《基于NB-IoT的智能家居环境感知及安防报警系统》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

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基于NB-IoT的智能家居环境感知及安防报警系统

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时薇陈湘国魏忠诚李鹏赵继军

摘要：随着人们对居住环境的要求的不断提高，原有智能家居系统功能需要不断扩充，技术需要不断更新。该文设计一种新型的无线智能家居环境感知及安防报警系统，该系统采用移远BC-35G NB-IoT芯片，基于运营商部署的NB-IoT网络，按照星型拓扑方式进行终端组网，并配合开发基于Java语言的客户端APP，实现采用无线方式搭建本系统，并满足广覆盖、低功耗、低成本、大连接、运营商级Qos等要求，可以克服传统系统的不易扩展、功耗高、成本高、网路不稳定、通信协议不统一等弊端。最终该系统达到预期功能，实现了对环境信息的采集以及报警信息的上报，终端与客户端APP可以实时交互信息，提升了系统的稳定性，加强了业主对家居环境的掌控。

关键词：智能家居;安防报警;低功耗广域网;NB-loT;Android

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）29-0194-04

1背景

伴随中国城市化的迅速发展，人们对生活品质的需求不断提高，自2000年国内开始引进智能家居概念后，结合近年来我国政府大力推进的“互联网+”政策，智能家居得以飞速发展。目前现有智能家居系统应用场景多为室内环境，包括智能门锁、智能照明、智能影音、智能环境感知以及报警等部分[2]，早期系统以工作内容为单位，基于不同的通信技术，分别建立独立工作网络或系统对功能完成实现。并且原有智能家居的环境感知单元仅关注室内环境，忽略室外环境，由于近年来工业的大力发展，大气环境污染加剧，空气中PM2.5等污染物的增多，城市中噪音分贝的提高等问题迫使我们在关注室内环境的同时，不得不同时关注室外环境。原有的家居报警系统单元存在诸多弊端，存在终端感知设备种类稀少，事件触发后有时延、业主接收信息不及时、全时段监控功耗大成本高等问题。

原有的智能家居通信网络同时存在一定的弊端，虽然这些技术应用成熟，但针对智能家居中应用还存在一定缺陷。其主要依靠两种通信方式，一是有线通信，通过电缆、光纤等有形介质传播信息，有线通信技术虽然成熟稳定但存在功耗高，施工复杂成本大，布线繁琐破坏家装，不易于扩展等问题;二是无线通信，比如ZigBee、WiFi、LoRa等技术，虽然无线通信技术能有效避免上述有线通信技术带来的问题，但自身扔存在一定弊端，网关设在用户侧导致网络不稳定终端接入量小，功耗大仍存在布线需要施工的问题，且没有统一的通信协议导致组网单元小不易集中管理。

近年来继计算机、互联网与移动通信网之后的第三次世界信息产业的“第三次浪潮”物联网飞速发展，各种顺应物联网趋势的通信技术应运而生，如，Sigfox、LoRa、NB-IoT等。本文将选择低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）中的NB-IoT通信技术解决上述原有智能家居环境感知及安防报警系统的种种弊端，增强系统的稳定性，提高对家居环境的全面感知能力和报警的准确性及时性。

2LPWAN技术选择

在物联网技术兴起之时，LPWAN作为一种新兴的通信模式，补充传统的蜂窝网络和短距离通信技术，以满足物联网应用的各种需求。LPWAN网络与传统的物联网通信技术不同，其面向物联网中超低功耗和超远距离的应用场景演进而来，具有传输距离远、节点功耗低、网络拓扑结构简单、易于维护等特点。

LoRa和NB-IoT作为LPWAN中的两大主流技术各有优劣，竞争激烈，分别由阿里、思科、腾讯和华为、国内三大运营商推动，基于不同的频谱资源、组网方式等性能指标满足不同应用场景的需求。基于解决原有系统存在的问题，提高系统的性能，根据比较上述LoRa和NB-IoT通信技术的各项性能指标，选出适合智能家居环境感知及安防报警系统的关键通信技术，如表1所示。

2.1LoRa技术

LoRa属于Semtech公司垄断的通信技术，使用公司私有协议，很难持续长期的技术演进，面对5G的兴起和物联网应用的大规模落地，LoRa的发展受到了局限。LoRa基于非授权频段部署网络，网络不稳定，受自身频段干扰，通信质量难以保证。用户可自行组网，虽组网无须申请，选择自由，但网关设计复杂，受现场施工条件的限制。相较于NB-IoT，LoRa网络安全陛偏低，QoS没有达到运营商级别。

