基于窄带物联网应用架构的温湿度控制系统设计

窄带物联网   温湿度控制系统

 引言

窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)是第三代合作伙伴计划（3GPP）于2016年6月完成其核心技术标准而实施的新一代物联网通信技术，构建于蜂窝网络，消耗的带宽不会超过180 kHz，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或者LTE网络，能够实现平滑升级[1-2]。相比4G网络、ZigBee等短距离通信技术，NB-IoT技术有大容量、广覆盖、深穿透、低成本、低功耗等特点，能够带来更加丰富的应用场景，其可广泛应用于远程抄表、智慧农业、智能停车等应用领域，NB-IoT将会成为我国未来物联网发展的主要趋势[3-4]。

由于NB-IoT技术的研究处于初期阶段，为了解决在应用中存在可靠性和稳定性的问题，本文通过采用在NB-IoT应用架构下实现温湿度控制系统的设计进行实验论证。先从应用角度对NB-IoT进行分析研究，归纳出了NB-IoT应用架构，为系统设计提供了理论基础。再根据应用架构功能要求对NB-IoT终端软硬件设计，并在开发环境Visual Studio 2013下设计出人机交互系统，通过对温湿度控制系统的实验结果分析，可以得到NB-IoT技术在应用方面具有很好的稳定性和可靠性。

1 NB-IoT应用架构

NB-IoT应用架构的建立是在抽取NB-IoT应用开发的共性，从具体到一般，把NB-IoT应用开发所涉及软硬件体系的共性进行概括、归纳，建立与其相关知识要素的抽象模型，为由一般到具体提供理论与应用基础，也为具体的NB-IoT应用开发提供技术基础。经过分析研究，NB-IoT应用架构由NB-IoT终端(Ultimate-Equipment，UE)、NB-IoT信息邮局(Mssage Post Office，MPO)和NB-IoT人机交互系统(Human-Computer Interaction，HCI)三部分组成[5]，如图1所示。

三部分之间的通信关系是：首先人机交互系统与信息邮局建立网络连接，由人机交互系统向管理服务器提供通信所需的终端IMSI号。终端会根据管理服务器的IP地址、管理服务器面向终端的端口号以及IMSI号通过基站建立终端与管理服务器网络连接，将数据发送给管理服务器。其次管理服务器接收到终端数据后，通过解析出IMSI号找到发送相同IMSI号的人机交互系统，把接收的数据传送到人机交互系统。最后人机交互系统有一个专门负责侦听管理服务器是否发送过来数据的线程，当侦听到有数据发送来时，把这些数据进行解析和处理，这个过程就完成了终端发送数据到人机交互系统的通信。终端接收数据的过程与发送过程类似，这样就实现了一次完整的通信过程。

2 终端系统设计

终端系统设计结构图如图2所示。微控制器选用恩智浦公司的MKL36Z64VLH4作为主控芯片，该芯片CPU工作频率为48 MHz，工作电压为1.71 V～3.6 V，额定工作电压为3.3 V，并具有定时器、DMA、UART、TSI、16位ADC、12位DAC等模块，能够满足NB-IoT硬件设计功能需求，负责数据采集、处理、分析以及与通信模块通信连接等[6]。电源模块为微控制器和GPRS提供工作电压，温湿度采集模块是通过传感器实时采集外部温湿度，经过A/D模块传送到微控制器处理。GPIO模块是通用I/O模块，是微控制器与外部进行信息交换的接口。

2.1 终端硬件设计

在硬件设计时为了提高设计可重用性与可移植性，应该对所有使用到的硬件根据功能设计进行合理划分，把与系统目标功能无关的进行个体构件封装，然后把个体构件“组装”，最终完成整个系统的硬件设计[7]。根据硬件设计方法，终端硬件设计包含有电源模块、通信模块、复位模块、A/D模块和温湿度采集模块等。在本文中重点介绍电源模块、通信模块和温湿度采集模块的设计。

2.1.1 电源模块

电源模块电路如图3所示，在图中TPS709系列芯片是低压降线性稳压器，工作输入电压范围为2.7 V～30 V，输出电压范围为1.5 V～6.5 V，输出最大电流为150 mA，其中EN引脚为低电平时，芯片停止工作。TPS70933芯片为KL36提供3.3 V额定工作电压，TPS70939芯片为通信模块R518提供3.9 V工作电压，为了能达到低功耗的目的，需要进行无线通信时，由MCU发出指令控制TPS70939芯片的EN引脚为高电平，向R518通信模块供电3.9 V电压，不需要通信模块工作时，使EN引脚为低电平，TPS70939芯片停止工作。

2.1.2 温湿度采集模块

温湿度采集选用Pt100铂电阻传感器，它具有微功耗、高可靠、高准确度等特点，在生活中的温湿度测量方面得到广泛应用。当温度变化范围在-40～60 ℃之间时，Pt100阻值变化范围为84.27 Ω～123.24 Ω[8]，温度最大非线性偏差小于0.5 ℃。湿度范围在0~100%时，湿度传感器的输出电压范围为0~1.0 V，两者是正比关系，湿度信号的放大倍数为K=(R201+R202)/R202。温湿度采样电路如图4所示。其中：RH+和RH-分别表示湿度传感器电压信号正向/反向输入端，RT+和RT-分别表示温度传感器电压信号正向/反向输入端，PTE16/PTE17表示湿度/温度传感器电压输出信号提供给MCU。LM324为电路放大元件，工作电压范围为3.0 V～32 V，静态电流小，单电源供电时放大倍数为1～100倍。