基于NB-IoT技术的智能家居系统设计

周正贵，王松林

基于NB-IoT技术的智能家居系统设计

周正贵，王松林

（安徽商贸职业技术学院 信息与人工智能学院，安徽 芜湖 241002）

：目前智能家居系统对传输稳定性、数据准确性、组网便捷性等提出了更高的要求。以往采用有线设备采集信息，存在线路易老化、功耗高、灵敏度不高等缺点，如采用Zigbee、Wi-Fi、蓝牙等无线技术组网采集的系统也存在网络传输数据有限、不易远程海量数据存储等特点。利用NB-IoT技术，设计一种智能家居软硬件系统，系统主要包括STM32处理器模块，负责采集家居生活环境信息，并通过NB-IoT通信模块把数据传输至云平台服务器，移动手机终端能实时接收数据信息，并对家居设备远程控制等操作，系统采集数据准确，云平台存储便于远程访问，具有一定的推广应用价值。

STM32；家居系统；NB-IoT；环境监测

随着电子信息技术的不断发展，家居安防、环境信息监测已走进居民生活中，但在技术、稳定性等方面，还存在不能满足应用的需求，如利用Zigbee技术设计的安防系统，存在通信速度、安全性等不稳定；蓝牙技术终端设备连接少、无频谱等缺点，而NB-IoT技术已被通信运营商许可，具有低功耗、覆盖广、连接设备多等优点[1]。本文利用NB-IoT技术拟设计研究一种更具优越性的智能家居系统[2]。

1 智能家居系统总体设计

家用电器生产厂商已引入智能控制技术实现产品的智能化控制，普遍采用使用移动手机终端点对点控制设备，如小米的摄像头。本文拟用STM32处理器与家居中各终端控制设备双向通信，采集的数据由处理器连接NB-IoT通信模块传输至远程云平台服务器，用户随时可用手机终端查看并控制家居连接的设备，实现智能化处理控制。系统总体设计框图如图1所示，包括传感器系统、执行系统、上位机、下位机、硬件系统设计、软件系统设计等功能模块，其中，单片机STM32F103C8T6采集人体红外、烟雾、光照等传感器数值，继电器执行器件控制家用电器，NB-IoT模块连接单片机并组建NB-IoT网络，负责与云平台之间的通信，远程手机终端控制器实时查看家庭环境信息并控制电器设备[3]。

图1 智能家居系统总体设计框图

1.1 窄带物联网NB-IoT技术分析

NB-IoT是物联网领域新兴无线通信技术，主要具有覆盖广、低功耗、成本低、网络稳定等特点，已成为智能家居、智慧校园、智慧城市的有效通信方式。如智慧社区使用NB-IoT技术，比普通的4G、5G网络高出50倍以上的连接容量；在数据量小、速率低的情况下，功耗非常小，供电电池可以维持五年以上的寿命；高校节水节电智能监测系统已广泛应用NB-IoT技术，实现地下管道无线部署。

1.2 主控电路设计

系统感知层硬件电路采用STM32F103C8T6单片机芯片作为传感器采集、驱动控制设备的核心处理单元。主控系统是基于STM32系列的处理器，内部资源丰富，拥有ROM存储容量为64kB、RAM存储容量为20kB、4个16位定时器等元器件，主控芯片电路原理如图2所示，其电路包含晶振电路、复位电路、NB-IoT通信接口电路等[3]。

图2 主控芯片电路

1.3 传感器、执行系统选型与设计

智能家居系统传感器主要选择较为成熟的器件，采集数值灵敏度、范围适用民用为主，如BH1750光照传感器、DS18B20温湿度一线制传感器、人体红外传感器、烟雾检测传感器、可燃气体检测传感器等，硬件设计利用STM32单片机IO口进行读取数值转换[4]；执行器件采用继电器控制家居电器设备，具体硬件电路如图3所示。

图3 传感器及继电器电路图

1.4 NB-IoT模块设计

NB-IoT网络通信模块采用BC95芯片，该芯片有两个VBAT引脚（45、46脚），电压为3.1～4.2V，为确保电压不低于3.1V，需对电源电路进行设计。此外，芯片支持UDP、CoAP网络协议，为用户提供了全透明的数据传输模式，具有体积小、接口简易等特点，支持在链接、休眠、PSM模式下自动转换，降低了功耗。其硬件电路简图如图4所示，主要有电源电路、网络状态指示灯电路、视频天线电路、通信电路。