2.2NB-IoT技术

NB-IoT技术源自华为、沃达丰、高通等通信设备制造商以及芯片制造廠商的共同推进和发展，遵循3GPP制定的协议标准，基于统一的物联网标准化专有协议，NB-IoT易于全面推广，有利于进行长期持续演进，最终面向5G，成熟应用可大面积落地嘲。NB-IoT基于授权频段部署，定位运营商级物联网技术，可直接部署于LTE网络，或基于运营商2G、3G网络进行平滑升级部署，具有非常专业的网络保障和高质量的通信保障。NB-IoT工作在授权频谱，基于LTE网络原有架构进行设计，可直接部署于LTE网络，或利用2G、3G频谱重更来进行部署，利于运营商实现与传统网络的共站部署，加强即将退网的传统2G、3G网络再利用，降低建网成本。因此NB-IoT网络系统具有运营商级的安全等级，网络覆盖范围和信号质量。

通过对比LoRa和NB-IoT技术，本系统最终选用NB-IoT作为搭建系统的通信技术，基于上述NB-IoT的各项特性，可以有效解决早期系统存在的缺陷，提升系统的性能。

3基于NB-IoT的智能家居环境感知及安防报警系统构建

基于NB-IoT的智能家居环境感知及安防报警系统构建遵循物联网系统的划分结构，从下向上分为四个层次，分别是感知层、网络层、数据层和应用层。本系统设计的体系架构如图1所示。

3.1感知层

感知层是本结构的最底层，为面向应用环境部署的终端网络，包括传感模块、电源模块、NB-IoT通信模块、控制模块，传感模块硬件结构图如图2所示。传感模块负责采集感知设备的数据，本系统采用市场现有的成熟环境感知设备和安防报警设备，现有NB-IoT通信模块负责将数据发送至运营商部署的NB-IoT网络，同时NB-IoT模块也接收并响应网关下发的命令，完成数据上发任务。

单片机采用STM32F103系列低功耗单片机，基于ARM最新架构，内核为32位处理器，内置128KB的Flash，20K的RAM，以CPU速度访问，可以满足系统性能需求。NB-IoT通信模块采用移远BC-35G通信模块，基于BC28内核，能够实现全网通，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28多频段通信，其高性能，低功耗、小体积的特点具有显著优势。

3.2网络层

本系统网络层采用NB-IoT技术，与原有2G、3G网络相比NB-IoT最大链路预算提升20dB，覆蓋面积提升了100倍，基站单扇区可支持超过五万个UE连接，网络信号可以达到农村、山区、地下区域，支持本系统应用到除城市外更广范围的地区川。

NB-IoT支持三种部署模式，分别为独立（standalone）部署、保护带（Guard-Band）部署、带内（In-Band）部署。这三种部署模式在频谱、兼容性、覆盖面积、容量、时延等方面的优势各不相同。独立部署独占频谱，与现有系统不存在共存问题，无须考虑与现有系统的兼容性问题。保护带部署和带内部署均需考虑与现有LTE系统共存问题，如干扰规避、射频指标等问题。三种部署模式均满足满足3GPP协议的覆盖需求、容量需求和时延需求，其中独立部署模式覆盖面积最大，小区容量最大，时延最小。保护带部署模式和带内部署模式覆盖面积小于独立部署模式，小区支持容量略小与独立部署模式，时延略大于独立部署模式。本系统使用运营商网络，部署模式为独立部署，支持容量最大，传输质量最高，时延最小。

3.3数据层

本系统的数据接收与处理选择采用开放平台即OneNET物联网平台，平台定位于PaaS（Plafform-as-a-Set-vice：平台即服务），便于搭建搭建高效、稳定、安全的应用系统，支持多种标准协议的设备接人，如CoAP（LWM2M）、MOTT、Modbus、HTI'P等，提供API和数据分发能力，支持多语言开发SDK。专门提供适用于CoAP协议使用的DTLS加密通道，能够充分保证用户数据的传输安全，从而提升整个系统的安全性能。

3.4应用层

本系统的应用单元可以分为三个部分，分别为智能家居基础部分，环境感知部分以及安防报警部分。智能家居基础部分包括传统的智能门锁、门磁、温湿度等感知节点;环境感知部分主要为室内的一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、噪声、PM2.5、PM10、光照等感知节点以及室外的风速、风向、气压等感知节点;安防报警部分包括燃气报警器、烟雾报警器、玻璃破碎传感器、震动传感器、红外传感器、水浸传感器、一键报警等报警终端。感知数据上传至开发的Android客户端，用户可随时接收数据，处理报警信息，实现系统的完整性。

