0 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劃（3GPP）于2016年6月完成其核心技術標準而實施的新一代物聯(lián)網(wǎng)通信技術，構建于蜂窩網(wǎng)絡，消耗的帶寬不會超過180 kHz，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或者LTE網(wǎng)絡，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑升級^[1-2]。相比4G網(wǎng)絡、ZigBee等短距離通信技術，NB-IoT技術有大容量、廣覆蓋、深穿透、低成本、低功耗等特點，能夠帶來更加豐富的應用場景，其可廣泛應用于遠程抄表、智慧農(nóng)業(yè)、智能停車等應用領域，NB-IoT將會成為我國未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢^[3-4]。

    由于NB-IoT技術的研究處于初期階段，為了解決在應用中存在可靠性和穩(wěn)定性的問題，本文通過采用在NB-IoT應用架構下實現(xiàn)溫濕度控制系統(tǒng)的設計進行實驗論證。先從應用角度對NB-IoT進行分析研究，歸納出了NB-IoT應用架構，為系統(tǒng)設計提供了理論基礎。再根據(jù)應用架構功能要求對NB-IoT終端軟硬件設計，并在開發(fā)環(huán)境Visual Studio 2013下設計出人機交互系統(tǒng)，通過對溫濕度控制系統(tǒng)的實驗結(jié)果分析，可以得到NB-IoT技術在應用方面具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。

1 NB-IoT應用架構

    NB-IoT應用架構的建立是在抽取NB-IoT應用開發(fā)的共性，從具體到一般，把NB-IoT應用開發(fā)所涉及軟硬件體系的共性進行概括、歸納，建立與其相關知識要素的抽象模型，為由一般到具體提供理論與應用基礎，也為具體的NB-IoT應用開發(fā)提供技術基礎。經(jīng)過分析研究，NB-IoT應用架構由NB-IoT終端(Ultimate-Equipment，UE)、NB-IoT信息郵局(Mssage Post Office，MPO)和NB-IoT人機交互系統(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系是：首先人機交互系統(tǒng)與信息郵局建立網(wǎng)絡連接，由人機交互系統(tǒng)向管理服務器提供通信所需的終端IMSI號。終端會根據(jù)管理服務器的IP地址、管理服務器面向終端的端口號以及IMSI號通過基站建立終端與管理服務器網(wǎng)絡連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送給管理服務器。其次管理服務器接收到終端數(shù)據(jù)后，通過解析出IMSI號找到發(fā)送相同IMSI號的人機交互系統(tǒng)，把接收的數(shù)據(jù)傳送到人機交互系統(tǒng)。最后人機交互系統(tǒng)有一個專門負責偵聽管理服務器是否發(fā)送過來數(shù)據(jù)的線程，當偵聽到有數(shù)據(jù)發(fā)送來時，把這些數(shù)據(jù)進行解析和處理，這個過程就完成了終端發(fā)送數(shù)據(jù)到人機交互系統(tǒng)的通信。終端接收數(shù)據(jù)的過程與發(fā)送過程類似，這樣就實現(xiàn)了一次完整的通信過程。

2 終端系統(tǒng)設計

    終端系統(tǒng)設計結(jié)構圖如圖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，并具有定時器、DMA、UART、TSI、16位ADC、12位DAC等模塊，能夠滿足NB-IoT硬件設計功能需求，負責數(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傳感器實時采集外部溫濕度，經(jīng)過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行信息交換的接口。

2.1 終端硬件設計

    在硬件設計時為了提高設計可重用性與可移植性，應該對所有使用到的硬件根據(jù)功能設計進行合理劃分，把與系統(tǒng)目標功能無關的進行個體構件封裝，然后把個體構件“組裝”，最終完成整個系統(tǒng)的硬件設計^[7]。根據(jù)硬件設計方法，終端硬件設計包含有電源模塊、通信模塊、復位模塊、A/D模塊和溫濕度采集模塊等。在本文中重點介紹電源模塊、通信模塊和溫濕度采集模塊的設計。

