基于NB-IoT的智能家居系統設計

韓琛曄，張微微

（河北工程技術學院，河北 石家莊 050091）

0 引 言

隨著科技的進步，萬物互聯的時代即將到來。伴隨著NB-IoT技術帶來的物聯網的發展，人們對居住條件要求逐步提高，智慧家庭時代即將來臨，搭載物聯網技術的智能家居將會給大家不一樣的體驗。目前，智能家居通常采用ZigBee、WiFi、Bluetooth等技術接入網絡，但這些技術普遍存在功耗高、接入不方便，網絡覆蓋范圍小等缺點。NB-IoT是由LTE技術發展而來的，是基于蜂窩的窄帶物聯網技術，其具備覆蓋范圍廣、終端成本低、海量連接等優勢，非常適用于物聯網中智能家居系統的應用。

基于此，本文設計一種基于NB-IoT技術完成智能家居系統。該系統采用具有NB-IoT功能的BC95-B5芯片、融合嵌入式開發、窄帶物聯網通信技術、軟硬件設計、Android開發以及Huawei OceanConnect云端平臺接入技術支持的智能設計方案。實驗表明，將NB-IoT技術應用于智能家居控制能夠與家居環境高度契合，有效提升智能家居用戶體驗，應用成本也顯著降低。

1 系統總體架構

基于NB-IoT的智能家居系統構建遵循物聯網四層架構設計方案的原則，從下往上依次為感知層、網絡層、數據層和應用層。系統設計層次結構如圖1所示。

圖1中：感知層由主控制器、煙霧、溫濕度傳感器、語音識別模塊、光照傳感器等組成，各傳感器具有數據采集功能，微處理器將采集到的數據進行數據處理和控制；網絡層由NB-IoT模塊、核心網組成，負責在NB-IoT終端建立傳輸通道，進行數據傳輸；數據層選擇使用華為云平臺，接收從接入網得到的傳感器請求內容，使設備接入互聯網。應用層通過APP將從云平臺獲取的數據進行直觀的顯示和操作。

圖1 系統總體架構

2 系統硬件設計

智能家居系統硬件設計主要分為三部分，即微控制器模塊設計、NB-IoT通信模塊設計和各傳感器組模塊設計。系統硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件設計框圖

2.1 主控芯片電路設計

考慮到系統要求主控芯片低功耗，具有豐富的接口和模塊功能，而低功耗的L系列在可穿戴等領域具有極大優勢，因此主控芯片選用STM32L451RCT6。該芯片具有256 KB的ROM，160 KB的RAM等內部資源，引腳數為64；最高工作頻率為80 MHz；支持低功耗模式，關機模式下功耗低至22 nA，待機模式下功耗低至106 nA。

2.2 NB-IoT模塊電路設計

NB-IoT 無線通信模塊設計選用BC95-B5芯片上傳家居環境數據。該芯片是移遠通信技術公司生產，基于華為海思平臺開發的一款物聯網通信模塊。該芯片內嵌有豐富的網絡服務協議棧，具有超低功耗、超高靈敏度的特點。BC95-B5模塊與電信運營商相對應支持850 MHz頻段，NB-IoT無線通信模塊內置SIM卡座并通過外接電源供電。NB-IoT采用蜂窩網絡，類似手機通信，需要一個身份的識別與鑒權，因此需要SIM卡電路。物聯網SIM卡選用中國電信的4G NB-IoT卡。模組供電電路采用兩種控制方式：硬件控制和軟件控制。接口電路包括天線部分、復位電路、通信接口和其他接口。

2.3 傳感器模塊設計

系統采用DHT22溫濕度傳感器、煙霧傳感器MQ-2、LD3320語音模塊、BH1750FVI光照傳感器以及LED亮度可調燈等模塊進行數據采集，獲取室內溫濕度、煙霧濃度、光照強度、語音信息等數據。

3 系統軟件設計

系統軟件開發分為四部分：第一部分是底層硬件終端軟件開發，第二部分是NB-IoT模組軟件設計，第三部分是云平臺開發，第四部分是移動終端頂層應用開發（北向應用開發）。其中第一、二部分被稱為南向開發，整個系統軟件設計首先完成系統初始化（MCU初始化、NB-IoT網絡連接初始化、NB-IoT模組初始化），完成初始化之后，系統進行數據上報和命令下發。系統軟件總體框架如圖3所示。

