基于NB-IoT的智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)

時薇 陳湘國 魏忠誠 李鵬 趙繼軍

摘要：隨著人們對居住環(huán)境的要求的不斷提高，原有智能家居系統(tǒng)功能需要不斷擴充，技術需要不斷更新。該文設計一種新型的無線智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用移遠BC-35G NB-IoT芯片，基于運營商部署的NB-IoT網絡，按照星型拓撲方式進行終端組網，并配合開發(fā)基于Java語言的客戶端APP，實現采用無線方式搭建本系統(tǒng)，并滿足廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接、運營商級Qos等要求，可以克服傳統(tǒng)系統(tǒng)的不易擴展、功耗高、成本高、網路不穩(wěn)定、通信協(xié)議不統(tǒng)一等弊端。最終該系統(tǒng)達到預期功能，實現了對環(huán)境信息的采集以及報警信息的上報，終端與客戶端APP可以實時交互信息，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加強了業(yè)主對家居環(huán)境的掌控。

關鍵詞：智能家居;安防報警;低功耗廣域網;NB-loT;Android

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）29-0194-04

1背景

伴隨中國城市化的迅速發(fā)展，人們對生活品質的需求不斷提高，自2000年國內開始引進智能家居概念后，結合近年來我國政府大力推進的“互聯網+”政策，智能家居得以飛速發(fā)展。目前現有智能家居系統(tǒng)應用場景多為室內環(huán)境，包括智能門鎖、智能照明、智能影音、智能環(huán)境感知以及報警等部分[2]，早期系統(tǒng)以工作內容為單位，基于不同的通信技術，分別建立獨立工作網絡或系統(tǒng)對功能完成實現。并且原有智能家居的環(huán)境感知單元僅關注室內環(huán)境，忽略室外環(huán)境，由于近年來工業(yè)的大力發(fā)展，大氣環(huán)境污染加劇，空氣中PM2.5等污染物的增多，城市中噪音分貝的提高等問題迫使我們在關注室內環(huán)境的同時，不得不同時關注室外環(huán)境。原有的家居報警系統(tǒng)單元存在諸多弊端，存在終端感知設備種類稀少，事件觸發(fā)后有時延、業(yè)主接收信息不及時、全時段監(jiān)控功耗大成本高等問題。

原有的智能家居通信網絡同時存在一定的弊端，雖然這些技術應用成熟，但針對智能家居中應用還存在一定缺陷。其主要依靠兩種通信方式，一是有線通信，通過電纜、光纖等有形介質傳播信息，有線通信技術雖然成熟穩(wěn)定但存在功耗高，施工復雜成本大，布線繁瑣破壞家裝，不易于擴展等問題;二是無線通信，比如ZigBee、WiFi、LoRa等技術，雖然無線通信技術能有效避免上述有線通信技術帶來的問題，但自身扔存在一定弊端，網關設在用戶側導致網絡不穩(wěn)定終端接入量小，功耗大仍存在布線需要施工的問題，且沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議導致組網單元小不易集中管理。

近年來繼計算機、互聯網與移動通信網之后的第三次世界信息產業(yè)的“第三次浪潮”物聯網飛速發(fā)展，各種順應物聯網趨勢的通信技術應運而生，如，Sigfox、LoRa、NB-IoT等。本文將選擇低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）中的NB-IoT通信技術解決上述原有智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)的種種弊端，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高對家居環(huán)境的全面感知能力和報警的準確性及時性。

2LPWAN技術選擇

在物聯網技術興起之時，LPWAN作為一種新興的通信模式，補充傳統(tǒng)的蜂窩網絡和短距離通信技術，以滿足物聯網應用的各種需求。LPWAN網絡與傳統(tǒng)的物聯網通信技術不同，其面向物聯網中超低功耗和超遠距離的應用場景演進而來，具有傳輸距離遠、節(jié)點功耗低、網絡拓撲結構簡單、易于維護等特點。

