葛建新

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000）

0 前言

2019年以來(lái)，我國(guó)不斷加快優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)連接環(huán)境，推動(dòng)IPv6、NB-IoT、5G等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，從而使得物聯(lián)網(wǎng)步入了實(shí)質(zhì)性的快速發(fā)展階段。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，位于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)體系的網(wǎng)絡(luò)層，具有低功耗、低成本、廣覆蓋、安全性更強(qiáng)、連接更穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)?；诜涓C的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）技術(shù),在同一基站的情況下，相比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)能提供50～100倍的接入數(shù)，能實(shí)現(xiàn)比GSM高20db的覆蓋增益，可以保證數(shù)據(jù)成功回收率達(dá)99%，可靠性大大提高,將該技術(shù)運(yùn)用于空調(diào)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定創(chuàng)新性。同時(shí)，該系統(tǒng)具有低成本、低耗能、覆蓋廣、性能強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架及原理

本系統(tǒng)主要依托智能終端、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）云平臺(tái)、移動(dòng)端APP 三部分組成，智能終端負(fù)責(zé)采集空調(diào)數(shù)據(jù)和控制空調(diào)狀態(tài)；物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是數(shù)據(jù)管理中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，可以接收智能終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)控制指令給智能終端，并隨時(shí)響應(yīng)移動(dòng)客戶端的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)和移動(dòng)客戶端的雙向通信；移動(dòng)客戶端可以實(shí)時(shí)查看空調(diào)相關(guān)數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)云平臺(tái)發(fā)送指令給智能終端。其中智能終端是系統(tǒng)的核心[2]，系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 元器件選取

2.1.1 主控制器

采用STM32F103RCT6 單片機(jī)做為主控制器。STM32F103RCT6支持工作頻率72MHz，64k的內(nèi)部FLASH，是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核屬于STM32系列的32位的微控制器，處理速度足夠快，有功能強(qiáng)大，價(jià)格低，性價(jià)比高，開發(fā)資料豐富的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 NB-IoT模塊

采用移遠(yuǎn)公司的BC20模塊，BC20是一款高性能、低功耗、多頻段、支持GNSS定位功能的無(wú)線通信模塊，另外BC20支持北斗、GPS、QZSS等多星座衛(wèi)星解調(diào)算法，支持TCP/IP協(xié)議，其定位更加精準(zhǔn)。成本稍微中等，功能齊全。

2.1.3 顯示模塊

采用OLED 1.3寸屏幕，特點(diǎn)使用OLED 1.3寸屏幕無(wú)需背光，顯示單元能自發(fā)光，分辨率高清晰，模塊體積小（比一元硬幣稍大），可視角度大，采用SPI通訊，支持眾多控制芯片，功耗低，亮度高，電壓支持3-5V，I/O口占用少等。

2.1.4 繼電器

采用電磁繼電器。有輸入和輸出是隔離的。驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，隔離性強(qiáng)，無(wú)漏電流，發(fā)熱性小不需要散熱片，價(jià)格便宜，多組觸點(diǎn)，可使項(xiàng)目成本降低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：噪音大，靈敏度稍差通斷時(shí)間比固態(tài)繼電器稍長(zhǎng)，在大電壓的情況下通斷瞬間容易產(chǎn)生電弧[3]。

2.1.5 電量測(cè)量

采用ATT7053AU單相電能計(jì)量芯片。ATT7053AU采用3.3v供電，可同時(shí)測(cè)量?jī)赏ǖ赖挠泄β?、無(wú)功功率，支持有功、無(wú)功、視在功率和電能脈沖輸出，能夠同時(shí)得到三通道的有效值，及電壓頻率，電壓電流相位，支持?jǐn)嘞喾栏`電，片內(nèi)溫度傳感器。使用電能計(jì)量芯片對(duì)功率計(jì)算，電源檢測(cè)都較為精準(zhǔn)，對(duì)計(jì)算要求稍微偏低。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用STM32F103RCT6單片機(jī)來(lái)做主控芯片，有雙晶振（8M與32.768khz），還有簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路，和兩個(gè)按鍵一起組成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，原理圖如圖2。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

2.2.2 紅外發(fā)射與接收

紅外發(fā)射：發(fā)送端將會(huì)采用單片機(jī)的定時(shí)中斷功能，由單片機(jī)中的定時(shí)器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖，即是通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生中斷，從而輸出一個(gè)與原先相反的信號(hào)使得單片機(jī)輸出端能產(chǎn)生一個(gè)周期為接收端需要的周期為38kHz～40kHz的方波。

紅外接收：在本系統(tǒng)中選用的是一款結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的紅外接收器，紅外遙控接收頭HS0038。我們應(yīng)該先對(duì)波形進(jìn)行解調(diào)，然后再對(duì)解調(diào)后的波形進(jìn)行測(cè)量，將HS0038解調(diào)出的遙控編碼脈沖直接連入所使用單片機(jī)中的對(duì)應(yīng)引腳。[4]紅外發(fā)射與接收?qǐng)D原理圖如圖3。

