基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)

林東旭　陳明明　耿亮　陳育智

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）作為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支應(yīng)運(yùn)而生，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)，具備廣域覆蓋、海量接入、低功耗等特征。其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)包括很多，比如傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)等。本平臺(tái)主要是通過傳統(tǒng)空調(diào)進(jìn)行智能化改造，通過NB-IoT的無線通訊技術(shù)和REST架構(gòu)的CoAP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的智能化實(shí)時(shí)控制，并可將此平臺(tái)應(yīng)用于校園設(shè)備設(shè)施管理、校園環(huán)境管理和教育教學(xué)管理等方面，實(shí)現(xiàn)校園的智能化。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；NB-IoT；空調(diào)控制平臺(tái)；智慧校園

經(jīng)過2017年“物聯(lián)網(wǎng)元年”的爆發(fā)，目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透各行各業(yè)，比如生產(chǎn)制造、交通物流、健康醫(yī)療、消費(fèi)電子、汽車等行業(yè)，而NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一項(xiàng)革新性技術(shù)，隨著NB-IoT對(duì)行業(yè)的不斷滲透，生態(tài)體系的不斷完善，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給社會(huì)帶來深遠(yuǎn)的影響[1]。目前NB-IoT設(shè)備主要以監(jiān)測(cè)為主，例如：智能抄表、智能煙感等設(shè)備，其速率的需求還是以低速率、通信時(shí)延低敏感為主，而NB-IoT的技術(shù)同樣能夠應(yīng)用在智慧校園的公共設(shè)施的監(jiān)控上，除了能夠獲取設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外，還能夠滿足對(duì)其進(jìn)行時(shí)延性不高的控制需求。

本平臺(tái)采用先進(jìn)的無線物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空調(diào)智能調(diào)控系統(tǒng)，對(duì)空調(diào)加裝專用的NB-IoT的空調(diào)控制設(shè)備，應(yīng)用移遠(yuǎn)的BC95-B5的模組和空調(diào)控制總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，同時(shí)對(duì)每臺(tái)空調(diào)的運(yùn)行數(shù)據(jù)上報(bào)到信息中心[2]，并由信息中心提供相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)，用戶可以通過手機(jī)APP和Web網(wǎng)頁(yè)的訪問方式查詢空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)空調(diào)運(yùn)行參數(shù)。

1 平臺(tái)硬件建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)在搭建過程中，要考慮日后應(yīng)用擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)安全性，因此，平臺(tái)采用云技術(shù)進(jìn)行建設(shè)。利用云平臺(tái)計(jì)算資源，通過云管理平臺(tái)與多臺(tái)云平臺(tái)服務(wù)器融合，將CPU、內(nèi)存等資源池化，提供云主機(jī)所需的CPU、內(nèi)存等計(jì)算資源，以虛擬機(jī)形式輸出，具體的云平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

云平臺(tái)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平面、管理網(wǎng)絡(luò)平面、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平面、硬件管理（IPMI）網(wǎng)絡(luò)平面4個(gè)層次。存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平面均采用冗余部署模式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡及鏈路高可靠。

（1）存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平面，主要用于云平臺(tái)服務(wù)器與存儲(chǔ)設(shè)備的連接，提供高速、可靠的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)鏈路，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)由服務(wù)器上FC HBA卡和FC交換機(jī)構(gòu)成。

（2）管理網(wǎng)絡(luò)平面，負(fù)擔(dān)云平臺(tái)系統(tǒng)的管理流量，包括對(duì)云平臺(tái)服務(wù)器的管理、云主機(jī)在線遷移、系統(tǒng)高可用保障等，管理網(wǎng)絡(luò)使用服務(wù)器千兆網(wǎng)卡和千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，并與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)連接。

（3）業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相連，主要用于云主機(jī)內(nèi)部之間的通信以及與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)由服務(wù)器上千兆網(wǎng)卡和千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，并與核心中心網(wǎng)絡(luò)連接。

（4）硬件管理（IPMI）網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程硬件管理和監(jiān)控。IPMI網(wǎng)絡(luò)由服務(wù)器上遠(yuǎn)程管理卡和千兆以太網(wǎng)交換機(jī)組成。

NB-IoT空調(diào)控制平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的一個(gè)業(yè)務(wù)層中的應(yīng)用性平臺(tái)，其采用B/S結(jié)構(gòu)，應(yīng)用服務(wù)器建設(shè)在云端，設(shè)備終端安裝在空調(diào)頂部，通過電信的窄帶物聯(lián)網(wǎng)的通訊技術(shù)，完成網(wǎng)絡(luò)通訊[3]。平臺(tái)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中，其服務(wù)器提供以下服務(wù)（見表1）。

