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(shù)標(biāo)準(zhǔn)而實施的新一代物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù),，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，消耗的帶寬不會超過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^[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,，能夠帶來更加豐富的應(yīng)用場景，其可廣泛應(yīng)用于遠程抄表,、智慧農(nóng)業(yè),、智能停車等應(yīng)用領(lǐng)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(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)定性的問題,，本文通過采用在NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)下實現(xiàn)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計進行實驗論證。先從應(yīng)用角度對NB-IoT進行分析研究,，歸納出了NB-IoT應(yīng)用架構(gòu),，為系統(tǒng)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。再根據(jù)應(yīng)用架構(gòu)功能要求對NB-IoT終端軟硬件設(shè)計,，并在開發(fā)環(huán)境Visual Studio 2013下設(shè)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(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)用開發(fā)的共性,，從具體到一般，把NB-IoT應(yīng)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(guān)知識要素的抽象模型，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)用開發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ),。經(jīng)過分析研究，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：首先人機交互系統(tǒng)與信息郵局建立網(wǎng)絡(luò)連接,，由人機交互系統(tǒng)向管理服務(wù)器提供通信所需的終端IMSI號。終端會根據(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以及IMSI號通過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(zé)偵聽管理服務(wù)器是否發(fā)送過來數(shù)據(jù)的線程,，當(dāng)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(shè)計

    終端系統(tǒng)設(shè)計結(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,，并具有定時器,、DMA、UART,、TSI,、16位ADC、12位DAC等模塊,，能夠滿足NB-IoT硬件設(shè)計功能需求,，負責(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(shè)計

    在硬件設(shè)計時為了提高設(shè)計可重用性與可移植性,，應(yīng)該對所有使用到的硬件根據(jù)功能設(shè)計進行合理劃分，把與系統(tǒng)目標(biāo)功能無關(guān)的進行個體構(gòu)件封裝,，然后把個體構(gòu)件“組裝”,，最終完成整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計^[7]。根據(jù)硬件設(shè)計方法,，終端硬件設(shè)計包含有電源模塊,、通信模塊、復(fù)位模塊,、A/D模塊和溫濕度采集模塊等,。在本文中重點介紹電源模塊、通信模塊和溫濕度采集模塊的設(shè)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(zhǔn)確度等特點,，在生活中的溫濕度測量方面得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)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(guān)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(wù),，內(nèi)嵌豐富的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(yù)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(shè)計

    將軟件構(gòu)件技術(shù)應(yīng)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(gòu)件技術(shù)設(shè)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(gòu)件如圖6所示。在設(shè)計時,，構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(yīng)用架構(gòu)可知,，在通信中采用IP地址+IMSI號的方法分辨設(shè)備的終端，設(shè)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(yīng),。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，采用幀結(jié)構(gòu)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(shè)計

    軟件構(gòu)件設(shè)計完成后,，在main（）函數(shù)中調(diào)用函數(shù)進行主程序設(shè)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(guān)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(shè)模塊：需要使用的外設(shè)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(shè)模塊中斷：打開需要使用外設(shè)函數(shù)中斷的設(shè)置,，當(dāng)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(shè)計

    人機交互系統(tǒng)設(shè)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(yīng)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(dāng)出現(xiàn)錯誤時,，給出相應(yīng)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(wù)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(wù)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(wù)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(wù)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(dāng)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(wù)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(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性,。

5 結(jié)論

    本文介紹了在NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)下進行溫濕度采集的控制系統(tǒng)設(shè)計，詳細分析了NB-IoT的硬件設(shè)計過程和軟件設(shè)計方法，依據(jù)KL36芯片和GPRS模塊進行硬件設(shè)計,，并采用構(gòu)件化方法進行軟件設(shè)計,，提高了系統(tǒng)設(shè)計的可移植性和可重復(fù)性。通過人機交互系統(tǒng)的控制界面設(shè)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(shù)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(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)監(jiān)控,、智能燃氣表等提供技術(shù)支持和參考價值。

參考文獻

[1] 候海風(fēng).NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J].通訊世界,，2017(14),；1-2.

[2] 蘇雄生.NB-IoT技術(shù)與應(yīng)用展望[J].電信快報，2017(5)：6-8.

[3] 何澤鵬.基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)性能及應(yīng)用[J].廣東通信技術(shù),，2017(3)：29-34.

[4] 劉全德,，傅子維.窄帶物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案研究[J].廣東通信技術(shù)，2017(7)：22-25.

[5] 王宜懷,，劉輝,，張建.窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)[Z].蘇州大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，2017.

[6] Freescale.KL36 Sub-Family Reference Manual[DB/OL].[2013-12-12].http：//www.Freescale.com.

[7] 王宜懷,，吳瑾,，文瑾.嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)與實踐(第4版)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[8] 鄭保,，成鵬展,，張建蘭.提高鉑電阻溫度計測量精度的方法研究[J].計測技術(shù)，2006,，26(1)：56-59.

[9] GPRS系列：R518硬件設(shè)計手冊[Z].2016.

[10] 鄭阿奇,，梁敬東.C#程序設(shè)計教程（第3版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[11] 白聰,，王宜懷,，司蕭俊.基于KW01-ZigBee+GPRS的無線氣象監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017,，9（18）：70-74.

作者信息:

楊  凡1,，2，王宜懷1,，宋洪儒1,，3

（1.蘇州大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,，江蘇 蘇州215006；

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