LoRa和NB-IoT作為LPWAN中的兩大主流技術各有優(yōu)劣，競爭激烈，分別由阿里、思科、騰訊和華為、國內三大運營商推動，基于不同的頻譜資源、組網方式等性能指標滿足不同應用場景的需求。基于解決原有系統(tǒng)存在的問題，提高系統(tǒng)的性能，根據比較上述LoRa和NB-IoT通信技術的各項性能指標，選出適合智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)的關鍵通信技術，如表1所示。

2.1LoRa技術

LoRa屬于Semtech公司壟斷的通信技術，使用公司私有協(xié)議，很難持續(xù)長期的技術演進，面對5G的興起和物聯網應用的大規(guī)模落地，LoRa的發(fā)展受到了局限。LoRa基于非授權頻段部署網絡，網絡不穩(wěn)定，受自身頻段干擾，通信質量難以保證。用戶可自行組網，雖組網無須申請，選擇自由，但網關設計復雜，受現場施工條件的限制。相較于NB-IoT，LoRa網絡安全陛偏低，QoS沒有達到運營商級別。

2.2NB-IoT技術

NB-IoT技術源自華為、沃達豐、高通等通信設備制造商以及芯片制造廠商的共同推進和發(fā)展，遵循3GPP制定的協(xié)議標準，基于統(tǒng)一的物聯網標準化專有協(xié)議，NB-IoT易于全面推廣，有利于進行長期持續(xù)演進，最終面向5G，成熟應用可大面積落地嘲。NB-IoT基于授權頻段部署，定位運營商級物聯網技術，可直接部署于LTE網絡，或基于運營商2G、3G網絡進行平滑升級部署，具有非常專業(yè)的網絡保障和高質量的通信保障。NB-IoT工作在授權頻譜，基于LTE網絡原有架構進行設計，可直接部署于LTE網絡，或利用2G、3G頻譜重更來進行部署，利于運營商實現與傳統(tǒng)網絡的共站部署，加強即將退網的傳統(tǒng)2G、3G網絡再利用，降低建網成本。因此NB-IoT網絡系統(tǒng)具有運營商級的安全等級，網絡覆蓋范圍和信號質量。

通過對比LoRa和NB-IoT技術，本系統(tǒng)最終選用NB-IoT作為搭建系統(tǒng)的通信技術，基于上述NB-IoT的各項特性，可以有效解決早期系統(tǒng)存在的缺陷，提升系統(tǒng)的性能。

3基于NB-IoT的智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)構建

基于NB-IoT的智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)構建遵循物聯網系統(tǒng)的劃分結構，從下向上分為四個層次，分別是感知層、網絡層、數據層和應用層。本系統(tǒng)設計的體系架構如圖1所示。

3.1感知層

感知層是本結構的最底層，為面向應用環(huán)境部署的終端網絡，包括傳感模塊、電源模塊、NB-IoT通信模塊、控制模塊，傳感模塊硬件結構圖如圖2所示。傳感模塊負責采集感知設備的數據，本系統(tǒng)采用市場現有的成熟環(huán)境感知設備和安防報警設備，現有NB-IoT通信模塊負責將數據發(fā)送至運營商部署的NB-IoT網絡，同時NB-IoT模塊也接收并響應網關下發(fā)的命令，完成數據上發(fā)任務。

單片機采用STM32F103系列低功耗單片機，基于ARM最新架構，內核為32位處理器，內置128KB的Flash，20K的RAM，以CPU速度訪問，可以滿足系統(tǒng)性能需求。NB-IoT通信模塊采用移遠BC-35G通信模塊，基于BC28內核，能夠實現全網通，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28多頻段通信，其高性能，低功耗、小體積的特點具有顯著優(yōu)勢。

3.2網絡層

本系統(tǒng)網絡層采用NB-IoT技術，與原有2G、3G網絡相比NB-IoT最大鏈路預算提升20dB，覆蓋面積提升了100倍，基站單扇區(qū)可支持超過五萬個UE連接，網絡信號可以達到農村、山區(qū)、地下區(qū)域，支持本系統(tǒng)應用到除城市外更廣范圍的地區(qū)川。

