窄帶物聯(lián)網(wǎng)   溫濕度控制系統(tǒng)

 引言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)是第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）于2016年6月完成其核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)而實(shí)施的新一代物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，消耗的帶寬不會(huì)超過(guò)180 kHz，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或者LTE網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑升級(jí)[1-2]。相比4G網(wǎng)絡(luò)、ZigBee等短距離通信技術(shù)，NB-IoT技術(shù)有大容量、廣覆蓋、深穿透、低成本、低功耗等特點(diǎn)，能夠帶來(lái)更加豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，其可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表、智慧農(nóng)業(yè)、智能停車等應(yīng)用領(lǐng)域，NB-IoT將會(huì)成為我國(guó)未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)[3-4]。

由于NB-IoT技術(shù)的研究處于初期階段，為了解決在應(yīng)用中存在可靠性和穩(wěn)定性的問(wèn)題，本文通過(guò)采用在NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。先從應(yīng)用角度對(duì)NB-IoT進(jìn)行分析研究，歸納出了NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。再根據(jù)應(yīng)用架構(gòu)功能要求對(duì)NB-IoT終端軟硬件設(shè)計(jì)，并在開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual Studio 2013下設(shè)計(jì)出人機(jī)交互系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)溫濕度控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以得到NB-IoT技術(shù)在應(yīng)用方面具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。

1 NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)

NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)的建立是在抽取NB-IoT應(yīng)用開(kāi)發(fā)的共性，從具體到一般，把NB-IoT應(yīng)用開(kāi)發(fā)所涉及軟硬件體系的共性進(jìn)行概括、歸納，建立與其相關(guān)知識(shí)要素的抽象模型，為由一般到具體提供理論與應(yīng)用基礎(chǔ)，也為具體的NB-IoT應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)分析研究，NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)由NB-IoT終端(Ultimate-Equipment，UE)、NB-IoT信息郵局(Mssage Post Office，MPO)和NB-IoT人機(jī)交互系統(tǒng)(Human-Computer Interaction，HCI)三部分組成[5]，如圖1所示。

三部分之間的通信關(guān)系是：首先人機(jī)交互系統(tǒng)與信息郵局建立網(wǎng)絡(luò)連接，由人機(jī)交互系統(tǒng)向管理服務(wù)器提供通信所需的終端IMSI號(hào)。終端會(huì)根據(jù)管理服務(wù)器的IP地址、管理服務(wù)器面向終端的端口號(hào)以及IMSI號(hào)通過(guò)基站建立終端與管理服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送給管理服務(wù)器。其次管理服務(wù)器接收到終端數(shù)據(jù)后，通過(guò)解析出IMSI號(hào)找到發(fā)送相同IMSI號(hào)的人機(jī)交互系統(tǒng)，把接收的數(shù)據(jù)傳送到人機(jī)交互系統(tǒng)。最后人機(jī)交互系統(tǒng)有一個(gè)專門負(fù)責(zé)偵聽(tīng)管理服務(wù)器是否發(fā)送過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)的線程，當(dāng)偵聽(tīng)到有數(shù)據(jù)發(fā)送來(lái)時(shí)，把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，這個(gè)過(guò)程就完成了終端發(fā)送數(shù)據(jù)到人機(jī)交互系統(tǒng)的通信。終端接收數(shù)據(jù)的過(guò)程與發(fā)送過(guò)程類似，這樣就實(shí)現(xiàn)了一次完整的通信過(guò)程。

2 終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。微控制器選用恩智浦公司的MKL36Z64VLH4作為主控芯片，該芯片CPU工作頻率為48 MHz，工作電壓為1.71 V～3.6 V，額定工作電壓為3.3 V，并具有定時(shí)器、DMA、UART、TSI、16位ADC、12位DAC等模塊，能夠滿足NB-IoT硬件設(shè)計(jì)功能需求，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及與通信模塊通信連接等[6]。電源模塊為微控制器和GPRS提供工作電壓，溫濕度采集模塊是通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集外部溫濕度，經(jīng)過(guò)A/D模塊傳送到微控制器處理。GPIO模塊是通用I/O模塊，是微控制器與外部進(jìn)行信息交換的接口。

2.1 終端硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)時(shí)為了提高設(shè)計(jì)可重用性與可移植性，應(yīng)該對(duì)所有使用到的硬件根據(jù)功能設(shè)計(jì)進(jìn)行合理劃分，把與系統(tǒng)目標(biāo)功能無(wú)關(guān)的進(jìn)行個(gè)體構(gòu)件封裝，然后把個(gè)體構(gòu)件“組裝”，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[7]。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方法，終端硬件設(shè)計(jì)包含有電源模塊、通信模塊、復(fù)位模塊、A/D模塊和溫濕度采集模塊等。在本文中重點(diǎn)介紹電源模塊、通信模塊和溫濕度采集模塊的設(shè)計(jì)。

2.1.1 電源模塊

電源模塊電路如圖3所示，在圖中TPS709系列芯片是低壓降線性穩(wěn)壓器，工作輸入電壓范圍為2.7 V～30 V，輸出電壓范圍為1.5 V～6.5 V，輸出最大電流為150 mA，其中EN引腳為低電平時(shí)，芯片停止工作。TPS70933芯片為KL36提供3.3 V額定工作電壓，TPS70939芯片為通信模塊R518提供3.9 V工作電壓，為了能達(dá)到低功耗的目的，需要進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)，由MCU發(fā)出指令控制TPS70939芯片的EN引腳為高電平，向R518通信模塊供電3.9 V電壓，不需要通信模塊工作時(shí)，使EN引腳為低電平，TPS70939芯片停止工作。

2.1.2 溫濕度采集模塊

溫濕度采集選用Pt100鉑電阻傳感器，它具有微功耗、高可靠、高準(zhǔn)確度等特點(diǎn)，在生活中的溫濕度測(cè)量方面得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)溫度變化范圍在-40～60 ℃之間時(shí)，Pt100阻值變化范圍為84.27 Ω～123.24 Ω[8]，溫度最大非線性偏差小于0.5 ℃。濕度范圍在0~100%時(shí)，濕度傳感器的輸出電壓范圍為0~1.0 V，兩者是正比關(guān)系，濕度信號(hào)的放大倍數(shù)為K=(R201+R202)/R202。溫濕度采樣電路如圖4所示。其中：RH+和RH-分別表示濕度傳感器電壓信號(hào)正向/反向輸入端，RT+和RT-分別表示溫度傳感器電壓信號(hào)正向/反向輸入端，PTE16/PTE17表示濕度/溫度傳感器電壓輸出信號(hào)提供給MCU。LM324為電路放大元件，工作電壓范圍為3.0 V～32 V，靜態(tài)電流小，單電源供電時(shí)放大倍數(shù)為1～100倍。