admin管理员组文章数量:1534883
2024年6月7日发(作者：)
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
DOI
：
10.16667/.2095-1302.2021.02.020
基于NB-IoT的智能家居系统设计
韩琛晔，张微微
（
河北工程技术学院
，
河北 石家庄 050091
）
为了解决目前智能家居存在的功耗较高
，
接入网络复杂
、
连接不稳定的问题
，
研究一种基于窄带物联
摘 要：
网NB-IoT技术的智能家居系统
。
系统采用超低功耗系列STM32L451芯片作为微控制器
，
以BC95-B5为通信模块
，
通过多种传感器采集数据
，
并利用CoAP协议将采集的数据信息上传到远程华为云服务器
，
手机APP接入云平台
并获取数据进行显示和控制
。
测试结果表明
，
该系统实现了智能控制的功能
，
可以极大地提升家居的智能化水平
。
NB-IoT
；
云平台
；
物联网
；
智能家居
；
温度
；
数据传输
关键词：
TP391 A 2095-1302
（
2021
）
02-0069-03
中图分类号：
文献标识码：文章编号：
0 引 言
随着科技的进步
，
万物互联的时代即将到来
。
伴随着
NB-IoT技术带来的物联网的发展
，
人们对居住条件要求逐
步提高
，
智慧家庭时代即将来临
，
搭载物联网技术的智能
家居将会给大家不一样的体验
。
目前
，
智能家居通常采用
ZigBee
、
WiFi
、
Bluetooth等技术接入网络
，
但这些技术普遍
存在功耗高
、
接入不方便
，
网络覆盖范围小等缺点
。
NB-IoT
是由LTE技术发展而来的
，
是基于蜂窝的窄带物联网技术
，
其具备覆盖范围广
、
终端成本低
、
海量连接等优势
，
非常适
用于物联网中智能家居系统的应用
。
基于此
，
本文设计一种基于NB-IoT技术完成智能家居
系统
。
该系统采用具有NB-IoT功能的BC95-B5芯片
、
融合
嵌入式开发
、
窄带物联网通信技术
、
软硬件设计
、
Android
开发以及Huawei OceanConnect云端平台接入技术支持的智
能设计方案
。
实验表明
，
将NB-IoT技术应用于智能家居控
制能够与家居环境高度契合
，
有效提升智能家居用户体验
，
应用成本也显著降低
。
络层由NB-IoT模块
、
核心网组成
，
负责在NB-IoT终端建
立传输通道
，
进行数据传输
；
数据层选择使用华为云平台
，
接收从接入网得到的传感器请求内容
，
使设备接入互联网
。
应用层通过APP将从云平台获取的数据进行直观的显示和
操作
。
图1 系统总体架构
2 系统硬件设计
智能家居系统硬件设计主要分为三部分
，
即微控制器模
块设计
、
NB-IoT通信模块设计和各传感器组模块设计
。
系
统硬件设计框图如图2所示
。
1 系统总体架构
基于NB-IoT的智能家居系统构建遵循物联网四层架构
设计方案的原则
，
从下往上依次为感知层
、
网络层
、
数据层
和应用层
。
系统设计层次结构如图1所示
。
图1中
：
感知层由主控制器
、
烟雾
、
温湿度传感器
、
语
音识别模块
、
光照传感器等组成
，
各传感器具有数据采集
功能
，
微处理器将采集到的数据进行数据处理和控制
；
网
图2 系统硬件设计框图
收稿日期
：
修回日期
：
2020-07-08 2020-08-07
基金项目
：
2019年第一批教育部产学合作协同育人项目
（
20190106
4002
）
河北省科技支撑计划项目
；（
17210807
）
2.1 主控芯片电路设计
考虑到系统要求主控芯片低功耗
，
具有丰富的接口和模
2021
年
/
第
2
期
物联网技术
69
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
块功能
，
而低功耗的L系列在可穿戴等领域具有极大优势
，
因此主控芯片选用STM32L451RCT6
。
该芯片具有256 KB
的ROM
，
160 KB的RAM等内部资源
，
引脚数为64
；
最高
工作频率为80 MHz
；
支持低功耗模式
，
关机模式下功耗低
至22 nA
，
待机模式下功耗低至106 nA
。
2.2 NB-IoT模块电路设计
NB-IoT 无线通信模块设计选用BC95-B5芯片上传家居环
境数据
。
该芯片是移远通信技术公司生产
，
基于华为海思平
台开发的一款物联网通信模块
。
该芯片内嵌有丰富的网络服
务协议栈
，
具有超低功耗
、
超高灵敏度的特点
。
BC95-B5模
块与电信运营商相对应支持850 MHz频段
，
NB-IoT无线通信
模块内置SIM卡座并通过外接电源供电
。
NB-IoT采用蜂窝网
络
，
类似手机通信
，
需要一个身份的识别与鉴权
，
因此需要
SIM卡电路
。
物联网SIM卡选用中国电信的4G NB-IoT卡
。
模组供电电路采用两种控制方式
：
硬件控制和软件控制
。
接
口电路包括天线部分
、
复位电路
、
