基于NB-IoT技术设计的智能家居监测控制系统

物联网是当今信息社会发展的重要趋势之一，支撑万物相互联接的物联网技术如：Wifi、蓝牙、Zig‐ bee、SigFox 和NB-IoT 等得到了快速的发展.NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）是IoT领域一个新兴的技术，聚焦于低功耗广覆盖物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。 NB-IoT 构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz 的频段，可直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或LTE 网络， 以降低部署成本、实现平滑升级.NB-IoT 具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT 比现有的网络增益20 dB，相当于提升了100 倍覆盖区域的能力；二是具备支撑连接的能力，NB-IoT 一个扇区能够支持10 万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT 终端模块的待机时间可长达10 a；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5 美元.NB-IoT 使用License 频段，可采取带内、保护带或独立载波3 种部署方式， 与现有网络共存。 当前，NB-IoT 技术是物联网技术重要的发展方向之一，但NB-IoT 在智能家居上的开发使用案例并不多。 并且当今在用的智能家居大部分仍然处于局域网阶段，不能很好地满足人们对真正意义智能家居的要求，不能很好实现远程的实时监控。 研究采用NB-IoT 技术实现智能家居的远程实时环境监测和智能设备的控制，不再局限于局域网，而是更大范围的广域网通信.NB-IoT 技术在智能家居上的应用使得人们的生活充满智慧，在家居智慧设备中使用广泛，市场发展前景可观。

1 系统总体设计

基于NB-IoT 技术设计了一个具有实时远程测控功能的小型智能家居测控系统。 测控系统由系统总体框架设计、底层硬件设计、系统软件设计和实验测试和结果分析几部分构成。 如图1 所示，设计开发主要包括家居系统、NB-IoT 下位机系统、转发网关、华为云服务器、远程控制显示软件5 个部分组成。

图1 基于NB-IoT 的小型智能家居测控系统

如图2 所示，NB-IoT 下位机系统主要由主控芯片STM32L151、NB-IoT 通信模块BC95、传感器网络和各执行器设备组成。 通过各传感器设备和执行器设备的配合实现对家庭环境的检测调节，由气体监测传感器监测家庭环境中的一氧化碳及其他有害可燃气体，通过排气风扇实现可燃气体泄漏自动调节和火灾声光报警和远程报警提示等；由光照监测传感器、人体监测传感器和LED 灯、窗户控制器实现室内光照强度的自动调节，并由雨滴监测传感器实现晴雨天气窗户的自动开关调节；由温湿度传感器和排气扇、窗户控制器等设备对家庭中的温湿度进行自动调节。 并由主控芯片将从传感网中收集回来的数据通过NB- IoT 通信模块向上发送。 由于本系统采用电信物联网卡，因此通信采用的是电信2G、3G、4G 网络，而本系统设计需要将数据上传至公有网络的华为云服务器，所以主控芯片通过NB-IoT 通信模块向上发送的数据要经过转发网关的转发将数据从电信网络转发至公有网络云服务器。 华为云服务器端在接收到数据后在远程控制显示软件上显示数据信息，远程控制显示软件也可以通过华为云服务器下发控制命令控制家庭中的执行器设备。

图2 系统框架设计

2 底层硬件设计

硬件电路由MCU 模块（NB-IoT 通信模块）、驱动模块、窗帘驱动电路板、窗户开关步进电机、环境气体调节风扇和传感器网络组成。 通过各个传感器模块的协调配合实现对室内外环境情况监测并将数据收集到主控芯片内，通过NB-IoT 窄带物联网技术上传转发至华为云服务器端并通过程序设计按照监测到的状态进行状态显示和命令下发，下位机控制系统做出相应的动作，从而使各个模块协调配合实现智能家居的基本功能。 图3 是智能家居系统硬件部分的功能运行流程图。 其中，人体传感器主要是对家庭中人员出入进行监测，实现灯光的智能调节和窃贼的监测报警；温湿度传感器主要是对家庭中的温度和湿度进行监测，液化气体传感器是对家庭中的可燃液化气体等有害气体进行监测，雨滴传感器是对室外天气情况进行监测实现对窗户的开关控制， 窗户检测传感器是对窗户的开、关和半开关状态进行监测显示，光强传感器是对室内的光照强度监测， 实现光照的自动调节。

