物聯(lián)網(wǎng)是當今信息社會發(fā)展的重要趨勢之一，支撐萬物相互聯(lián)接的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如：Wifi、藍牙、Zig‐ bee、SigFox 和NB-IoT 等得到了快速的發(fā)展.NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。 NB-IoT 構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz 的頻段，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)， 以降低部署成本、實現(xiàn)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(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT 比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，相當于提升了100 倍覆蓋區(qū)域的能力；二是具備支撐連接的能力，NB-IoT 一個扇區(qū)能夠支持10 萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；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(yè)預(yù)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(nèi)、保護帶或獨立載波3 種部署方式， 與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。 當前，NB-IoT 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重要的發(fā)展方向之一，但NB-IoT 在智能家居上的開發(fā)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(wǎng)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(xiàn)遠程的實時監(jiān)控。 研究采用NB-IoT 技術(shù)實現(xiàn)智能家居的遠程實時環(huán)境監(jiān)測和智能設(shè)備的控制，不再局限于局域網(wǎng)，而是更大范圍的廣域網(wǎng)通信.NB-IoT 技術(shù)在智能家居上的應(yīng)用使得人們的生活充滿智慧，在家居智慧設(shè)備中使用廣泛，市場發(fā)展前景可觀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于NB-IoT 技術(shù)設(shè)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(tǒng)。 測控系統(tǒng)由系統(tǒng)總體框架設(shè)計、底層硬件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計和實驗測試和結(jié)果分析幾部分構(gòu)成。 如圖1 所示，設(shè)計開發(fā)主要包括家居系統(tǒng)、NB-IoT 下位機系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、華為云服務(wù)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(tǒng)

如圖2 所示，NB-IoT 下位機系統(tǒng)主要由主控芯片STM32L151、NB-IoT 通信模塊BC95、傳感器網(wǎng)絡(luò)和各執(zhí)行器設(shè)備組成。 通過各傳感器設(shè)備和執(zhí)行器設(shè)備的配合實現(xiàn)對家庭環(huán)境的檢測調(diào)節(jié)，由氣體監(jiān)測傳感器監(jiān)測家庭環(huán)境中的一氧化碳及其他有害可燃氣體，通過排氣風(fēng)扇實現(xiàn)可燃氣體泄漏自動調(diào)節(jié)和火災(zāi)聲光報警和遠程報警提示等；由光照監(jiān)測傳感器、人體監(jiān)測傳感器和LED 燈、窗戶控制器實現(xiàn)室內(nèi)光照強度的自動調(diào)節(jié)，并由雨滴監(jiān)測傳感器實現(xiàn)晴雨天氣窗戶的自動開關(guān)調(diào)節(jié)；由溫濕度傳感器和排氣扇、窗戶控制器等設(shè)備對家庭中的溫濕度進行自動調(diào)節(jié)。 并由主控芯片將從傳感網(wǎng)中收集回來的數(shù)據(jù)通過NB- IoT 通信模塊向上發(fā)送。 由于本系統(tǒng)采用電信物聯(lián)網(wǎng)卡，因此通信采用的是電信2G、3G、4G 網(wǎng)絡(luò)，而本系統(tǒng)設(shè)計需要將數(shù)據(jù)上傳至公有網(wǎng)絡(luò)的華為云服務(wù)器，所以主控芯片通過NB-IoT 通信模塊向上發(fā)送的數(shù)據(jù)要經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)從電信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至公有網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器。 華為云服務(wù)器端在接收到數(shù)據(jù)后在遠程控制顯示軟件上顯示數(shù)據(jù)信息，遠程控制顯示軟件也可以通過華為云服務(wù)器下發(fā)控制命令控制家庭中的執(zhí)行器設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)框架設(shè)計

2 底層硬件設(shè)計

硬件電路由MCU 模塊（NB-IoT 通信模塊）、驅(qū)動模塊、窗簾驅(qū)動電路板、窗戶開關(guān)步進電機、環(huán)境氣體調(diào)節(jié)風(fēng)扇和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。 通過各個傳感器模塊的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)對室內(nèi)外環(huán)境情況監(jiān)測并將數(shù)據(jù)收集到主控芯片內(nèi)，通過NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳轉(zhuǎn)發(fā)至華為云服務(wù)器端并通過程序設(shè)計按照監(jiān)測到的狀態(tài)進行狀態(tài)顯示和命令下發(fā)，下位機控制系統(tǒng)做出相應(yīng)的動作，從而使各個模塊協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)智能家居的基本功能。 圖3 是智能家居系統(tǒng)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(jiān)測，實現(xiàn)燈光的智能調(diào)節(jié)和竊賊的監(jiān)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(jiān)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(jiān)測，雨滴傳感器是對室外天氣情況進行監(jiān)測實現(xiàn)對窗戶的開關(guān)控制， 窗戶檢測傳感器是對窗戶的開、關(guān)和半開關(guān)狀態(tài)進行監(jiān)測顯示，光強傳感器是對室內(nèi)的光照強度監(jiān)測， 實現(xiàn)光照的自動調(diào)節(jié)。