4基于NB-IoT的智能家居环境感知及安防报警系统关键技术

本文将基于NB-IoT的智能家居环境感知及安防报警系统分为四个部分，分别为前端感知部分、传输网络部分、云平台部分以及手机客户端部分。根据功能和部署环境将感知终端分为三个部分，分别为室内外环境感知单元，智能家居基础设施单元和安防报警单元。系统结构如图3所示。

4.1网络拓扑结构

目前现有的无线网络终端组网拓扑方式为以下四种，分别为总线型拓扑、树型拓扑、环型拓扑、星型拓扑，四种拓扑形式各有利弊，如图4所示。

总线型拓扑结构简单，部署灵活，基于同一信道将多个终端连接起来，每个终端直接连接至总线，成本低，连接简单，终端之间信息可以进行交互，便于信息共享。但也存在弊端，信息交互时会互相产生影响，信息传送存在延迟，实时性受到影响;出现故障难以诊断，不易隔离维护，整体容易瘫痪。

树型拓扑由总线型拓扑演进而来，实质为总线型拓扑加人分支，分支结构对称。树型拓扑能够改善总线型拓扑的缺点，减少延迟，分支故障易于诊断，但树型拓扑节点间信息共享不充分，维护工作复杂，整体结构过于依赖根节点，系统运行受根节点状态影响。

环形拓扑异于其他拓扑形式，环形拓扑是闭合型拓扑结构，将各个终端通过环形信道连接起来，任何终端可以请求发送信息，其他终端可以接收信息，环形网中数据可以进行双向传输。环形网络的节点出现故障会导致整个网络的瘫痪，稳定性差。

星型拓扑采用中央节点向外辐射终端的形式组网，采用中央节点集中控制其他终端的通信工作方式进行管理，结构简单便于管理，数据的转发无须路由的选择，终端出现故障便于查找维护，发生故障终端不影响其他终端工作，而且易于扩展。但中央节点工作复杂，负担较重，对其性能要求较高。

结合上述各种类型的拓扑特点，本系统终端组网方式将选择采用星型拓扑结构。智能家居环境感知及安防报警系统对系统的稳定性要求较高，要求数据实时传输，减少延时;要求系统易于维护拓展，单个终端出现故障时其他终端不受影响，正常工作，系统功能或使用面积需要扩展时，星型拓扑组网方式便于系统更灵活变更;且星型拓扑组网方式的欠缺之处采用NB-IoT通信技术进行组网可以有效的弥补，NB-IoT网络为运营商网络，网关在运营商侧，无须自行组建网关，运营商技术成熟，网络覆盖面积广，运行维护专业化，保障网关即本系统中央节点的长期稳定工作。

4.2云平台连接

本系统采用现有开放的OneNET物联网云平台进行连接，感知终端与平台基于CoAP协议进行信息交互。CoAP协议运行于UDP之上，减少开销支持组播，基于REST模型面向M2M场景开发的轻量级协议，借鉴了HTYP协议机制并进行简化，消息格式为二进制，因此协议包更小更紧凑，最小仅为4B。CoAP协议定义了四个消息类型，分别为CON、NON、ACK、RST，Re-quest＼Response通过Message进行承载，仅在逻辑上进行区分，封包不区分。数据上行和下行过程如图5所示。

4.3Android客户端开发

为了便于业主实时掌握家中的动态并及时处理警情，本系统设计开发了Android客户端。Android采用的Java语言，在Eclipse环境下进行开发，源代码完全开放，可参考或借鉴的Ja-va类库较多，学习方便㈣。本文开发的APP具有以下功能：

1）登录功能

用户打开界面，需要输入正确的用户名和密码，验证通过后得到系统的相关信息和管理权限。

2）显示数据

登录后可显示数值、上传时间、传感器工作状态，报警信息等。

3）下发命令

客户端可下发命令至感知终端，唤醒休眠状态的感知终端，上发数据及工作状态。

功能框图如图6所示。

最终展示界面如图7所示，APP展示界面分为两部分，分别是智能家居环境感知部分和报警终端部分，能够实时显示传感终端感知的设备以及设备工作状态，实现终端感知设备与客户端APP的信息交互功能。

5总结

本文所设计开发智能家居环境感知及安防报警系统整合各个功能单元，基于新兴的NB-IoT技术进行终端组网，有效的解决了原有系统存在的种种弊端，提高了系统的稳定性、准确性、及时性等性能。此外本系统配合开发了客户端使用的APP，提升了系统的完整性和实用性，实现业主对家居环境掌控并能及时接收报警信息及时处理。

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