图3 硬件功能运行流程图

3 系统软件设计

本系统的通信主要由本地下位机、转发网关、服务器和远程监测控制软件之间的通信构成，采用UDP 协议作为通信协议。 采用UDP 做为运输层协议主要原因是区别于TCP 的“三次握手”建立连接和“四次挥手”释放连接的时延损耗，可以实现数据收发的实时性。 在应用层采用CoAP 协议与传输层的UDP 协议配套使用更是弥补了UDP 协议的缺陷，实现数据的可靠传输。 数据的传送分为数据上传和数据下发两部分，数据上传功能主要是本地下位机将数据发送至转发网关，再由转发网关转发至华为云服务器和远程控制端；数据下发主要为远程控制端和华为云服务器将所要下发的数据发送至转发网关，再由转发网关下发至本地下位机系统中。 图 4 是本地下位机、转发网关、服务器和远程监测控制软件之间数据收发通信协议图。

图4 通信协议图

表1 和表2 为本地下位机、转发网关、服务器和远程监测控制软件之间的数据传输协议的数据格式定义，其中表1 是上行数据传输协议，表2 是下行数据传输协议。

表1 上行数据传输协议表

表2 下行数据传输协议表

通过NB-IoT 通信方式实现对普通智能家居的智能化，实现对家庭中的环境情况的实时远程监测和控制，做到对家庭环境情况调节的远程化。 为了实现远程监测控制软件对本地下位机系统的实时监测控制，采用了UDP 协议作为本系统的通信协议， 实现本地室内外环境情况的实时上报、远程控制端对本地环境情况调节的实时控制。 因此软件的程序设计中主要包含与下位机组网、数据接收、指令发送3 部分软件设计。 其中与下位机的网络链接组建部分包含网络UPD 协议编程，是此程序设计的核心。 系统软件流程如图5 所示。

图5 系统软件流程图

数据接收部分主要功能是对本地下位机中的环境状态数据的收集，包括温度、湿度、光照强度、室内液化气体监测状态、门口人员经过情况、室外天气情况等数据。 远程命令下发部分程序主要功能是实现对本地用电器设备的实时远程控制， 包括远程开、关灯，远程开、关窗，远程开、关排气扇等。 服务器端测控软件界面如图6 所示。

图6 服务器端测控软件界面

4 实验测试和结果分析

为了对系统通信可靠性、温度、湿度、光照强度以及远程控制的实时性等信息进行验证，在同等环境下，对智能家居测控系统进行了远程数据上传下发反应时间测量，温、湿度检测准确性以及光照强度检测准确性的测试，结果如表3—表6所示。

表3 系统测试响应时间表

表4 温度测试表

表5 湿度测试表

表6 光照强度测试表

通过表3 的数据可以看得出来，智能家居测控系统的远程控制反应时间的平均值为0.98 s，可以看出远程控制的响应速度迅速，系统的可靠性和稳定性得到保证。

通过表4 所测量到的数据可以得出传感器测量到室内环境中的平均温度和实际测量到的平均温度相差0.5 ℃，在DHT11 数据手册中给出的±2 ℃的偏差限度之内。

由表5 的湿度测量数据可以得出温湿度传感器模块测量到的湿度平均值和现实测量到的湿度的平均值的差距是3.1%，在DHT11 数据手册规定的±5% 误差范围之内。

从表6 得出光照强度传感器测量到的光强度和实际测量到的光照强度的平均误差是0.2 LUX，在数字光强度光照传感器GY30 数据手册中规定的误差范围之内。

5 结论

基于NB-IoT 技术设计的智能家居监测控制系统，并进行了测试分析，所设计的系统达到了预定目标。 物联网系统的实现会使我们得家庭生活体验更为舒适便捷，在任何地方都能够随时监测、观察家中的环境情况，对家中出现的情况进行报告，在即将到家时可以提前打开家中的电器设备，从而减少了等待时间。 而当智能家居和NB-IoT 技术结合时，更加方便快捷，可以在公司知道家中的环境情况，可远程控制家中设备的运行情况，使得我们的智能家居体验更好，在智能家居的发展应用中具有十分广阔的前景.