基于NB-IoT技術設計的智能家居監測控制系統

物聯網是當今信息社會發展的重要趨勢之一，支撐萬物相互聯接的物聯網技術如：Wifi、藍牙、Zig‐ bee、SigFox 和NB-IoT 等得到了快速的發展.NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）是IoT領域一個新興的技術，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯網市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。 NB-IoT 構建于蜂窩網絡，只消耗大約180 kHz 的頻段，可直接部署于GSM 網絡、UMTS 網絡或LTE 網絡， 以降低部署成本、實現平滑升級.NB-IoT 具備四大特點：一是廣覆蓋，將提供改進的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT 比現有的網絡增益20 dB，相當于提升了100 倍覆蓋區域的能力；二是具備支撐連接的能力，NB-IoT 一個扇區能夠支持10 萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構；三是更低功耗，NB-IoT 終端模塊的待機時間可長達10 a；四是更低的模塊成本，企業預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、保護帶或獨立載波3 種部署方式， 與現有網絡共存。 當前，NB-IoT 技術是物聯網技術重要的發展方向之一，但NB-IoT 在智能家居上的開發使用案例并不多。 并且當今在用的智能家居大部分仍然處于局域網階段，不能很好地滿足人們對真正意義智能家居的要求，不能很好實現遠程的實時監控。 研究采用NB-IoT 技術實現智能家居的遠程實時環境監測和智能設備的控制，不再局限于局域網，而是更大范圍的廣域網通信.NB-IoT 技術在智能家居上的應用使得人們的生活充滿智慧，在家居智慧設備中使用廣泛，市場發展前景可觀。

1 系統總體設計

基于NB-IoT 技術設計了一個具有實時遠程測控功能的小型智能家居測控系統。 測控系統由系統總體框架設計、底層硬件設計、系統軟件設計和實驗測試和結果分析幾部分構成。 如圖1 所示，設計開發主要包括家居系統、NB-IoT 下位機系統、轉發網關、華為云服務器、遠程控制顯示軟件5 個部分組成。

圖1 基于NB-IoT 的小型智能家居測控系統

如圖2 所示，NB-IoT 下位機系統主要由主控芯片STM32L151、NB-IoT 通信模塊BC95、傳感器網絡和各執行器設備組成。 通過各傳感器設備和執行器設備的配合實現對家庭環境的檢測調節，由氣體監測傳感器監測家庭環境中的一氧化碳及其他有害可燃氣體，通過排氣風扇實現可燃氣體泄漏自動調節和火災聲光報警和遠程報警提示等；由光照監測傳感器、人體監測傳感器和LED 燈、窗戶控制器實現室內光照強度的自動調節，并由雨滴監測傳感器實現晴雨天氣窗戶的自動開關調節；由溫濕度傳感器和排氣扇、窗戶控制器等設備對家庭中的溫濕度進行自動調節。 并由主控芯片將從傳感網中收集回來的數據通過NB- IoT 通信模塊向上發送。 由于本系統采用電信物聯網卡，因此通信采用的是電信2G、3G、4G 網絡，而本系統設計需要將數據上傳至公有網絡的華為云服務器，所以主控芯片通過NB-IoT 通信模塊向上發送的數據要經過轉發網關的轉發將數據從電信網絡轉發至公有網絡云服務器。 華為云服務器端在接收到數據后在遠程控制顯示軟件上顯示數據信息，遠程控制顯示軟件也可以通過華為云服務器下發控制命令控制家庭中的執行器設備。

圖2 系統框架設計

2 底層硬件設計

硬件電路由MCU 模塊（NB-IoT 通信模塊）、驅動模塊、窗簾驅動電路板、窗戶開關步進電機、環境氣體調節風扇和傳感器網絡組成。 通過各個傳感器模塊的協調配合實現對室內外環境情況監測并將數據收集到主控芯片內，通過NB-IoT 窄帶物聯網技術上傳轉發至華為云服務器端并通過程序設計按照監測到的狀態進行狀態顯示和命令下發，下位機控制系統做出相應的動作，從而使各個模塊協調配合實現智能家居的基本功能。 圖3 是智能家居系統硬件部分的功能運行流程圖。 其中，人體傳感器主要是對家庭中人員出入進行監測，實現燈光的智能調節和竊賊的監測報警；溫濕度傳感器主要是對家庭中的溫度和濕度進行監測，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行監測，雨滴傳感器是對室外天氣情況進行監測實現對窗戶的開關控制， 窗戶檢測傳感器是對窗戶的開、關和半開關狀態進行監測顯示，光強傳感器是對室內的光照強度監測， 實現光照的自動調節。

