基于NB-IoT技術(shù)的智能家居系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

羅正華， 魏 歆， 昝一堯(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)智能家居利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家庭電子設(shè)備通過中心控制器來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和控制[1].目前，智能家居普遍采用WiFi接入網(wǎng)絡(luò)，功耗高，接入也不方便，WiFi信號(hào)覆蓋不完全，因此，智能家居需要一種新型的通信技術(shù)連入網(wǎng)絡(luò).窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow band internet of things,NB-IoT)是一種基于蜂窩通信3G/4G演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，工作于專用授權(quán)頻段，主要應(yīng)用于低吞吐量、海量連接的場(chǎng)景，適用于構(gòu)建新一代的智能家居系統(tǒng)[2].

本研究提供了一套基于NB-IoT通信技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng).該控制系統(tǒng)利用一個(gè)中心控制器通過NB-IoT通信上傳數(shù)據(jù)及接收指令，以控制模塊為單位來控制多個(gè)被控電器，簡(jiǎn)化連接渠道，通過發(fā)射紅外信號(hào)來控制空調(diào)、電燈等一切帶有紅外控制的被控電器.由于目前大部分電器都內(nèi)置有紅外接收器，所以本控制系統(tǒng)的適應(yīng)性較高，且升級(jí)成本較低.同時(shí)，系統(tǒng)采用STM32作為控制器，將多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過紅外線完成對(duì)被控電器的操作，實(shí)現(xiàn)了更好的智能家居體驗(yàn).

1 實(shí)現(xiàn)方案

本研究的智能家居控制系統(tǒng)主要包括NB-IoT通信模塊、STM32控制模塊、服務(wù)器平臺(tái)、智能移動(dòng)終端和被控電器.STM32控制模塊連接有多種傳感器及紅外線發(fā)射器，其串口與NB-IoT通信模塊連接.NB-IoT通信模塊通過基站與服務(wù)器平臺(tái)連接，服務(wù)器平臺(tái)與智能移動(dòng)終端通過網(wǎng)絡(luò)連接.STM32控制模塊上的紅外線發(fā)射器發(fā)送紅外線至被控電器，完成用戶指令.一般情況下，智能移動(dòng)終端被用來實(shí)時(shí)查看傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù).智能移動(dòng)終端是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問的，可隨時(shí)將家庭環(huán)境調(diào)整至理想狀態(tài).圖1為系統(tǒng)的控制流程示意圖.

圖1 系統(tǒng)控制流程示意圖

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 傳感器

2.1.1 數(shù)字溫濕度模塊.

DHT11數(shù)字溫濕度模塊具有2種通信方式：標(biāo)準(zhǔn)I2C和單總線.為了便于處理數(shù)字信號(hào)，本研究應(yīng)用模糊控制[3]，以便增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，避免因控制算法中參數(shù)漂移和微小錯(cuò)誤而引起系統(tǒng)失控.傳感器數(shù)據(jù)輸出為未編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)， 依次為溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、溫度小數(shù)數(shù)據(jù)、濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、濕度小數(shù)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和.DHT11硬件電路圖如圖2所示，讀取傳感器某次的數(shù)據(jù)如表1所示.

圖2 DHT11硬件電路圖

表1 DHT11傳感器計(jì)算數(shù)據(jù)

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，濕度為46.0%RH，溫度為30.0 ℃,校驗(yàn)和為76.0，校驗(yàn)正確.

2.1.2 顆粒物傳感器.

顆粒物傳感器sds011-pm2.5(見圖3)分辨率高，檢測(cè)顆粒物可達(dá)0.3 μm，且自帶的A/D芯片可以輸出16進(jìn)制數(shù)據(jù)，支持上位機(jī)監(jiān)控.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在服務(wù)器平臺(tái)能以曲線形式展示，方便用戶在實(shí)時(shí)監(jiān)控中做出對(duì)空氣凈化器的命令操作.

