基于NB-IoT的空调远程智能控制系统设计

葛建新

（河源职业技术学院，广东 河源 517000）

0 前言

2019年以来，我国不断加快优化物联网连接环境，推动IPv6、NB-IoT、5G等网络建设，从而使得物联网步入了实质性的快速发展阶段。窄带物联网（NB-IoT）是物联网领域一个新兴的技术，位于物联网技术架构体系的网络层，具有低功耗、低成本、广覆盖、安全性更强、连接更稳定等优势特点，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。基于蜂窝的窄带物联网（NB-IOT）技术,在同一基站的情况下，相比现有无线技术能提供50～100倍的接入数，能实现比GSM高20db的覆盖增益，可以保证数据成功回收率达99%，可靠性大大提高,将该技术运用于空调远程智能控制系统设计具有一定创新性。同时，该系统具有低成本、低耗能、覆盖广、性能强等特点[1]。

1 系统总体构架及原理

本系统主要依托智能终端、物联网（IoT）云平台、移动端APP 三部分组成，智能终端负责采集空调数据和控制空调状态；物联网云平台是数据管理中心，负责数据的接收和转发，可以接收智能终端发来的数据，也可以发控制指令给智能终端，并随时响应移动客户端的请求，实现云平台和移动客户端的双向通信；移动客户端可以实时查看空调相关数据，也可以通过云平台发送指令给智能终端。其中智能终端是系统的核心[2]，系统框图如图1。

图1 系统框图

2 设计与实现

2.1 元器件选取

2.1.1 主控制器

采用STM32F103RCT6 单片机做为主控制器。STM32F103RCT6支持工作频率72MHz，64k的内部FLASH，是一款基于ARM Cortex-M内核属于STM32系列的32位的微控制器，处理速度足够快，有功能强大，价格低，性价比高，开发资料丰富的优点。

2.1.2 NB-IoT模块

采用移远公司的BC20模块，BC20是一款高性能、低功耗、多频段、支持GNSS定位功能的无线通信模块，另外BC20支持北斗、GPS、QZSS等多星座卫星解调算法，支持TCP/IP协议，其定位更加精准。成本稍微中等，功能齐全。

2.1.3 显示模块

采用OLED 1.3寸屏幕，特点使用OLED 1.3寸屏幕无需背光，显示单元能自发光，分辨率高清晰，模块体积小（比一元硬币稍大），可视角度大，采用SPI通讯，支持众多控制芯片，功耗低，亮度高，电压支持3-5V，I/O口占用少等。

2.1.4 继电器

采用电磁继电器。有输入和输出是隔离的。驱动简单，隔离性强，无漏电流，发热性小不需要散热片，价格便宜，多组触点，可使项目成本降低等优点。缺点：噪音大，灵敏度稍差通断时间比固态继电器稍长，在大电压的情况下通断瞬间容易产生电弧[3]。

2.1.5 电量测量

采用ATT7053AU单相电能计量芯片。ATT7053AU采用3.3v供电，可同时测量两通道的有功功率、无功功率，支持有功、无功、视在功率和电能脉冲输出，能够同时得到三通道的有效值，及电压频率，电压电流相位，支持断相防窃电，片内温度传感器。使用电能计量芯片对功率计算，电源检测都较为精准，对计算要求稍微偏低。

2.2 硬件设计

2.2.1 单片机最小系统

本项目采用STM32F103RCT6单片机来做主控芯片，有双晶振（8M与32.768khz），还有简单的上电自动复位电路，和两个按键一起组成了单片机的最小系统，原理图如图2。

图2 单片机最小系统图

2.2.2 红外发射与接收

红外发射：发送端将会采用单片机的定时中断功能，由单片机中的定时器产生一定周期的矩形脉冲，即是通过定时器产生中断，从而输出一个与原先相反的信号使得单片机输出端能产生一个周期为接收端需要的周期为38kHz～40kHz的方波。

红外接收：在本系统中选用的是一款结构较为简单的红外接收器，红外遥控接收头HS0038。我们应该先对波形进行解调，然后再对解调后的波形进行测量，将HS0038解调出的遥控编码脉冲直接连入所使用单片机中的对应引脚。[4]红外发射与接收图原理图如图3。

图3 红外发射与接收电路

2.2.3 语音模块

本系统创新点是具有语音识别功能，能识别人的话从而进行语音切换各功能，实现语音交互的目的。

2.2.4 OLED显示电路

采用OLED1.3寸屏幕，默认显示时间、日期、环境温湿度等数据。在配合按键的情况，用户可以查询电量，设计时间等。

2.2.5 EEPROM存储器

使用EEPROM作用是为储存单片机从电量测量出数据之后进行储存，在某一时刻瞬间掉电之后可以对单片机测量电量的数据进行保存，再次开启电源之后又能重新读取原来的电量值，使数据不丢失。

2.2.6 温湿度模块

本系统采用的是一块3.3v供电的温湿度模块，使用方便，为了测量周围的温度、湿度情况等。

2.2.7 NB-IoT无线通信模块NB-IoT模块由BC20模块、SIM插卡座子、滤波天线电路、北斗与GPS座子、复位电路和网络指示灯组成。NB-IoT模块所实现的功能是通过UART接收主控制器的数据并上传到云平台；接收云平台传输的空调控制命令并通过UART下发给主控制器。

2.2.8 电源

系统5v电源是采用了一个220v转5v模块，再利用了一个降压芯片（AMS1117-3.3）从5v降至3.3v为系统中的各个模块提供稳定的电源电压。

2.2.9 电量测量电路

电路的核心主采用了单相电能计量ATT7053AU芯片电路，能够测量交流电压大小，电流的大小，有功功率，无功功率，瓦数等等。电路有两个滤波电容为芯片提供稳定电压。ATT7053AU采用了双端差分信号输入的方式采集电压，电流的信号数据，正常工作时最大输入电压为±800mv，在有效值为200mv的情况下有较好的精确度和线性度[5]。

2.2.10 空调电源控制电路

空调电源控制部分使用了一个继电器来做空调的总开关，在利用三极管电流放大的特性驱动继电器来从而形成了一个类似开关的作用。

2.3 设计流程

本系统的程序主流程图如图4。

图4 程序流程框图

3 测试部分

3.1 测试方案

先给5v电源单独给主控制电路部分，做一些简单的调试，对这些主控电路中的各个模块之间测量，确认每个模块能否正常工作；之后再进行下一步的调试，我们可以使用几种实物对象，如灯泡，烙铁，空调等。均可做被检测对象；最后将全部的功能结合起来。

3.2 测试设备

220v交流电源，万用表，钳表，手机，电脑，灯泡，烙铁，空调。

3.3 电量测试

表1 电量测试数据

3.4 结果分析

硬件需要大量的调试与测试，找到最适合运动状态的硬件。通过测试与调试得到了与项目吻合的状态。

4 结论

本文给出基于NB-IoT的空调远程智能控制系统设计方案。实现空调远程集中管理，管理者可以远程通过手机或PC机查看每一台空调的运行状态、当天用电和近12个月的用电情况、还可让终端实时上传环境温湿度等数据，并且在app或web端生成实时的耗电量曲线图和温湿度平均值曲线图，可让管理者更直观了解用电情况及环境变化。可以实时远程控制空调的温度、关机。当不需使用空调，空调自动关机，达到节能减排、降低经济损失的目的。