基于NB-IoT通信技术的智能温控系统设计

罗 静

（淮北师范大学信息学院 安徽 淮北 235000）

0 引言

在现代工业技术自动化程度持续提高的过程中，温度在医疗、电子、日用等领域属于环境重要参数，预测分析、曲线变化、显示灯尤为重要，决定了生产环境、人居、产品工作状态。假如无法对温度精准检测与实时控制，就会导致工业产品生产工作环境存在不确定性，产品效能和质量无法满足预期结果。因此，本文设计了智能温控系统，能够实现温度监测和调控。

1 系统的总体设计

以NB-IoT平台部署模式的需求，设计的智能温控系统主要包括控制终端、云端和采集终端能，图1为系统的结构。NB-IoT采集终端主要包括环境信息采集传感器、低功耗MSP430F149芯片和BC-95模块[1]。通过采集终端数据设计虚拟专用网络，通过NB-IoT基站进行传输。以云服务器和VPDN业务对数据进行交互，利用云端智能调控对系统进行远程闭环控制。控制终端包括BC-96芯片、可编程逻辑控制器，能够实现数据的分析、存储、处理和控制。

图1 系统的构成

2 系统的硬件设计

2.1 采集终端的设计

采集终端硬件通过NB-IoT主控板与通信模块的电路构成，利用主控板对温室环境信息进行收集，根据通信模对NB-IoT基站数据进行交互。潮湿、高温都会影响到硬件电路信号，NB-IoT主控板电源芯片使用AMS1117，在完全负反馈方式中工作，电源抑制比开关性能要强，尤其是在小信号处理电路中具有良好效果，能够快速瞬态响应，使系统、芯片能够可靠的运行[2]。利用MH-Z14、BH1750、SHT10得到温室环境内温湿度、二氧化碳、光照强度，图2为主控板的设计框架。

图2 主控板的设计框架

通信电路结构详见图3，通过NB-IoT与专用物联网对数据进行交互，利用射频天线将环境数据发送到NB-IoT基站中。为了使电源供电性能得到提高，在和BC95电源输入端接近的地方连接电容[3]。在对射频天线电路设计过程中，通过专业阻抗模拟计算对50 Ω阻抗进行控制，还要预留π型匹配电路，使射频性能得到更好的调节，保证射频信号的良好性。

图3 通信模块电路结构

在对采集终端设备进行初始化后，MSP430F149芯片进入LPM模式，使BC95模块进入IDLE和PSM模式中。MSP430F149芯片在到指定时间后退出低功耗模式，通过通信模块发送采集温室环境信息，然后进入LPM3模式。通信模块在对数据接收后使用PSM模式退出，根据AT命令在NB-IoT基站中传输数据。

2.2 报警电路设计

系统声音报警装置使用蜂鸣器，主要包括晶体管和蜂鸣器。系统异常显示为发光二极管，通过限流电阻、红绿发光二极管构成。在单片机工作的过程中，将绿色发光二极管点亮，蜂鸣器没有声音。在温度测量超过给定上下限时，利用单片机PB6对蜂鸣器进行控制，控制绿色发光二极管的熄灭，将红色发光二极管进行点亮。对蜂鸣器的发声进行控制，对系统测量值是否超过进行区分。

2.3 加热通风执行机构

加热通风能够对风扇转动控制，从而实现降温，或者利用控制加热器加热实现升温。温度下降或者上升存在惯性，所以要想提高温控效果的精度，就要设计电路。传统加热通风执行机构的开关元件为电磁继电器，但是寿命比较短，开机速度比较慢，无法满足工艺需求。本文开关元件为固态继电器，可靠性良好，使用寿命比较长，并且没有噪声，电磁干扰比较小。

要想实现良好温控效果，风扇转速或者利用加热器电流大小都能够改变，并且能够调节功率。使用可控硅实现交流调功时候的方法包括：其一，使负载电压波形导通角改变，也就是调相；其二，没有改变负载电压波形，过零触发方式并不会污染电网，从而对用电设备造成干扰，所以本文可以使用PWM调功。利用软件编程方法通过PD5和PD4直接输出PWM波形对风扇转速和加热器电流大小进行控制。

