行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，表2 是下行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

表1 上行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議表

表2 下行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議表

通過NB-IoT 通信方式實(shí)現(xiàn)對普通智能家居的智能化，實(shí)現(xiàn)對家庭中的環(huán)境情況的實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，做到對家庭環(huán)境情況調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)程化。 為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件對本地下位機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測控制，采用了UDP 協(xié)議作為本系統(tǒng)的通信協(xié)議， 實(shí)現(xiàn)本地室內(nèi)外環(huán)境情況的實(shí)時上報(bào)、遠(yuǎn)程控制端對本地環(huán)境情況調(diào)節(jié)的實(shí)時控制。 因此軟件的程序設(shè)計(jì)中主要包含與下位機(jī)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)接收、指令發(fā)送3 部分軟件設(shè)計(jì)。 其中與下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)鏈接組建部分包含網(wǎng)絡(luò)UPD 協(xié)議編程，是此程序設(shè)計(jì)的核心。 系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

數(shù)據(jù)接收部分主要功能是對本地下位機(jī)中的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集，包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、室內(nèi)液化氣體監(jiān)測狀態(tài)、門口人員經(jīng)過情況、室外天氣情況等數(shù)據(jù)。 遠(yuǎn)程命令下發(fā)部分程序主要功能是實(shí)現(xiàn)對本地用電器設(shè)備的實(shí)時遠(yuǎn)程控制， 包括遠(yuǎn)程開、關(guān)燈，遠(yuǎn)程開、關(guān)窗，遠(yuǎn)程開、關(guān)排氣扇等。 服務(wù)器端測控軟件界面如圖6 所示。

圖6 服務(wù)器端測控軟件界面

4 實(shí)驗(yàn)測試和結(jié)果分析

為了對系統(tǒng)通信可靠性、溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及遠(yuǎn)程控制的實(shí)時性等信息進(jìn)行驗(yàn)證，在同等環(huán)境下，對智能家居測控系統(tǒng)進(jìn)行了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳下發(fā)反應(yīng)時間測量，溫、濕度檢測準(zhǔn)確性以及光照強(qiáng)度檢測準(zhǔn)確性的測試，結(jié)果如表3—表6所示。

表3 系統(tǒng)測試響應(yīng)時間表

表4 溫度測試表

表5 濕度測試表

表6 光照強(qiáng)度測試表

通過表3 的數(shù)據(jù)可以看得出來，智能家居測控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制反應(yīng)時間的平均值為0.98 s，可以看出遠(yuǎn)程控制的響應(yīng)速度迅速，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到保證。

通過表4 所測量到的數(shù)據(jù)可以得出傳感器測量到室內(nèi)環(huán)境中的平均溫度和實(shí)際測量到的平均溫度相差0.5 ℃，在DHT11 數(shù)據(jù)手冊中給出的±2 ℃的偏差限度之內(nèi)。

由表5 的濕度測量數(shù)據(jù)可以得出溫濕度傳感器模塊測量到的濕度平均值和現(xiàn)實(shí)測量到的濕度的平均值的差距是3.1%，在DHT11 數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的±5% 誤差范圍之內(nèi)。

從表6 得出光照強(qiáng)度傳感器測量到的光強(qiáng)度和實(shí)際測量到的光照強(qiáng)度的平均誤差是0.2 LUX，在數(shù)字光強(qiáng)度光照傳感器GY30 數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

基于NB-IoT 技術(shù)設(shè)計(jì)的智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了測試分析，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)會使我們得家庭生活體驗(yàn)更為舒適便捷，在任何地方都能夠隨時監(jiān)測、觀察家中的環(huán)境情況，對家中出現(xiàn)的情況進(jìn)行報(bào)告，在即將到家時可以提前打開家中的電器設(shè)備，從而減少了等待時間。 而當(dāng)智能家居和NB-IoT 技術(shù)結(jié)合時，更加方便快捷，可以在公司知道家中的環(huán)境情況，可遠(yuǎn)程控制家中設(shè)備的運(yùn)行情況，使得我們的智能家居體驗(yàn)更好，在智能家居的發(fā)展應(yīng)用中具有十分廣闊的前景.