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，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，為了能達到低功耗的目的，需要進行無線通信時，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，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、高準確度等特點，在生活中的溫濕度測量方面得到廣泛應用。當溫度變化范圍在-40～60 ℃之間時，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，濕度傳感器的輸出電壓范圍為0~1.0 V，兩者是正比關系，濕度信號的放大倍數(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正向/反向輸入端，RT+和RT-分別表示溫度傳感器電壓信號正向/反向輸入端，PTE16/PTE17表示濕度/溫度傳感器電壓輸出信號提供給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，單電源供電時放大倍數(shù)為1～100倍。

2.1.3 NB-IoT通信模塊

    通信模塊選用的是具有高性能、低功耗的無線通信GPRS模塊R518芯片。R518芯片是一款工業(yè)級的兩頻段GSM/GPRS無線模塊，工作電壓為3.4 V～4.2 V，額定工作電壓為3.9 V，能提供GPRS數(shù)傳和GSM短信業(yè)務，內(nèi)嵌豐富的網(wǎng)絡服務協(xié)議棧，完成無線通信功能^[9]。NB-IoT通信模塊由R518芯片、輸入電壓保護電路和射頻電路組成，電路如圖5所示。在圖中，C301～C304組成輸入電壓保護電路，板載天線和P302組成無線射頻電路，P301是升級固件串口，TXD、RXD引腳連接KL36芯片引腳PTE0、PTE1用作通信串口。

    圖5中電壓保護電路作用是：由于芯片R518工作電壓范圍為3.4 V～4.2 V，電源提供的電壓為3.9 V，在長期使用過程中輸入電壓會逐漸降低，為保證VBAT引腳電壓不會跌落到3.4 V以下，在靠近模塊VBAT輸入端，并聯(lián)一個C301=100 μF的鉭電容以及C302=100 nF、C303=33 pF、C304=10 pF的濾波電容，保障R518正常工作^[9]。無線射頻電路的作用是接收無線信號，為了能夠更好地調(diào)節(jié)射頻性能，其中R301預留匹配電路使用，根據(jù)信號的強弱可以進行增減，載板天線是用來接收外部無線信號，P302連接外部天線使用，如果通過載板天線接收的信號不能達到工作要求時，可以通過P302連接外部天線增強無線信號。

2.2 終端軟件設計

    將軟件構件技術應用到嵌入式軟件開發(fā)中，可以大大提高嵌入式的開發(fā)效率與穩(wěn)定性。采用構件技術設計對底層驅(qū)動編程，可以提高軟件的開放性、通用性和移植性。根據(jù)模塊使用性能，終端構件如圖6所示。在設計時，構件包含頭文件(.h)和源程序文件(.c)兩部分。頭文件中主要含必要的引用文件、描述構件功能特性的宏定義語句以及聲明對外接口函數(shù)，源程序文件中含構件的頭文件、內(nèi)部函數(shù)的聲明、對外接口函數(shù)的實現(xiàn)。

2.2.1 通信機制

    根據(jù)NB-IoT應用架構可知，在通信中采用IP地址+IMSI號的方法分辨設備的終端，設備終端存在唯一的IP地址和IMSI號，在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中加入目的終端的IP地址和IMSI號，來保證數(shù)據(jù)包到達目的終端并做出反應。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，采用幀結(jié)構來降低數(shù)據(jù)包在傳輸過程中出錯的概率，傳輸數(shù)據(jù)包一幀數(shù)據(jù)包由幀頭、幀長、有效數(shù)據(jù)、校驗碼以及幀尾組成，一幀數(shù)據(jù)長度有46個字節(jié)，具體幀格式如表1所示。