NB-IoT支持三種部署模式，分別為獨立（standalone）部署、保護帶（Guard-Band）部署、帶內（In-Band）部署。這三種部署模式在頻譜、兼容性、覆蓋面積、容量、時延等方面的優(yōu)勢各不相同。獨立部署獨占頻譜，與現有系統(tǒng)不存在共存問題，無須考慮與現有系統(tǒng)的兼容性問題。保護帶部署和帶內部署均需考慮與現有LTE系統(tǒng)共存問題，如干擾規(guī)避、射頻指標等問題。三種部署模式均滿足滿足3GPP協(xié)議的覆蓋需求、容量需求和時延需求，其中獨立部署模式覆蓋面積最大，小區(qū)容量最大，時延最小。保護帶部署模式和帶內部署模式覆蓋面積小于獨立部署模式，小區(qū)支持容量略小與獨立部署模式，時延略大于獨立部署模式。本系統(tǒng)使用運營商網絡，部署模式為獨立部署，支持容量最大，傳輸質量最高，時延最小。

3.3數據層

本系統(tǒng)的數據接收與處理選擇采用開放平臺即OneNET物聯網平臺，平臺定位于PaaS（Plafform-as-a-Set-vice：平臺即服務），便于搭建搭建高效、穩(wěn)定、安全的應用系統(tǒng)，支持多種標準協(xié)議的設備接人，如CoAP（LWM2M）、MOTT、Modbus、HTI'P等，提供API和數據分發(fā)能力，支持多語言開發(fā)SDK。專門提供適用于CoAP協(xié)議使用的DTLS加密通道，能夠充分保證用戶數據的傳輸安全，從而提升整個系統(tǒng)的安全性能。

3.4應用層

本系統(tǒng)的應用單元可以分為三個部分，分別為智能家居基礎部分，環(huán)境感知部分以及安防報警部分。智能家居基礎部分包括傳統(tǒng)的智能門鎖、門磁、溫濕度等感知節(jié)點;環(huán)境感知部分主要為室內的一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、噪聲、PM2.5、PM10、光照等感知節(jié)點以及室外的風速、風向、氣壓等感知節(jié)點;安防報警部分包括燃氣報警器、煙霧報警器、玻璃破碎傳感器、震動傳感器、紅外傳感器、水浸傳感器、一鍵報警等報警終端。感知數據上傳至開發(fā)的Android客戶端，用戶可隨時接收數據，處理報警信息，實現系統(tǒng)的完整性。

4基于NB-IoT的智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)關鍵技術

本文將基于NB-IoT的智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)分為四個部分，分別為前端感知部分、傳輸網絡部分、云平臺部分以及手機客戶端部分。根據功能和部署環(huán)境將感知終端分為三個部分，分別為室內外環(huán)境感知單元，智能家居基礎設施單元和安防報警單元。系統(tǒng)結構如圖3所示。

4.1網絡拓撲結構

目前現有的無線網絡終端組網拓撲方式為以下四種，分別為總線型拓撲、樹型拓撲、環(huán)型拓撲、星型拓撲，四種拓撲形式各有利弊，如圖4所示。

總線型拓撲結構簡單，部署靈活，基于同一信道將多個終端連接起來，每個終端直接連接至總線，成本低，連接簡單，終端之間信息可以進行交互，便于信息共享。但也存在弊端，信息交互時會互相產生影響，信息傳送存在延遲，實時性受到影響;出現故障難以診斷，不易隔離維護，整體容易癱瘓。

樹型拓撲由總線型拓撲演進而來，實質為總線型拓撲加人分支，分支結構對稱。樹型拓撲能夠改善總線型拓撲的缺點，減少延遲，分支故障易于診斷，但樹型拓撲節(jié)點間信息共享不充分，維護工作復雜，整體結構過于依賴根節(jié)點，系統(tǒng)運行受根節(jié)點狀態(tài)影響。