圖3 硬件功能運行流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的通信主要由本地下位機、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和遠程監(jiān)測控制軟件之間的通信構(gòu)成，采用UDP 協(xié)議作為通信協(xié)議。 采用UDP 做為運輸層協(xié)議主要原因是區(qū)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(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的實時性。 在應(yīng)用層采用CoAP 協(xié)議與傳輸層的UDP 協(xié)議配套使用更是彌補了UDP 協(xié)議的缺陷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。 數(shù)據(jù)的傳送分為數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)下發(fā)兩部分，數(shù)據(jù)上傳功能主要是本地下位機將數(shù)據(jù)發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，再由轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至華為云服務(wù)器和遠程控制端；數(shù)據(jù)下發(fā)主要為遠程控制端和華為云服務(wù)器將所要下發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，再由轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)下發(fā)至本地下位機系統(tǒng)中。 圖 4 是本地下位機、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和遠程監(jiān)測控制軟件之間數(shù)據(jù)收發(fā)通信協(xié)議圖。

圖4 通信協(xié)議圖

表1 和表2 為本地下位機、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和遠程監(jiān)測控制軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式定義，其中表1 是上行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，表2 是下行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

表1 上行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議表

表2 下行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議表

通過NB-IoT 通信方式實現(xiàn)對普通智能家居的智能化，實現(xiàn)對家庭中的環(huán)境情況的實時遠程監(jiān)測和控制，做到對家庭環(huán)境情況調(diào)節(jié)的遠程化。 為了實現(xiàn)遠程監(jiān)測控制軟件對本地下位機系統(tǒng)的實時監(jiān)測控制，采用了UDP 協(xié)議作為本系統(tǒng)的通信協(xié)議， 實現(xiàn)本地室內(nèi)外環(huán)境情況的實時上報、遠程控制端對本地環(huán)境情況調(diào)節(jié)的實時控制。 因此軟件的程序設(shè)計中主要包含與下位機組網(wǎng)、數(shù)據(jù)接收、指令發(fā)送3 部分軟件設(shè)計。 其中與下位機的網(wǎng)絡(luò)鏈接組建部分包含網(wǎng)絡(luò)UPD 協(xié)議編程，是此程序設(shè)計的核心。 系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

數(shù)據(jù)接收部分主要功能是對本地下位機中的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集，包括溫度、濕度、光照強度、室內(nèi)液化氣體監(jiān)測狀態(tài)、門口人員經(jīng)過情況、室外天氣情況等數(shù)據(jù)。 遠程命令下發(fā)部分程序主要功能是實現(xiàn)對本地用電器設(shè)備的實時遠程控制， 包括遠程開、關(guān)燈，遠程開、關(guān)窗，遠程開、關(guān)排氣扇等。 服務(wù)器端測控軟件界面如圖6 所示。

圖6 服務(wù)器端測控軟件界面

4 實驗測試和結(jié)果分析

為了對系統(tǒng)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(huán)境下，對智能家居測控系統(tǒng)進行了遠程數(shù)據(jù)上傳下發(fā)反應(yīng)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(jié)果如表3—表6所示。

表3 系統(tǒng)測試響應(yīng)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(shù)據(jù)可以看得出來，智能家居測控系統(tǒng)的遠程控制反應(yīng)時間的平均值為0.98 s，可以看出遠程控制的響應(yīng)速度迅速，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到保證。

通過表4 所測量到的數(shù)據(jù)可以得出傳感器測量到室內(nèi)環(huán)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(shù)據(jù)手冊中給出的±2 ℃的偏差限度之內(nèi)。

由表5 的濕度測量數(shù)據(jù)可以得出溫濕度傳感器模塊測量到的濕度平均值和現(xiàn)實測量到的濕度的平均值的差距是3.1%，在DHT11 數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的±5% 誤差范圍之內(nèi)。

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(shù)字光強度光照傳感器GY30 數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

基于NB-IoT 技術(shù)設(shè)計的智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)，并進行了測試分析，所設(shè)計的系統(tǒng)達到了預(yù)定目標。 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)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(jiān)測、觀察家中的環(huán)境情況，對家中出現(xiàn)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(shè)備，從而減少了等待時間。 而當智能家居和NB-IoT 技術(shù)結(jié)合時，更加方便快捷，可以在公司知道家中的環(huán)境情況，可遠程控制家中設(shè)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(fā)展應(yīng)用中具有十分廣闊的前景.