基于NB-IoT技术的空调共享系统设计

陈伟杰 蔡团生 马海东

摘要：为了解决一些高校对空调的迫切需求，而又由于资金短缺、线路改造难等原因，难以大批量采购空调的困难，设计一种空调共享系统。该共享空调系统采用NB-IoT通信模块，依托电信的窄带物联网，通信数据上传到电信云，微信小程序接入云平台对空调状态进行显示和控制，实现对空调的扫码租赁、退租和集中控制等共享操作。

关键词：空调器 NB-IoT 共享系统

1 引言

NB-IoT网络，由LTE技术发展而来，是基于蜂窝的窄带物联网技术，仅消耗180kHz的带宽，与蓝牙、ZigBee、wifi和其他短距离通信技术相比，移动蜂窝网络具有覆盖范围广和移动连接能力强的特点，可用于各种各样、丰富多彩的应用程序基于此，本文采用NB-IoT模组，使用电信窄带物联网，结合微信小程序接入电信云平台，设计一种空调的共享系统。

2 系统总体框架设计

系统的结构分为应用层、平台层、网络层和终端层，应用层为微信小程序，接入电信云平台;平台层为SAAS平台，可以查看数据、集中控制、运维管理等等。网络层为NB-IoT网络，网络层通过NB-IoT通信模块发送到NB-IoT基站，再由基站经由核心网转发至电信云平台。该层是将物联网与窄带通信技术融合的核心;终端层为MCU模块、NB-IoT模块、各传感器模块，传感器将采集的数据通过NB-IoT模块发送到基站。

3 硬件设计

硬件部分主要是MCU模块、NB-IoT模块和各传感器模块，MCU模块选用16位单片机;NB-IoT模块，支持B5和B8频段，支持FOTA升级，模块休眠模式为DRX模式;传感器模块有温湿度传感器、光敏传感器、红外传感器等;NB-IoT模块SIM卡采用中国电信的4G 消费级物联网专用卡，通过UART串口与MCU进行通讯。

4 软件设计

软件部分主要包括三部分：主控程序、微信小程序开发、SAAS平台。

4.1 主程序软件设计

主程序主要编写芯片的底层初始化代码，各传感器的驱动程序以及与NB-IoT通讯协议部分的程序代码编写，实现对空调状态数据的上报，对云端下发的命令进行执行，从而对空调实现了实时控制。

主程序在接收到NB-IoT模组发来的租赁状态前，不处理遥控器、小程序和应急按键的操作，空调处于上锁状态;在用户扫码租赁后，主程序接收到来自NB-IoT模组发来的租赁状态后，解锁空调，用户可通过遥控器、小程序操作设备，至此，实现了租赁时可操作，退租时不可操作，空调的共享逻辑。

4.2 微信小程序设计

微信小程序使用微信开发者工具开发。界面分为主界面和空调控制界面，主界面主要包括租赁空调设备列表，可以进行扫码租赁、退租等操作，还可查看订单、充值记录、安装维修记录等;空调控制界面则涵盖常规空调控制按钮等功能按钮。

小程序端将指令发送到云端，云端将数据发送到NB-IoT基站，基站将指令发送到NB-IoT模组，最终实现对空调的控制。

4.3 SAAS平台设计

物联网平台层的开发工作主要包括设备能力描述文件开发和编解码插件开发。本系统中，其服务主要包括：分组管理、设备管理、运维人员管理、套餐管理、数据查询、命令下发、安装维修、分成收益等。

平台能对空调设备进行分组管理，从而实现空调的集中控制。

5 测试验证

将NB-IoT模组imei号添加進SAAS平台，导出共享二维码。再生成安装单，在微信小程序安装工单处扫共享二维码安装空调设备。接着微信扫描共享二维码，选择套餐租赁使用。测试结果，能够正常控制空调设备，响应时间为1秒左右。在NB-IoT设备进入休眠状态时，首次操作小程序唤醒需要3秒左右，之后空调均在1秒左右响应指令。

集中控制功能在不同的信号强度下测试结果显示，RSRP小于-90dbm时，集中控制功能可靠性大幅下降，信道拥堵所导致。因此，集中控制功能建议在RSRP大于-90dbm时使用。

6 共享方案设计

空调的共享模式不同于共享单车、共享充电宝，共享空调主要是面向学校客户，针对一些学校资金短缺的情况，空调厂商免费提供空调，包括前期安装和后期维护，将空调按照到每个宿舍，学生可扫码租赁使用，根据不同的学校可以定制化不同的租赁套餐，可按使用时间租赁，亦可按学期、学年租赁，可随时续租、退租，一个宿舍所有成员都可通过小程序控制空调，一个宿舍仅需花少量的钱即可享受到空调带来的舒适感。

当空调无人租赁时，空调属于上锁状态，小程序和遥控器皆不可控制。待用户扫码租赁后，解锁设备，空调可控制。若空调租赁套餐时间到期，空调自动上锁，避免用户还能继续操作。

7结论

本文基于NB-IoT模组设计一种空调的共享系统。实验表明，采用NB-IoT模块使空调连接范围广、突破了传统通信距离和空间障碍限制，能覆盖到4G NB-IoT网络覆盖的每个区域，加上低成本、低功耗等优势，该技术方案可延伸到其他应用场景，在未来有非常大的应用前景。

参考文献

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