基于NB-IoT技術(shù)的空調(diào)共享系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳偉杰 蔡團(tuán)生 馬海東

摘要：為了解決一些高校對空調(diào)的迫切需求，而又由于資金短缺、線路改造難等原因，難以大批量采購空調(diào)的困難，設(shè)計(jì)一種空調(diào)共享系統(tǒng)。該共享空調(diào)系統(tǒng)采用NB-IoT通信模塊，依托電信的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，通信數(shù)據(jù)上傳到電信云，微信小程序接入云平臺對空調(diào)狀態(tài)進(jìn)行顯示和控制，實(shí)現(xiàn)對空調(diào)的掃碼租賃、退租和集中控制等共享操作。

關(guān)鍵詞：空調(diào)器 NB-IoT 共享系統(tǒng)

1 引言

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，由LTE技術(shù)發(fā)展而來，是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，僅消耗180kHz的帶寬，與藍(lán)牙、ZigBee、wifi和其他短距離通信技術(shù)相比，移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣和移動連接能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于各種各樣、豐富多彩的應(yīng)用程序基于此，本文采用NB-IoT模組，使用電信窄帶物聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合微信小程序接入電信云平臺，設(shè)計(jì)一種空調(diào)的共享系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和終端層，應(yīng)用層為微信小程序，接入電信云平臺;平臺層為SAAS平臺，可以查看數(shù)據(jù)、集中控制、運(yùn)維管理等等。網(wǎng)絡(luò)層為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層通過NB-IoT通信模塊發(fā)送到NB-IoT基站，再由基站經(jīng)由核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至電信云平臺。該層是將物聯(lián)網(wǎng)與窄帶通信技術(shù)融合的核心;終端層為MCU模塊、NB-IoT模塊、各傳感器模塊，傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊發(fā)送到基站。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要是MCU模塊、NB-IoT模塊和各傳感器模塊，MCU模塊選用16位單片機(jī);NB-IoT模塊，支持B5和B8頻段，支持FOTA升級，模塊休眠模式為DRX模式;傳感器模塊有溫濕度傳感器、光敏傳感器、紅外傳感器等;NB-IoT模塊SIM卡采用中國電信的4G 消費(fèi)級物聯(lián)網(wǎng)專用卡，通過UART串口與MCU進(jìn)行通訊。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括三部分：主控程序、微信小程序開發(fā)、SAAS平臺。

4.1 主程序軟件設(shè)計(jì)

主程序主要編寫芯片的底層初始化代碼，各傳感器的驅(qū)動程序以及與NB-IoT通訊協(xié)議部分的程序代碼編寫，實(shí)現(xiàn)對空調(diào)狀態(tài)數(shù)據(jù)的上報(bào)，對云端下發(fā)的命令進(jìn)行執(zhí)行，從而對空調(diào)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。

主程序在接收到NB-IoT模組發(fā)來的租賃狀態(tài)前，不處理遙控器、小程序和應(yīng)急按鍵的操作，空調(diào)處于上鎖狀態(tài);在用戶掃碼租賃后，主程序接收到來自NB-IoT模組發(fā)來的租賃狀態(tài)后，解鎖空調(diào)，用戶可通過遙控器、小程序操作設(shè)備，至此，實(shí)現(xiàn)了租賃時(shí)可操作，退租時(shí)不可操作，空調(diào)的共享邏輯。

4.2 微信小程序設(shè)計(jì)

微信小程序使用微信開發(fā)者工具開發(fā)。界面分為主界面和空調(diào)控制界面，主界面主要包括租賃空調(diào)設(shè)備列表，可以進(jìn)行掃碼租賃、退租等操作，還可查看訂單、充值記錄、安裝維修記錄等;空調(diào)控制界面則涵蓋常規(guī)空調(diào)控制按鈕等功能按鈕。

小程序端將指令發(fā)送到云端，云端將數(shù)據(jù)發(fā)送到NB-IoT基站，基站將指令發(fā)送到NB-IoT模組，最終實(shí)現(xiàn)對空調(diào)的控制。

4.3 SAAS平臺設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)平臺層的開發(fā)工作主要包括設(shè)備能力描述文件開發(fā)和編解碼插件開發(fā)。本系統(tǒng)中，其服務(wù)主要包括：分組管理、設(shè)備管理、運(yùn)維人員管理、套餐管理、數(shù)據(jù)查詢、命令下發(fā)、安裝維修、分成收益等。

平臺能對空調(diào)設(shè)備進(jìn)行分組管理，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)的集中控制。

5 測試驗(yàn)證

將NB-IoT模組imei號添加進(jìn)SAAS平臺，導(dǎo)出共享二維碼。再生成安裝單，在微信小程序安裝工單處掃共享二維碼安裝空調(diào)設(shè)備。接著微信掃描共享二維碼，選擇套餐租賃使用。測試結(jié)果，能夠正常控制空調(diào)設(shè)備，響應(yīng)時(shí)間為1秒左右。在NB-IoT設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，首次操作小程序喚醒需要3秒左右，之后空調(diào)均在1秒左右響應(yīng)指令。

集中控制功能在不同的信號強(qiáng)度下測試結(jié)果顯示，RSRP小于-90dbm時(shí)，集中控制功能可靠性大幅下降，信道擁堵所導(dǎo)致。因此，集中控制功能建議在RSRP大于-90dbm時(shí)使用。

6 共享方案設(shè)計(jì)

空調(diào)的共享模式不同于共享單車、共享充電寶，共享空調(diào)主要是面向?qū)W校客戶，針對一些學(xué)校資金短缺的情況，空調(diào)廠商免費(fèi)提供空調(diào)，包括前期安裝和后期維護(hù)，將空調(diào)按照到每個(gè)宿舍，學(xué)生可掃碼租賃使用，根據(jù)不同的學(xué)?？梢远ㄖ苹煌淖赓U套餐，可按使用時(shí)間租賃，亦可按學(xué)期、學(xué)年租賃，可隨時(shí)續(xù)租、退租，一個(gè)宿舍所有成員都可通過小程序控制空調(diào)，一個(gè)宿舍僅需花少量的錢即可享受到空調(diào)帶來的舒適感。

當(dāng)空調(diào)無人租賃時(shí)，空調(diào)屬于上鎖狀態(tài)，小程序和遙控器皆不可控制。待用戶掃碼租賃后，解鎖設(shè)備，空調(diào)可控制。若空調(diào)租賃套餐時(shí)間到期，空調(diào)自動上鎖，避免用戶還能繼續(xù)操作。

7結(jié)論

本文基于NB-IoT模組設(shè)計(jì)一種空調(diào)的共享系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，采用NB-IoT模塊使空調(diào)連接范圍廣、突破了傳統(tǒng)通信距離和空間障礙限制，能覆蓋到4G NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋的每個(gè)區(qū)域，加上低成本、低功耗等優(yōu)勢，該技術(shù)方案可延伸到其他應(yīng)用場景，在未來有非常大的應(yīng)用前景。

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