圖3 紅外發(fā)射與接收電路

2.2.3 語(yǔ)音模塊

本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)是具有語(yǔ)音識(shí)別功能，能識(shí)別人的話從而進(jìn)行語(yǔ)音切換各功能，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互的目的。

2.2.4 OLED顯示電路

采用OLED1.3寸屏幕，默認(rèn)顯示時(shí)間、日期、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)。在配合按鍵的情況，用戶可以查詢電量，設(shè)計(jì)時(shí)間等。

2.2.5 EEPROM存儲(chǔ)器

使用EEPROM作用是為儲(chǔ)存單片機(jī)從電量測(cè)量出數(shù)據(jù)之后進(jìn)行儲(chǔ)存，在某一時(shí)刻瞬間掉電之后可以對(duì)單片機(jī)測(cè)量電量的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，再次開啟電源之后又能重新讀取原來(lái)的電量值，使數(shù)據(jù)不丟失。

2.2.6 溫濕度模塊

本系統(tǒng)采用的是一塊3.3v供電的溫濕度模塊，使用方便，為了測(cè)量周圍的溫度、濕度情況等。

2.2.7 NB-IoT無(wú)線通信模塊NB-IoT模塊由BC20模塊、SIM插卡座子、濾波天線電路、北斗與GPS座子、復(fù)位電路和網(wǎng)絡(luò)指示燈組成。NB-IoT模塊所實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)UART接收主控制器的數(shù)據(jù)并上傳到云平臺(tái)；接收云平臺(tái)傳輸?shù)目照{(diào)控制命令并通過(guò)UART下發(fā)給主控制器。

2.2.8 電源

系統(tǒng)5v電源是采用了一個(gè)220v轉(zhuǎn)5v模塊，再利用了一個(gè)降壓芯片（AMS1117-3.3）從5v降至3.3v為系統(tǒng)中的各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的電源電壓。

2.2.9 電量測(cè)量電路

電路的核心主采用了單相電能計(jì)量ATT7053AU芯片電路，能夠測(cè)量交流電壓大小，電流的大小，有功功率，無(wú)功功率，瓦數(shù)等等。電路有兩個(gè)濾波電容為芯片提供穩(wěn)定電壓。ATT7053AU采用了雙端差分信號(hào)輸入的方式采集電壓，電流的信號(hào)數(shù)據(jù)，正常工作時(shí)最大輸入電壓為±800mv，在有效值為200mv的情況下有較好的精確度和線性度[5]。

2.2.10 空調(diào)電源控制電路

空調(diào)電源控制部分使用了一個(gè)繼電器來(lái)做空調(diào)的總開關(guān)，在利用三極管電流放大的特性驅(qū)動(dòng)繼電器來(lái)從而形成了一個(gè)類似開關(guān)的作用。

2.3 設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)的程序主流程圖如圖4。

圖4 程序流程框圖

3 測(cè)試部分

3.1 測(cè)試方案

先給5v電源單獨(dú)給主控制電路部分，做一些簡(jiǎn)單的調(diào)試，對(duì)這些主控電路中的各個(gè)模塊之間測(cè)量，確認(rèn)每個(gè)模塊能否正常工作；之后再進(jìn)行下一步的調(diào)試，我們可以使用幾種實(shí)物對(duì)象，如燈泡，烙鐵，空調(diào)等。均可做被檢測(cè)對(duì)象；最后將全部的功能結(jié)合起來(lái)。

3.2 測(cè)試設(shè)備

220v交流電源，萬(wàn)用表，鉗表，手機(jī)，電腦，燈泡，烙鐵，空調(diào)。

3.3 電量測(cè)試

表1 電量測(cè)試數(shù)據(jù)

3.4 結(jié)果分析

硬件需要大量的調(diào)試與測(cè)試，找到最適合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的硬件。通過(guò)測(cè)試與調(diào)試得到了與項(xiàng)目吻合的狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文給出基于NB-IoT的空調(diào)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。實(shí)現(xiàn)空調(diào)遠(yuǎn)程集中管理，管理者可以遠(yuǎn)程通過(guò)手機(jī)或PC機(jī)查看每一臺(tái)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)天用電和近12個(gè)月的用電情況、還可讓終端實(shí)時(shí)上傳環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)，并且在app或web端生成實(shí)時(shí)的耗電量曲線圖和溫濕度平均值曲線圖，可讓管理者更直觀了解用電情況及環(huán)境變化?？梢詫?shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制空調(diào)的溫度、關(guān)機(jī)。當(dāng)不需使用空調(diào)，空調(diào)自動(dòng)關(guān)機(jī)，達(dá)到節(jié)能減排、降低經(jīng)濟(jì)損失的目的。