圖3 傳感器sds011-pm2.5

根據(jù)pm2.5不可突變的特性，本系統(tǒng)使用了移動(dòng)平均濾波算法.設(shè)短時(shí)間的連續(xù)數(shù)據(jù)是一個(gè)長(zhǎng)度為n的隊(duì)列，刪除隊(duì)列的頭部，將新測(cè)量的數(shù)據(jù)作為隊(duì)列的結(jié)尾插入該隊(duì)列.隊(duì)列的長(zhǎng)度在樣本中為n，每個(gè)數(shù)據(jù)記為xi，則最終采樣值U為，

(1)

本研究在上述算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行限幅，根據(jù)上一個(gè)隊(duì)列中n個(gè)數(shù)據(jù)的離散程度，確定下一個(gè)數(shù)據(jù)加入隊(duì)列的限幅值L.如果超過限幅值，使用本次采集值代替此限幅的最值，如果未超過限幅值，則按照未限幅的值加入原始隊(duì)列，

(2)

(3)

2.2 紅外線控制系統(tǒng)

2.2.1 紅外發(fā)射器.

本研究發(fā)射裝置采用的是紅外發(fā)射器，發(fā)射器下有一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)控制的可180°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，發(fā)射時(shí)可由電機(jī)帶動(dòng)紅外模塊旋轉(zhuǎn)，因此紅外模塊覆蓋范圍可從30°擴(kuò)大到360°.

將紅外遙控編碼信號(hào)調(diào)制至38 kHz后再發(fā)送出去，明顯減小了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率.在測(cè)試過程中，本研究減小發(fā)射角度，將發(fā)射角度設(shè)置成±15°，有效角度為30°，同時(shí)增強(qiáng)峰值電流Ip，提高了系統(tǒng)性能，有效地增加了紅外線的發(fā)射距離.圖4為紅外線發(fā)射電路圖，圖5為具體代碼.

圖4 紅外線發(fā)射電路圖

2.2.2 紅外線協(xié)議.

本研究采用了NEC傳輸協(xié)議，從NEC的32 bit傳輸碼的開端開始傳輸，最開始傳輸引導(dǎo)碼，暫停4.5 ms，進(jìn)行低電平顯示，然后開始傳輸數(shù)據(jù).根據(jù)NEC碼發(fā)送時(shí)間恒定的特征，8 bit的數(shù)據(jù)位和8 bit的地址位分別被發(fā)送2次，第2次發(fā)送的數(shù)據(jù)就是第1次數(shù)據(jù)的“每位取反”.“0"的位時(shí)間是1.125 ms，“1"的位時(shí)間是2.5 ms[4].

傳輸命令可用8 bit數(shù)據(jù)位，識(shí)別待控制的設(shè)備可用8 bit地址位.在測(cè)試過程中，由于對(duì)傳輸碼的可靠性要求低，故取消反碼校驗(yàn)，將數(shù)據(jù)位和地址位均擴(kuò)展8 bit，從而可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù).

2.2.3 旋轉(zhuǎn)部件.

紅外發(fā)射器有一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)部件選用兩相四線混合式的42步進(jìn)電機(jī).通過對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制，直接控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，從而控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的偏轉(zhuǎn).測(cè)試過程中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)突然急?；蚯袚Q方向時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反向電流.因此在電路中加入續(xù)流二極管，能有效地保護(hù)芯片不被反向電流擊穿.人為設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度，可以控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù).其驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖6所示.

圖5 紅外信號(hào)具體代碼

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

2.3 應(yīng)用服務(wù)器平臺(tái)集成開發(fā)

2.3.1 profile文件編寫

本研究在中國(guó)電信開發(fā)者平臺(tái)上，利用profile文件用來描述智能家居設(shè)備的類型和服務(wù)能力.

如圖7所示，devicetype-capability.json程序描述的是智能家居設(shè)備的能力特征，包括廠商(manufacturerName)、型號(hào)(model)、協(xié)議類型(protocolType)、設(shè)備類型(deviceType)及提供的服務(wù)類型(serviceType)[5].