图4 BC95核心电路

2 软件平台设计

2.1 核心控制器STM32软件算法设计

系统软件算法主要包含核心控制器STM32采集及传输程序设计、远程服务端应用程序设计[5]。STM32通过初始化，利用定时器每隔0.5s采集一次传感器数值，经处理后发给NB-IoT模块，上传云服务器，供终端查询使用；同理，终端可以发送控制命令给STM32，经分析控制命令，驱动继电器工作，改变家居电器等设备的工作状态，为确保命令正确性，案例中设计了特定的数据传输协议，控制继电器工作，如表1所示，发送数据含有数据头、数据内容、校验码，STM32接收到数据后，首先判断数据头，数据头正确后再读取内容及校验码，最终判断继电器是打开或关闭状态[6]。

表1 上位机控制STM32数据协议

if((uRxData[0] == 0xe1)&&( CheckSum(uRxData)== 0xe2))//判断数据头及校验位

config_flag[0] = 0x01; //开继电器

if((uRxData[0] == 0xe3)&&( CheckSum(uRxData)==0xe4)) //判断数据头及校验位

config_flag[0] = 0x03; //关继电器

系统运行后，STM32主控芯片完成系统初始化，通过定时器不断采集传感器数值，串口完成数据与NB-IoT之间的线路数据交换，其STM32算法流程图如图5所示。

图5 STM32算法流程图

2.2 服务器端设计

移动终端通过连接云平台服务器数据和底层进行实时互动，移动终端使用手机或平板电脑进行人机交互，数据存储设计使用MySQL数据库技术，利用Android技术设计人机交互系统，实现查询、命令下发等管理控制功能，并可以设置相应传感器报警临界值[7]。手机显示界面如图6所示，实时检测到的数据状态如表2所示。

图6 手机端设计图

表2 检测采集数据状态

3 结束语

本文设计了一种基于NB-IoT技术的智能家居系统设计方案，依据物联网三层架构感知层、网络层、应用层进行开发设计，利用SMT32处理器设计终端电路、BC95芯片完成NB-IoT数据通信，上位机使用移动端实时查看家居信息、控制电器设备电源，系统具有良好的实际应用价值。此外，本文提出的智能家居系统设计，功能还不够全面，展示了远程家居智能控制的一种设计方法，未来还需要进一步完善其他家居功能设计要求。

[1] 胡文雅，程莉. 基于NB-IoT的智能家居控制系统的研究[J]. 计算机与数字工程，2020, 48(06): 1533-1539.

[2] 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(03)：294-297.

[3] 彭楚翰，周莹. 基于蓝牙Mesh与NB-IoT的物联网智能家居控制系统[J]. 电子世界，2020(24): 154-155.

[4] 谭汶易. 基于NB-IOT的室内环境监测和报警系统[J]. 科技与创新，2021(12): 172-173.

[5] 韩琛晔，张微微. 基于NB-IoT的智能家居系统设计[J]. 物联网技术，2021, 11(02): 69-71.

[6] 王建新，王颖聪. 基于NB-IoT的家居环境监控系统设计[J]. 电子设计工程，2020, 28(08): 141-144, 149.

[7] 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(01): 92-96, 103.

Intelligent home system design based on NB-IoT technology

ZHOU Zheng-gui，WANG Song-lin

(School of Information and Artificial Intelligence, Anhui Business College, Anhui Wuhu 241002, China)

The current smart home system has put forward higher requirements for transmission stability, data accuracy, networking convenience, etc. In the past, the use of wired equipment to collect information has the shortcomings of line aging, high power consumption and low sensitivity. Such as the use of Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth and other wireless technology network acquisition system also has the characteristics of limited network transmission data, not easy to remote mass data storage and so on. Using the NB-IoT narrowband Internet of things technology, this paper designed a kind of software and hardware system, smart home system mainly includes the STM32 processor module, responsible for collecting household life environment information, and through the NB-IoT communication module transmit the data to the cloud server platform, mobile terminal can receive real-time data information, and remote control of household equipment and other operations, the data collected by the system is accurate, and the storage of cloud platform is convenient for remote access, so it has a certain value of popularization and application.

STM32；household system；NB-IoT；environmental monitoring

2021-05-26

安徽高校自然科学研究重点项目（KJ2020A1079）；安徽省高校优秀青年人才支持计划项目（gxyq2018237）；安徽省质量工程项目阶段性研究成果（2020zyq29）

周正贵（1984-），男，安徽淮南人，副教授，硕士，主要从事电子信息技术研究，357207186@qq.com。

TN929.5

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1007-984X(2022)01-0017-04