基于NB-IoT技术的智慧洗手间管理系统

李 为，唐亚军，谭富元

（中移物联网有限公司，重庆 401336）

0 引 言

随着信息通信技术和物联网技术的飞速发展，智慧楼宇凭借其信息化、智能化、可视化和高度集成化等特点日益成为现代化城市建设的重要组成部分。智慧楼宇是写字楼与物联网的结合，通过采用无线通信和传感器等技术，将各类楼宇系统、运维管理体系、人的行为有序结合在一起，打造成为集数字化、智能化于一体的智慧楼宇，以保障楼宇内工作环境的舒适程度，实现节能和高效管理[1]。

针对当前企业办公楼洗手间存在的资源紧张问题，例如工作日早晨8:00—10:00期间是使用洗手间的高峰期，由于洗手间数量有限，经常出现无洗手间空闲位置、等待时间过长等问题，浪费了员工的工作时间，降低了工作效率。员工需求：第一时间知晓洗手间是否处于空闲状态，就近楼层是否有空位。

针对上述现象，本文设计并实现了一种基于窄带物联网（NB-IoT）技术的智慧洗手间管理系统。该系统能够实时检测洗手间的状态，并通过NB-IoT将数据传输至OneNET云平台，将洗手间状态变更数据推送并显示在LCD显示屏上，实现洗手间状态信息主动上报和显示[2-3]。

1 NB-IoT网络

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）属于蜂窝物联网，是物联网通信领域的新兴技术，具有广覆盖、大连接、低功耗、低成本等特点，可以广泛应用于多种应用场景，如智慧停车、能源安防、智慧农业等[4-6]。

2 OneNET云平台

OneNET云平台是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接，快速完成产品开发部署，具备设备接入、设备管理、数据及访问安全、丰富API支持等功能。另外，OneNET云平台还可提供数据推送功能，将平台作为客户端，将相关信息以HTTP/HTTPS请求的方式推送至应用服务器。

3 系统总体设计

基于NB-IoT技术的智慧洗手间管理系统由智能红外探测终端、LCD显示屏和应用服务器构成。其中，智能红外探测终端安装在洗手间靠内的墙壁上，主要用于探测和上报洗手间状态；LCD显示屏安装在洗手间入口位置，用于实时滚动显示企业办公楼各楼层洗手间的使用情况；应用服务器采用Workerman通信框架搭建，负责管理和维护智能红外探测终端上报的数据。另外，企业员工可随时访问应用服务器，实时查看洗手间状态[7-8]。系统组成原理如图1所示，系统工作示意图如图2所示。

图1 系统组成

图2 系统工作示意图

4 系统实现

4.1 智能红外探测终端实现

图3 红外探测终端工作原理

图4 MCU最小系统电路

图5 NB-IoT模组电路

图6 电池电压输入电路

图7 智能红外探测终端代码流程

终端采用MCU STM32F103RCT6运作，使用的资源包括5个部分：

（1）基本定时器（2个）：1个定时器用于定时进入系统低功耗模式，1个定时器用于红外终端的误触发机制（默认300 ms为有效触发时延）。

（2）UART串口：Main串口与NB-IoT模组通信，Debug串口用于打印NB-IoT模组Log信息。

（3）内部RTC计时器：用于获取基站时间，进行时间和日期的计时。

（4）I/O口：主要用于读取红外模块的输出数据，控制模组的电源和红外模块电源。

（5）SWD口（串行调试口）：用于下载MCU调试程序。

教学知识、教学技能、教育理念、教学行为、教学能力、教学艺术等构成教师教学能力系统。遵循教学能力依序逐层递进发展规律，工科新教师培训则会事半功倍。

红外传感器模块主要有3个I/O口，VCC（接入电路电压）、GND（接地）和I/O状态输出口。每当检测到活动人体时输出高电平，无人情况下为低电平，以准确进行洗手间状态判断。

NB-IoT模组：采用LWM2M协议通过NB-IoT网络连接OneNET云平台，主要向云平台上报洗手间状态等信息，平台通过HTTP协议将数据推送至应用服务器。

4.2 LCD显示屏实现

LCD显示屏工作原理如图8所示。终端由MCU STM32F429核心板、LCD-RGB屏幕和NB-IoT模组构成，主要电路如图9所示。

图8 LCD显示屏工作原理

图9 显示屏核心板电路

STM32F429 核心板主要用到以下资源：

（1）RGB-LCD接口：用于与LCD屏幕连接。

（2）W25Q256 32MB的SPI FLASH：用于存放图片信息。

（3）UART串口：MCU与NB-IoT模组通过UART1串口通信，UART2用于打印Debug信息。

（4）内部RTC定时器：获取基站时间后，进行时间和日期的计时。

（5）基本定时器：用于控制模组定时拉取报文，定时更新屏幕信息。

（6）SWD口：用于下载MCU调试程序。

ATK1018 RGB-LCD屏幕：该电容触摸屏模块可提供RGB&LVDS两种接口，最高支持24位真彩显示，1280×800像素。自带驱动芯片，MCU移植驱动代码后，便能进行屏幕开发。NB-IoT模组（LCD显示屏部分）电路如图10所示，LCD显示屏代码流程如图11所示。

图10 NB-IoT模组电路（LCD显示屏部分）

图11 LCD显示屏代码流程

NB-IoT模组：NB-IoT网络通信采用HTTP协议从应用服务器拉取报文，并通过串口将报文信息交付给MCU处理。

4.3 应用服务器实现

本设计中，应用服务器负责管理和维护智能红外探测终端上报的数据。另外，企业员工可随时访问应用服务器，实时查看洗手间状态。应用服务器工作原理如图12所示。

图12 应用服务器工作原理

（1）Workerman通信框架：应用服务器采用异步PHP Socket框架搭建，支持高并发、TCP长连接、HTTP、WebSocket等，稳定性高。

（2）数据管理和维护：应用服务器可调用OneNET云平台提供的API接口进行设备管理、数据查询、设备命令反向交互等操作。

（3）数据访问：终端可通过HTTP协议-GET请求定时从应用服务器拉取红外探测终端上报的数据，并通过串口将报文信息交付给MCU，实现LCD显示屏实时显示洗手间状态的目的。另外，企业员工可随时访问应用服务器，查看洗手间状态。

5 测试结果与分析

智能红外探测终端上电后，完成初始化操作，测试实物如图13所示。红外传感器模块用于实时检测活动人体，NBIoT模组自动连网并在MCU STM32F103RCT6的控制下上报洗手间状态。在OneNET云平台上能够看到相应的智能红外探测终端在线情况和洗手间状态信息，测试效果如图14和图15所示。

图13 红外探测终端实物

图14 智能红外探测终端在线情况

图15 洗手间空闲状态信息

LCD显示屏上电后，终端完成初始化操作，NB-IoT模组自动连网并在MCU STM32F429核心板的控制下实时通过HTTP协议从应用服务器拉取报文，并将洗手间空闲状态信息显示在屏幕上[9-10]，测试效果如图16所示。

图16 LCD显示屏信息

6 结 语

本文设计了一种基于NB-IoT技术的智慧洗手间管理系统，终端能够实时检测洗手间状态，并通过NB-IoT技术将数据传输至OneNET云平台，将洗手间状态变更数据推送并显示在LCD显示屏上，实现洗手间状态信息主动上报和显示。本文将硬件和软件技术相结合，使系统在一定程度上具备终端接入量更大，网络穿透力更强，通信更加安全，系统整体功耗更低，电源转换率更高，并降低终端无线接入侧的并发风险和传输时延等优点[11-12]。