基于窄带物联网的空调控制平台的设计

林东旭　陈明明　耿亮　陈育智

摘 要：物联网时代是“信息化”时代的重要发展阶段，随着网络技术的飞速发展，窄带物联网（NB-IoT）作为万物互联网络的一个重要分支应运而生，基于蜂窝网络的通信技术，具备广域覆蓋、海量接入、低功耗等特征。其应用关键技术包括很多，比如传感器技术、嵌入式技术、移动通信技术等。本平台主要是通过传统空调进行智能化改造，通过NB-IoT的无线通讯技术和REST架构的CoAP通讯协议，实现空调的智能化实时控制，并可将此平台应用于校园设备设施管理、校园环境管理和教育教学管理等方面，实现校园的智能化。

关键词：物联网；NB-IoT；空调控制平台；智慧校园

经过2017年“物联网元年”的爆发，目前，物联网技术已经渗透各行各业，比如生产制造、交通物流、健康医疗、消费电子、汽车等行业，而NB-IoT是物联网领域的一项革新性技术，随着NB-IoT对行业的不断渗透，生态体系的不断完善，物联网技术给社会带来深远的影响[1]。目前NB-IoT设备主要以监测为主，例如：智能抄表、智能烟感等设备，其速率的需求还是以低速率、通信时延低敏感为主，而NB-IoT的技术同样能够应用在智慧校园的公共设施的监控上，除了能够获取设施的状态监测数据外，还能够满足对其进行时延性不高的控制需求。

本平台采用先进的无线物联网和工业控制总线技术，设计了一套基于NB-IoT物联网技术的空调智能调控系统，对空调加装专用的NB-IoT的空调控制设备，应用移远的BC95-B5的模组和空调控制总线技术，实现空调机内数据实时监控和控制，同时对每台空调的运行数据上报到信息中心[2]，并由信息中心提供相关的数据服务，用户可以通过手机APP和Web网页的访问方式查询空调运行状态和远程调节空调运行参数。

1 平台硬件建设

物联网的平台在搭建过程中，要考虑日后应用扩展性和网络安全性，因此，平台采用云技术进行建设。利用云平台计算资源，通过云管理平台与多台云平台服务器融合，将CPU、内存等资源池化，提供云主机所需的CPU、内存等计算资源，以虚拟机形式输出，具体的云平台架构如图1所示。

云平台系统网络架构分为存储网络平面、管理网络平面、业务网络平面、硬件管理（IPMI）网络平面4个层次。存储网络、管理网络、业务网络平面均采用冗余部署模式，实现网络负载均衡及链路高可靠。

（1）存储网络平面，主要用于云平台服务器与存储设备的连接，提供高速、可靠的存储网络链路，存储网络由服务器上FC HBA卡和FC交换机构成。

（2）管理网络平面，负担云平台系统的管理流量，包括对云平台服务器的管理、云主机在线迁移、系统高可用保障等，管理网络使用服务器千兆网卡和千兆以太网交换机，并与数据中心网络连接。

（3）业务网络，与现有核心网络架构相连，主要用于云主机内部之间的通信以及与外部网络的通信。业务网络由服务器上千兆网卡和千兆以太网交换机，并与核心中心网络连接。

（4）硬件管理（IPMI）网络，实现远程硬件管理和监控。IPMI网络由服务器上远程管理卡和千兆以太网交换机组成。

NB-IoT空调控制平台作为物联网云平台的一个业务层中的应用性平台，其采用B/S结构，应用服务器建设在云端，设备终端安装在空调顶部，通过电信的窄带物联网的通讯技术，完成网络通讯[3]。平台建设的网络结构如图2所示。

在网络结构图中，其服务器提供以下服务（见表1）。

2 NB-IoT网络通讯

NB-IoT网络包括NB-IoT终端（空调控制设备终端）、NB-IoT基站、NB-IoT分组核心网、NB-IoT连接管理平台，在数据通讯上存在南向和北向两种。南向通讯主要是NB-IoT的终端设备与NB-IoT基站进行网络数据传输[4]。NB-IoT基站是移动通信中组成蜂窝网络的基本单元，主要完成移动通信网和UE之间的通信和管理功能。即通过运营商网络连接的NB-IoT用户终端设备必须在基站信号的覆盖范围内才能进行通信。基站不是孤立存在的，属于网络架构中的一部分，是连接移动通信网和UE的桥梁，其工作原理如图3所示。