通信接口和其他接口
。
2.3 传感器模块设计
系统采用DHT22温湿度传感器
、
烟雾传感器MQ-2
、
LD3320语音模块
、
BH1750FVI光照传感器以及LED亮度可
调灯等模块进行数据采集
，
获取室内温湿度
、
烟雾浓度
、
光
照强度
、
语音信息等数据
。
3.2 NB-IoT模组软件开发
本设计采用的NB-IoT模组BC95-B5是整个系统的重
要组成部分
，
负责将STM32控制器发送来的传感器数据打
包
。
BC95模块中集成了CoAP服务端和客服端
，
使用AT
（
Attention
）
指令进行网络通信配置
。
AT指令是NB-IoT模
组与STM32主控制器和物联网云平台通信的桥梁
。
通过AT
指令进行入网配置
，
对接云平台
。
对接成功后
，
主控制器
MCU的上行数据
，
通过串口使用AT指令发送给NB-IoT模
组上传到云平台解析
。
下行数据从云平台通过CoAP通信协
议发送到NB-IoT模组
，
NB-IoT模组使用AT指令获取到字
符串
，
微控制器通过串口接收到数据并进行解析
。
BC95通
信模块程序设计可分为BC95初始化
、
配置CDP服务器
、
数
据发送和数据接收四个部分
。
3.3 NB-IoT云平台开发
NB-IoT平台接入开发流程主要分为以下几个步骤
：
（
1
）
创建项目
；
（
2
）
进行Profile定义
；
（
3
）
编解码插件开发与部署
。
Profile开发是通过定义Profile
，
说明设备的基本信息
，
接入NB-IoT之前必须先进行定义系统终端的设备模型定义
，
根据设备的实际情况进行各项参数的配置
。
设置好设备的服
务内容后
，
完成Profile的在线开发
。
NB-IoT设备与华为云
平台之间采用CoAP协议通信
，
因为NB-IoT硬件终端设备
要求超低功耗
，
所以应用层数据格式采用二进制格式
。
但是
物联网平台与应用侧使用JSON格式进行通信
。
因此
，
开发
者需要开发编码插件
，
供物联网平台调用
，
以完成二进制格
式和JSON格式的转换
。
平台编解码插件开发与部署结果如
图4所示
。
3 系统软件设计
系统软件开发分为四部分
：
第一部分是底层硬件终端软
件开发
，
第二部分是NB-IoT模组软件设计
，
第三部分是云
平台开发
，
第四部分是移动终端顶层应用开发
（
北向应用开
发
）。
其中第一
、
二部分被称为南向开发
，
整个系统软件设
计首先完成系统初始化
（
MCU初始化
、
NB-IoT网络连接初
始化
、
NB-IoT模组初始化
），
完成初始化之后
，
系统进行数
据上报和命令下发
。
系统软件总体框架如图3所示
。
图3 系统软件总体框架
图4 平台编解码插件开发与部署结果图
3.1 底层硬件终端软件设计
主控制器驱动程序及传感器数据采集程序基于Keil
MDK5软件开发环境
，
采用C语言代码进行程序开发
。
芯片
的初始化配置采用了ST意法半导体推出的针对STM32系列
芯片的图形化配置软件STM32 Cube MX开发环境
。
设备上
电后
，
初始化工作完成后需要主程序获取传感器采集的数据
，
并上报烟雾浓度值
、
温度值等数据
。
70
物联网技术
2021
年
/
第
2
期
3.4 移动终端顶层应用开发
因为设计的家居场景为移动控制类
，
具有远程控制和移
动操作的特点
，
故在智能手机上使用Java语言进行移动终端
APP开发
。
移动客户端设计了主界面和分界面
。
其中
：
主界
面用于显示主要的智能家居设备
；
分界面显示智能家居设备
的具体功能和控制按钮灯
，
主要包括灯光控制
、
温度检测
、
烟雾检测和语音助手等
。
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
4 系统测试与调试结果
系统软硬件设计完成后
，
将设计好的系统终端放在家居
环境中进行数据采集
；
系统上电后
，
各个模块进行初始化
；
初始化完成后系统接入网络并对接云平台
，
对接成功将数据
上报
。
华为云平台可以查看上报的数据
，
并打开移动客户端
对智能家居中的可调灯进行控制
，
如图5所示
；
在移动客户
端操作界面可以下发命令数据
，
会在云平台上显示操作记录
，
如图6所示
。
开发好的移动客户端
，
实现了智能家居的智能远程控制
。
实
验表明
，
该系统连接范围广
、
突破了传统通信距离和空间障
碍限制
，
能覆盖到家庭的每个区域
，
并且低成本
、
低功耗
，
提升了用户对智能家居的体验
。
参考文献
图5 移动客户端功能界面
图6 移动客户端命令下发数据
5 结 语
本文以NB-IoT技术应用为核心研究了智能家居的应用
，
按照物联网的四层设计开发出了一套智能家居系统
。
结合嵌
入式技术
，
搭载移远公司BC98-B5通信模块完成了硬件系统
设计
、
传感器收集到的数据通过BC98-B5利用NB-IoT技术
将封装的CoAP数据传至华为云平台进行数据解析再推送到
[1]姚畅
，
张李元
，
左少华.基于NB-IoT的路灯物联网控制系统[J].