服務(wù)器平臺(tái)調(diào)用編寫的編解碼插件，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制消息轉(zhuǎn)json格式的功能，從而完成服務(wù)器平臺(tái)和智能移動(dòng)終端之間命令下發(fā)和數(shù)據(jù)上報(bào)的雙向通信，對(duì)智能家居設(shè)備進(jìn)行高效且可視化的管理.

為了增強(qiáng)加密性，本研究完成開發(fā)編解碼插件后，對(duì)插件包進(jìn)行簽名，并通過下載離線簽名工具完成簽名操作，生成公私密鑰文件，通過數(shù)字簽名對(duì)軟件包驗(yàn)證，注冊(cè)設(shè)備上線.

圖7 profile文件

2.3.2 上行消息傳遞.

傳遞上行消息時(shí)，先采集智能家居設(shè)備的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)編碼后以AT命令形式發(fā)送至NB-IoT通信模塊[5].NB-IoT通信模塊接收到AT命令后，把命令封裝為CoAP協(xié)議的消息，然后發(fā)送到服務(wù)器平臺(tái).服務(wù)器平臺(tái)收到數(shù)據(jù)后，自動(dòng)解析CoAP協(xié)議包，根據(jù)智能家居設(shè)備的profile文件，通過編解碼插件，將數(shù)據(jù)解析為智能家居設(shè)備profile文件中的json數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在服務(wù)器平臺(tái)上，然后傳輸?shù)街悄芤苿?dòng)終端.

2.3.3 下行數(shù)據(jù)傳遞.

傳遞下行數(shù)據(jù)時(shí)，從智能移動(dòng)終端發(fā)出命令，如果服務(wù)器平臺(tái)檢測(cè)到智能家居設(shè)備在線，則立即下發(fā)命令，否則將命令緩存到服務(wù)器平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，等待智能家居設(shè)備在某時(shí)刻上報(bào)數(shù)據(jù)，檢索對(duì)應(yīng)智能家居設(shè)備在數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在有效而未下發(fā)的命令，如有，則下發(fā)該命令.命令通過編解碼插件進(jìn)行編碼，發(fā)送到智能家居設(shè)備.智能家居設(shè)備執(zhí)行命令，并返回執(zhí)行結(jié)果至服務(wù)器平臺(tái)[5].根據(jù)命令執(zhí)行結(jié)果，服務(wù)器平臺(tái)更新對(duì)應(yīng)的命令狀態(tài).圖8為數(shù)據(jù)下行流程圖.

圖8 下行數(shù)據(jù)流程圖

3 場(chǎng)景應(yīng)用與模擬結(jié)果

3.1 場(chǎng)景應(yīng)用

在智能手機(jī)上的應(yīng)用程序(Application，APP)能實(shí)現(xiàn)以下功能：搜索同一局域網(wǎng)內(nèi)的智能設(shè)備；控制室內(nèi)燈光開關(guān)，調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度；定時(shí)功能；通過紅外發(fā)射器控制投影儀、窗簾及電視等設(shè)備[6]；溫度顯示功能；場(chǎng)景設(shè)定功能.

3.2 模擬結(jié)果

模擬測(cè)試在中國(guó)電信的開發(fā)者平臺(tái)上進(jìn)行，默認(rèn)設(shè)置延時(shí)為10 s，采用16進(jìn)制碼流進(jìn)行傳輸，完成數(shù)據(jù)上報(bào)(見圖9(a))和數(shù)據(jù)接收(見圖9(b))的預(yù)定操作，編解碼插件處理上報(bào)的16進(jìn)制碼流后，返回指令至服務(wù)器平臺(tái)，平臺(tái)將接收到的數(shù)據(jù)解析并顯示.

4 結(jié) 語

智能家居是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景， 本研究利用NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)家居設(shè)備的控制，為進(jìn)一步構(gòu)建智慧城市提供了一定的技術(shù)支撐.后續(xù)的研究工作將通過控制更多的家居來提升系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性，以充分發(fā)揮NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢(shì).

圖9 數(shù)據(jù)上報(bào)與接收日志