圖3 系統軟件總體框架

3.1 底層硬件終端軟件設計

主控制器驅動程序及傳感器數據采集程序基于Keil MDK5軟件開發環境，采用C語言代碼進行程序開發。芯片的初始化配置采用了ST意法半導體推出的針對STM32系列芯片的圖形化配置軟件STM32 Cube MX開發環境。設備上電后，初始化工作完成后需要主程序獲取傳感器采集的數據，并上報煙霧濃度值、溫度值等數據。

3.2 NB-IoT模組軟件開發

本設計采用的NB-IoT模組BC95-B5是整個系統的重要組成部分，負責將STM32控制器發送來的傳感器數據打包。BC95模塊中集成了CoAP服務端和客服端，使用AT（Attention）指令進行網絡通信配置。AT指令是NB-IoT模組與STM32主控制器和物聯網云平臺通信的橋梁。通過AT指令進行入網配置，對接云平臺。對接成功后，主控制器MCU的上行數據，通過串口使用AT指令發送給NB-IoT模組上傳到云平臺解析。下行數據從云平臺通過CoAP通信協議發送到NB-IoT模組，NB-IoT模組使用AT指令獲取到字符串，微控制器通過串口接收到數據并進行解析。BC95通信模塊程序設計可分為BC95初始化、配置CDP服務器、數據發送和數據接收四個部分。

3.3 NB-IoT云平臺開發

NB-IoT平臺接入開發流程主要分為以下幾個步驟：

（1）創建項目；

（2）進行Profile定義；

（3）編解碼插件開發與部署。

Profile開發是通過定義Profile，說明設備的基本信息，接入NB-IoT之前必須先進行定義系統終端的設備模型定義，根據設備的實際情況進行各項參數的配置。設置好設備的服務內容后，完成Profile的在線開發。NB-IoT設備與華為云平臺之間采用CoAP協議通信，因為NB-IoT硬件終端設備要求超低功耗，所以應用層數據格式采用二進制格式。但是物聯網平臺與應用側使用JSON格式進行通信。因此，開發者需要開發編碼插件，供物聯網平臺調用，以完成二進制格式和JSON格式的轉換。平臺編解碼插件開發與部署結果如圖4所示。

圖4 平臺編解碼插件開發與部署結果圖

3.4 移動終端頂層應用開發

因為設計的家居場景為移動控制類，具有遠程控制和移動操作的特點，故在智能手機上使用Java語言進行移動終端APP開發。移動客戶端設計了主界面和分界面。其中：主界面用于顯示主要的智能家居設備；分界面顯示智能家居設備的具體功能和控制按鈕燈，主要包括燈光控制、溫度檢測、煙霧檢測和語音助手等。

4 系統測試與調試結果

系統軟硬件設計完成后，將設計好的系統終端放在家居環境中進行數據采集；系統上電后，各個模塊進行初始化；初始化完成后系統接入網絡并對接云平臺，對接成功將數據上報。華為云平臺可以查看上報的數據，并打開移動客戶端對智能家居中的可調燈進行控制，如圖5所示；在移動客戶端操作界面可以下發命令數據，會在云平臺上顯示操作記錄，如圖6所示。

圖5 移動客戶端功能界面

圖6 移動客戶端命令下發數據

5 結 語

本文以NB-IoT技術應用為核心研究了智能家居的應用，按照物聯網的四層設計開發出了一套智能家居系統。結合嵌入式技術，搭載移遠公司BC98-B5通信模塊完成了硬件系統設計、傳感器收集到的數據通過BC98-B5利用NB-IoT技術將封裝的CoAP數據傳至華為云平臺進行數據解析再推送到開發好的移動客戶端，實現了智能家居的智能遠程控制。實驗表明，該系統連接范圍廣、突破了傳統通信距離和空間障礙限制，能覆蓋到家庭的每個區域，并且低成本、低功耗，提升了用戶對智能家居的體驗。