環(huán)形拓撲異于其他拓撲形式，環(huán)形拓撲是閉合型拓撲結構，將各個終端通過環(huán)形信道連接起來，任何終端可以請求發(fā)送信息，其他終端可以接收信息，環(huán)形網中數據可以進行雙向傳輸。環(huán)形網絡的節(jié)點出現故障會導致整個網絡的癱瘓，穩(wěn)定性差。

星型拓撲采用中央節(jié)點向外輻射終端的形式組網，采用中央節(jié)點集中控制其他終端的通信工作方式進行管理，結構簡單便于管理，數據的轉發(fā)無須路由的選擇，終端出現故障便于查找維護，發(fā)生故障終端不影響其他終端工作，而且易于擴展。但中央節(jié)點工作復雜，負擔較重，對其性能要求較高。

結合上述各種類型的拓撲特點，本系統(tǒng)終端組網方式將選擇采用星型拓撲結構。智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，要求數據實時傳輸，減少延時;要求系統(tǒng)易于維護拓展，單個終端出現故障時其他終端不受影響，正常工作，系統(tǒng)功能或使用面積需要擴展時，星型拓撲組網方式便于系統(tǒng)更靈活變更;且星型拓撲組網方式的欠缺之處采用NB-IoT通信技術進行組網可以有效的彌補，NB-IoT網絡為運營商網絡，網關在運營商側，無須自行組建網關，運營商技術成熟，網絡覆蓋面積廣，運行維護專業(yè)化，保障網關即本系統(tǒng)中央節(jié)點的長期穩(wěn)定工作。

4.2云平臺連接

本系統(tǒng)采用現有開放的OneNET物聯網云平臺進行連接，感知終端與平臺基于CoAP協(xié)議進行信息交互。CoAP協(xié)議運行于UDP之上，減少開銷支持組播，基于REST模型面向M2M場景開發(fā)的輕量級協(xié)議，借鑒了HTYP協(xié)議機制并進行簡化，消息格式為二進制，因此協(xié)議包更小更緊湊，最小僅為4B。CoAP協(xié)議定義了四個消息類型，分別為CON、NON、ACK、RST，Re-quest＼Response通過Message進行承載，僅在邏輯上進行區(qū)分，封包不區(qū)分。數據上行和下行過程如圖5所示。

4.3Android客戶端開發(fā)

為了便于業(yè)主實時掌握家中的動態(tài)并及時處理警情，本系統(tǒng)設計開發(fā)了Android客戶端。Android采用的Java語言，在Eclipse環(huán)境下進行開發(fā)，源代碼完全開放，可參考或借鑒的Ja-va類庫較多，學習方便㈣。本文開發(fā)的APP具有以下功能：

1）登錄功能

用戶打開界面，需要輸入正確的用戶名和密碼，驗證通過后得到系統(tǒng)的相關信息和管理權限。

2）顯示數據

登錄后可顯示數值、上傳時間、傳感器工作狀態(tài)，報警信息等。

3）下發(fā)命令

客戶端可下發(fā)命令至感知終端，喚醒休眠狀態(tài)的感知終端，上發(fā)數據及工作狀態(tài)。

功能框圖如圖6所示。

最終展示界面如圖7所示，APP展示界面分為兩部分，分別是智能家居環(huán)境感知部分和報警終端部分，能夠實時顯示傳感終端感知的設備以及設備工作狀態(tài)，實現終端感知設備與客戶端APP的信息交互功能。

5總結

本文所設計開發(fā)智能家居環(huán)境感知及安防報警系統(tǒng)整合各個功能單元，基于新興的NB-IoT技術進行終端組網，有效的解決了原有系統(tǒng)存在的種種弊端，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性、及時性等性能。此外本系統(tǒng)配合開發(fā)了客戶端使用的APP，提升了系統(tǒng)的完整性和實用性，實現業(yè)主對家居環(huán)境掌控并能及時接收報警信息及時處理。