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通訊

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)包括NB-IoT終端（空調(diào)控制設(shè)備終端）、NB-IoT基站、NB-IoT分組核心網(wǎng)、NB-IoT連接管理平臺(tái)，在數(shù)據(jù)通訊上存在南向和北向兩種。南向通訊主要是NB-IoT的終端設(shè)備與NB-IoT基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸[4]。NB-IoT基站是移動(dòng)通信中組成蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基本單元，主要完成移動(dòng)通信網(wǎng)和UE之間的通信和管理功能。即通過運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)連接的NB-IoT用戶終端設(shè)備必須在基站信號(hào)的覆蓋范圍內(nèi)才能進(jìn)行通信。基站不是孤立存在的，屬于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的一部分，是連接移動(dòng)通信網(wǎng)和UE的橋梁，其工作原理如圖3所示。

北向通訊主要是NB-IoT的連接管理平臺(tái)與應(yīng)用服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，其大多數(shù)采用CoAP的通訊協(xié)議，并基于華為OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的RESTful接口編寫Profile，生成編解碼插件，編解碼插件主要用來對(duì)NB設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，同時(shí)對(duì)下發(fā)給NB設(shè)備的信令進(jìn)行編碼的插件，對(duì)接前，需上傳到OceanConnect平臺(tái)。具體Profile的設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

基于對(duì)空調(diào)智能改造化的需求，需要提供一個(gè)對(duì)空調(diào)的集中智能化管理平臺(tái)，并通過空調(diào)控制終端設(shè)備進(jìn)行空調(diào)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。系統(tǒng)可遠(yuǎn)程采集空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行日志等數(shù)據(jù)，并能通過手機(jī)APP或PC端控制空調(diào)的開關(guān)和參數(shù)調(diào)節(jié)[5]。能夠提供空調(diào)的統(tǒng)一控制和單獨(dú)控制，并具有預(yù)約功能，可定時(shí)開啟空調(diào)和設(shè)定空調(diào)參數(shù)，具體功能如下。

（1）能夠通過無線的通信方式，實(shí)現(xiàn)空調(diào)與中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和空調(diào)故障的報(bào)警。

（3）能夠?qū)照{(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)Web端和APP端兩種控制方式。

（4）能夠?qū)照{(diào)開關(guān)提供預(yù)約功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制空調(diào)。

（5）能夠?qū)照{(diào)運(yùn)行狀態(tài)的歷史進(jìn)行記錄，可進(jìn)行查詢和圖表統(tǒng)計(jì)。

3.1 平臺(tái)組成

平臺(tái)組成如圖5所示。

3.2 微服務(wù)技術(shù)

空調(diào)控制平臺(tái)采用了最新的互聯(lián)網(wǎng)微服務(wù)架構(gòu)，將物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效地融合。微服務(wù)架構(gòu)提倡將單一應(yīng)用程序劃分成一組小的服務(wù)，服務(wù)之間互相協(xié)調(diào)、互相配合，為用戶提供最終價(jià)值。微服務(wù)架構(gòu)更適合用Docker容器的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，每個(gè)容器承載一個(gè)服務(wù)[6]。一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)容器，就能很輕松地模擬出復(fù)雜的微服務(wù)架構(gòu)。

平臺(tái)在設(shè)計(jì)上采用此架構(gòu)后，將本平臺(tái)拆分成各組交互獨(dú)立的微服務(wù)組件，每個(gè)微服務(wù)組件只負(fù)責(zé)自身的那塊業(yè)務(wù)邏輯，相當(dāng)于一個(gè)單獨(dú)的項(xiàng)目，代碼量明顯減少，并可以由不同的獨(dú)立研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用不同的開發(fā)技術(shù)開發(fā)、維護(hù)及發(fā)布，開發(fā)模式更加敏捷、靈活。服務(wù)與服務(wù)之間通過消息總線進(jìn)行通訊，解決了單體架構(gòu)中存在的模塊之間的緊藕合問題。各微服務(wù)組件也可以使用不同的存儲(chǔ)方式，并可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，從業(yè)務(wù)上實(shí)現(xiàn)分庫(kù)分表。這種架構(gòu)使得微服務(wù)可以獨(dú)立地部署、運(yùn)行、升級(jí)，不僅如此，這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)還讓微服務(wù)與微服務(wù)之間在結(jié)構(gòu)上“松耦合”，而在功能上則表現(xiàn)為一個(gè)統(tǒng)一的整體。這種所謂的“統(tǒng)一的整體”表現(xiàn)出來的是統(tǒng)一風(fēng)格的界面，統(tǒng)一的權(quán)限管理，統(tǒng)一的安全策略，統(tǒng)一的上線過程，統(tǒng)一的日志和審計(jì)方法，統(tǒng)一的調(diào)度方式，統(tǒng)一的訪問入口等。

4 結(jié)語(yǔ)

基于NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)控制平臺(tái)，不僅為傳統(tǒng)的空調(diào)智能化監(jiān)測(cè)與控制上提供了一整套的解決方案，而且也可作為智慧校園中對(duì)于“端”的管理提供了一種新型的管理方式，可將其推廣到校園中各個(gè)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

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