2.2.2 主程序設計

    軟件構件設計完成后，在main（）函數(shù)中調(diào)用函數(shù)進行主程序設計，根據(jù)要求需要以下步驟：(1)聲明變量：聲明主函數(shù)中使用的變量類型和名稱；(2)關總中斷：為了避免程序在開始運行時還有其他中斷程序在運行，影響主函數(shù)運行；(3)初始化外設模塊：需要使用的外設模塊初始化完成后，模塊等待調(diào)用；(4)給部分聲明變量賦初始值；(5)使能外設模塊中斷：打開需要使用外設函數(shù)中斷的設置，當有中斷產(chǎn)生時調(diào)用中斷函數(shù)；(6)打開總中斷，有中斷產(chǎn)生時能執(zhí)行中斷函數(shù)；(7)主循環(huán)函數(shù)編程，主循環(huán)流程圖如圖7所示。

3 人機交互系統(tǒng)設計

    人機交互系統(tǒng)設計開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2012，采用C#語言，C#是一種安全、穩(wěn)定、簡單的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，使用.NET Framework的Windows Forms模塊生成具有Windows外觀和操作方式的應用程序。Windows Forms模塊是一個空間庫，其中的控件（例如按鈕、工具欄、菜單等）用于建立Windows用戶界面^[10-11]。在啟動界面時，界面初始化過程流程圖如圖8所示。

    在界面初始化過程流程圖中，判斷PC是否連接互聯(lián)網(wǎng)成功，通過拼接外部網(wǎng)站進行驗證，如果拼接成功，證明該PC已經(jīng)連接，否則，連接失敗，結(jié)束初始化過程。加載在窗體上顯示的信息在AHL.xml文檔中，內(nèi)容有窗體名、工程名、IP地址、端口號、IMSI號等信息。在讀出AHL.xml文檔中內(nèi)容時，需要判斷數(shù)據(jù)是否完全正確，當出現(xiàn)錯誤時，給出相應的提示，并退出初始化程序。數(shù)據(jù)讀取成功后，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸一定與轉(zhuǎn)發(fā)服務器建立TCP連接。

4 通信測試分析

    通信測試監(jiān)控界面能否接收到通過服務器上傳給GPRS模塊R518芯片發(fā)送MCU的芯片溫度、系統(tǒng)時間、IMSI號和服務器IP地址等信息。通過AT指令從通信模塊中獲得IMSI號和服務器IP地址等信息，通過讀取A/D模塊的通道采樣獲得經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的溫濕度值。在通信測試時，先啟動監(jiān)控界面，當終端UE上電時，終端模塊進行一系列的初始化，建立與接收服務器的通信連接，等待終端UE發(fā)送數(shù)據(jù)至監(jiān)控界面，需要等待1 min左右就能接收到發(fā)送來的數(shù)據(jù)。溫濕數(shù)據(jù)值每10 min采集一次，本次實驗時間大約進行12 h，具體生成溫濕度曲線如圖9、圖10所示。通過生成的實時溫濕度曲線可以看出，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，系統(tǒng)運行可靠，進一步驗證了系統(tǒng)設計的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

    本文介紹了在NB-IoT應用架構下進行溫濕度采集的控制系統(tǒng)設計，詳細分析了NB-IoT的硬件設計過程和軟件設計方法，依據(jù)KL36芯片和GPRS模塊進行硬件設計，并采用構件化方法進行軟件設計，提高了系統(tǒng)設計的可移植性和可重復性。通過人機交互系統(tǒng)的控制界面設計，實現(xiàn)對溫濕度值參數(shù)的實時監(jiān)控，實驗結(jié)果證明了NB-IoT技術具有穩(wěn)定性和可靠性。該控制系統(tǒng)在實際運行過程中，軟硬件功能都得到測試，運行可靠、穩(wěn)定，為NB-IoT技術應用在農(nóng)業(yè)監(jiān)控、智能燃氣表等提供技術支持和參考價值。

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作者信息:

楊  凡1，2，王宜懷1，宋洪儒1，3

（1.蘇州大學 計算機科學與技術學院，江蘇 蘇州215006；

2.銅陵學院 數(shù)學與計算機學院，安徽 銅陵244000；3.銅陵學院 電氣工程學院，安徽 銅陵244000）