圖3 硬件功能運行流程圖

3 系統軟件設計

本系統的通信主要由本地下位機、轉發網關、服務器和遠程監測控制軟件之間的通信構成，采用UDP 協議作為通信協議。 采用UDP 做為運輸層協議主要原因是區別于TCP 的“三次握手”建立連接和“四次揮手”釋放連接的時延損耗，可以實現數據收發的實時性。 在應用層采用CoAP 協議與傳輸層的UDP 協議配套使用更是彌補了UDP 協議的缺陷，實現數據的可靠傳輸。 數據的傳送分為數據上傳和數據下發兩部分，數據上傳功能主要是本地下位機將數據發送至轉發網關，再由轉發網關轉發至華為云服務器和遠程控制端；數據下發主要為遠程控制端和華為云服務器將所要下發的數據發送至轉發網關，再由轉發網關下發至本地下位機系統中。 圖 4 是本地下位機、轉發網關、服務器和遠程監測控制軟件之間數據收發通信協議圖。

圖4 通信協議圖

表1 和表2 為本地下位機、轉發網關、服務器和遠程監測控制軟件之間的數據傳輸協議的數據格式定義，其中表1 是上行數據傳輸協議，表2 是下行數據傳輸協議。

表1 上行數據傳輸協議表

表2 下行數據傳輸協議表

通過NB-IoT 通信方式實現對普通智能家居的智能化，實現對家庭中的環境情況的實時遠程監測和控制，做到對家庭環境情況調節的遠程化。 為了實現遠程監測控制軟件對本地下位機系統的實時監測控制，采用了UDP 協議作為本系統的通信協議， 實現本地室內外環境情況的實時上報、遠程控制端對本地環境情況調節的實時控制。 因此軟件的程序設計中主要包含與下位機組網、數據接收、指令發送3 部分軟件設計。 其中與下位機的網絡鏈接組建部分包含網絡UPD 協議編程，是此程序設計的核心。 系統軟件流程如圖5 所示。

圖5 系統軟件流程圖

數據接收部分主要功能是對本地下位機中的環境狀態數據的收集，包括溫度、濕度、光照強度、室內液化氣體監測狀態、門口人員經過情況、室外天氣情況等數據。 遠程命令下發部分程序主要功能是實現對本地用電器設備的實時遠程控制， 包括遠程開、關燈，遠程開、關窗，遠程開、關排氣扇等。 服務器端測控軟件界面如圖6 所示。

圖6 服務器端測控軟件界面

4 實驗測試和結果分析

為了對系統通信可靠性、溫度、濕度、光照強度以及遠程控制的實時性等信息進行驗證，在同等環境下，對智能家居測控系統進行了遠程數據上傳下發反應時間測量，溫、濕度檢測準確性以及光照強度檢測準確性的測試，結果如表3—表6所示。

表3 系統測試響應時間表

表4 溫度測試表

表5 濕度測試表

表6 光照強度測試表

通過表3 的數據可以看得出來，智能家居測控系統的遠程控制反應時間的平均值為0.98 s，可以看出遠程控制的響應速度迅速，系統的可靠性和穩定性得到保證。

通過表4 所測量到的數據可以得出傳感器測量到室內環境中的平均溫度和實際測量到的平均溫度相差0.5 ℃，在DHT11 數據手冊中給出的±2 ℃的偏差限度之內。

由表5 的濕度測量數據可以得出溫濕度傳感器模塊測量到的濕度平均值和現實測量到的濕度的平均值的差距是3.1%，在DHT11 數據手冊規定的±5% 誤差范圍之內。

從表6 得出光照強度傳感器測量到的光強度和實際測量到的光照強度的平均誤差是0.2 LUX，在數字光強度光照傳感器GY30 數據手冊中規定的誤差范圍之內。

5 結論

基于NB-IoT 技術設計的智能家居監測控制系統，并進行了測試分析，所設計的系統達到了預定目標。 物聯網系統的實現會使我們得家庭生活體驗更為舒適便捷，在任何地方都能夠隨時監測、觀察家中的環境情況，對家中出現的情況進行報告，在即將到家時可以提前打開家中的電器設備，從而減少了等待時間。 而當智能家居和NB-IoT 技術結合時，更加方便快捷，可以在公司知道家中的環境情況，可遠程控制家中設備的運行情況，使得我們的智能家居體驗更好，在智能家居的發展應用中具有十分廣闊的前景.