物联网技术
，
2019
，
9
（
12
）：
94-97.
[2]余子安.基于NB-IoT的智能家居系统设计[D].合肥
：
中国科学
技术大学
，
2019.
[3]王建新
，
王颖聪.基于NB-IoT的家居环境监控系统设计[J].测
试技术学报
，
2020
，
34
（
3
）：
247-251.
[4]梁志勋
，
施运应
，
阮忠.基于NB-IoT小型智能家居系统的设计
[J].广西科技大学学报
，
2020
，
31
（
1
）：
92-96.
[5]王琳
，
肖军
，
刘洲洲.基于NB-IoT的智能家居系统的构建[J].计
算机技术与发展
，
2020
，
30
（
3
）：
194-197.
[6]罗正华
，
魏歆
，
昝一尧.基于NB-IoT技术的智能家居系统关键
技术研究[J].成都大学学报
（
自然科学版
），
2019
，
38
（
3
）：
294-
297.
[7]聂珲
，
陈海峰
，
周豪.基于NB-IoT的环境监测系统[J].实验技
术与管理
，
2020
，
37
（
5
）：
89-93.
[8]徐仲
，
孙先松.基于NB-IoT的环境温湿度监测系统设计[J].物
联网技术
，
2020
，
10
（
2
）：
20-22.
[9]王鸿磊
，
任成义
，
许雨亭.基于窄带物联网的无线数据监测系统
设计与实现[J].河北软件职业技术学院学报
，
2020
，
22
（
2
）
1-3.
：
[10]杨凡
，
王宜怀
，
宋洪儒.基于窄带物联网应用架构的温湿度控
制系统设计[J].电子技术应用
，
2018
，
44
（
7
）：
59-63.
[11]张宏宇
，
贾素梅
，
姜韶军.基于物联网的太阳能LED路灯系统
设计与实现[J].电源技术
，
2017
，
41
（
7
）：
1039-1041.
[12]MEKKIKais
，
BAJIC Eddy
，
CHAXEL Frederic
，
et al. A
comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT
deployment [J]. ICT express
，
2017
，
5
（
1
）：
1-7.
[13] ALAGHA Nader. Satellite air interface evolutions in the 5G and IoT
era [J]. ACM SIGMETRICS performance evaluation review
，
2019
，
46
（
3
）：
93-95.
作者简介
：
韩琛晔
（
1984
—），
女
，
河北石家庄人
，
硕士研究生
，
讲师
，
主要从事嵌入式系统
、
物联网应用方面的研究
工作
。
张微微
（
1980
—），
女
，
硕士
，
副教授
，
研究方向为计算机应用技术
。
（
上接第68页
）
[4]袁学贵
，
蔡建平
，
谢会东.裸机嵌入式系统的软件移植问题研究
[J].化工自动化及仪表
，
2013
，
49
（
7
）：
883-888.
[5]李云飞
，
刘军清
，
雷帮军
，
等.一种简化鲁棒的ARM-Linux交
叉编译器构建方法[J].中山大学学报
（
自然科学版
）
2014
，
60
（
2
），：
33-37.
[6]林炎
，
张友益
．
Windos平台下构建嵌入式 Li nux交叉编译环境
[J].单片机与嵌入式系统应用
，
2013
，
13
（
2
）：
74-78.
[7]陶维成
，
姚学军.基于ARM Linux嵌入式系统开发环境的快速构建
方法[J].佳木斯大学学报
（
自然科学版
），
2015
，
33
（
1
）：
106-108.
[8]王闯.嵌入式系统启动方式及实现[J].工业控制计算机
，
2012
，
5
（
6
）：
14-15.
[9]邓正维
，
邓小武
，
邓绍伟
，
等. 基于U-Boot的嵌入式系统双启
动设计与实现 [J].物联网技术
，
2018
，
8
（
11
）：
53-55.
[10]ZHANGWei
，
XU Jun. Metrology challenges in 3D NAND
FLASH technical development and manufacturing [J]. Journal of
microelectronic manufacturing
，
2020
，
3
（
1
）：
9-16.
[11]张鹏
，
孙甲松
，
陈从华.基于NOR FLASH的嵌入式FAT文件
系统[J].电子设计工程
，
2017
，
25
（
23
）：
159-162.
作者简介
：
潘亚文
（
1987
—），
男
，
湖北黄冈人
，
讲师
，
硕士
，
研究方向为红外测量及嵌入式系统应用
。
2021
年
/
第
2
期
物联网技术
71
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
版权声明：本文标题：基于NB-IoT的智能家居系统设计 内容由热心网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人， 转载请联系作者并注明出处：https://m.elefans.com/shuma/1717734965a604078.html， 本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。
发表评论