北向通讯主要是NB-IoT的连接管理平台与应用服务器之间的网络数据传输，其大多数采用CoAP的通讯协议，并基于华为OceanConnect物联网平台提供的RESTful接口编写Profile，生成编解码插件，编解码插件主要用来对NB设备上报的数据进行解码，同时对下发给NB设备的信令进行编码的插件，对接前，需上传到OceanConnect平台。具体Profile的设计如图4所示。

3 平台软件设计

基于对空调智能改造化的需求，需要提供一个对空调的集中智能化管理平台，并通过空调控制终端设备进行空调的远程监测与控制。系统可远程采集空调的运行状态和运行日志等数据，并能通过手机APP或PC端控制空调的开关和参数调节[5]。能够提供空调的统一控制和单独控制，并具有预约功能，可定时开启空调和设定空调参数，具体功能如下。

（1）能够通过无线的通信方式，实现空调与中心系统的数据通讯。

（2）能够实现空调参数数据的实时采集和空调故障的报警。

（3）能够对空调进行远程控制，实现Web端和APP端两种控制方式。

（4）能够对空调开关提供预约功能，实现系统自动控制空调。

（5）能够对空调运行状态的历史进行记录，可进行查询和图表统计。

3.1 平台组成

平台组成如图5所示。

3.2 微服务技术

空调控制平台采用了最新的互联网微服务架构，将物联网与互联网进行有效地融合。微服务架构提倡将单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，为用户提供最终价值。微服务架构更适合用Docker容器的方式进行实现，每个容器承载一个服务[6]。一台计算机同时运行多个容器，就能很轻松地模拟出复杂的微服务架构。

平台在设计上采用此架构后，将本平台拆分成各组交互独立的微服务组件，每个微服务组件只负责自身的那块业务逻辑，相当于一个单独的项目，代码量明显减少，并可以由不同的独立研发团队采用不同的开发技术开发、维护及发布，开发模式更加敏捷、灵活。服务与服务之间通过消息总线进行通讯，解决了单体架构中存在的模块之间的紧藕合问题。各微服务组件也可以使用不同的存储方式，并可以将数据存储在不同的数据库当中，从业务上实现分库分表。这种架构使得微服务可以独立地部署、运行、升级，不仅如此，这个系统架构还让微服务与微服务之间在结构上“松耦合”，而在功能上则表现为一个统一的整体。这种所谓的“统一的整体”表现出来的是统一风格的界面，统一的权限管理，统一的安全策略，统一的上线过程，统一的日志和审计方法，统一的调度方式，统一的访问入口等。

4 结语

基于NB-IoT通信网络的空调控制平台，不仅为传统的空调智能化监测与控制上提供了一整套的解决方案，而且也可作为智慧校园中对于“端”的管理提供了一种新型的管理方式，可将其推广到校园中各个不同的应用场景。

[参考文献]

[1]白磊，钦仿仿，崔羊威，等.空调的智能控制系统[J].自动化与仪表，2015（5）：50-53.

[2]李熙浤，许超.基于STM32的广播发射台空调智能控制系统[J].科教导刊，2018（3）：50-52，154.

[3]周蓓，沈健，龚旻.基于物联网技术的空调智能控制系统设计[J].常熟理工学院学报，2017（4）：67-70，124.

[4]董劲文.窄带物联网（NB-IoT）的技术分析及其应用前景[J].通讯世界，2018（7）：1-2.

[5]廉小亲，周栋，成开元，等.基于NB-IoT的空调远程控制系统设计及实现[J].测控技术，2018（5）：51-55.

[6]BEYENE YD，JANTTI R，TIRKKONEN O，et al.NB-IoT technology overview and experience from cloud-RAN implementation[J].IEEE Wireless Communications，2017（3）：26-32.