加热通风执行机构开关元件使用交流过零触发型SSR，使用过零进行触发。在输入控制信号之后，SSR在交流电源为零的电压附近进行导通。图4为通风执行机构的电路，加热执行机构电路和此电路相似。

图4 通风执行机构的电路

2.4 单片机主控模块

单片机控制为智能温度控制系统中心，能够对温度范围设置、环境温度信息收集和温度显示进行控制。在本文设计过程中，使用AT89C51单片机芯片和指令系统与引脚兼容。一共40个接口，将电源电路、时钟电路添加到单片机外围，创建单片机最小系统。

通过Proteus中实现系统硬件电路的设计，以P1口使按键对温度上下限值进行设置，温度传感器连接P.7，收集温度信息，根据液晶显示屏将测量温度显示出来。如果温度超限，利用P2.3-P2.6对控温设备进行控制并且报警。蜂鸣器报警模块使用三极管驱动蜂鸣器，和单片机P2.3进行连接，在温度超过设定范围的时候，蜂鸣器就会报警。使用LED灯模拟升温设置，和单片机相互连接。在LED点亮时说明升温设备开始工作，熄灭说明升温设备工作停止。降温设备使用L298驱动直流电机转动实现降温，和单片机连接。

2.5 数字温度传感器

使用DS18B20新一代数字式温度传感器，通过AD转换器进行设计，收集内部温度，AD数据转换过程使温度值转变成为数据并且输出[4]。用户利用简单算法使数据还原成为温度值，从而使单片机接口更加简单，还能够解决模拟信号与A/D转换，使外围电路与软件设计难度得到降低，使安全性能得到提高[5-6]。主要特性为：其一，单线接口比较独特，只需要一个接口引脚就能够实现通信；其二，测量范围在-55 ℃～125 ℃，增量值设置为0.5 ℃，等效华氏温度单位为-67 F～25 F，增量值设置为0.9 F。可编程分辨率设置为9～12位，相应可分辨温度设置为0.5 ℃、0.125 ℃、0.25 ℃、0.0625 ℃，能够实现高精度测温；其三，用户能够对非易失性温度告警进行自定义设置，能够对阈值进行设置[7]。

2.6 无线传感器模块

无线传感器nRF905模块指的是Nordic公司的单片射频发射器nRF905芯片所开发的，工作电压为1.9～3.6 V，工作在三个ISM频道中。nRF905片集成晶体振荡器、电源管理、频率合成器、低噪声放大器和功率放大器等模块[8]。nRF905芯片使用SPI和主机通信，能够对CRC自动处理，使用比较方便，只需要使发送数据与接收机地址对nRF905进行传输就行。nRF905能够自动实现数据打包和发送，在接收过程中包括载波检测与地址检测引脚。在对正确数据包接收的时候，将地址、字头、CRC校验码自动移除之后通知P89V51取数据。

在发送数据的过程中，P89V51将nRF905放置到待机模式中，之后利用SPI总线使站点地址与待发送的数据都写入寄存器中，然后是nRF905模块设置到发送模块中，数据能够利用天线发送。为了使数据传输更可靠，使射频在寄存器中配置，要使数据包不断地对外发送，直到拉低TRX_CE，退出发送模式。

在对数据接收的过程中，P89V51使nRF905模块中的TRX_CE引脚设置为高电平，TX_EN引脚设置为低电平，就能够对数据进行接收。在本文设计过程中，P89V51所设置的10 s之内判断nRF905的DR引脚是否过高。如果过高，就证明接收数据，能够退出接收模式。如果一直没有接收，时间到了之后就退出接收模式。退出之后在待机模式中，P89V51利用SPI总线使nRF905模块内部接收数据寄存器数据读取，从而接收有效数据。

3 系统的软件设计

作为监控中心，计算机端软件的任务主要包括：通过短信方式给远程监控分站发送指令；通过短信方式对远程监测站监测数据进行接收。因为VB具备良好人机交互界面，而且自身具备MSComm串口通信控件，和大部分数据库具有良好的交互效果。所以，在系统设计过程中使用VB编写上位机PC端监控软件。系统功能模块主要包括短信息发送、通信模块串口初始化、数据库访问和短消息接收。

3.1 通信模块串口初始化

利用GSM无线通信模块TC35实现，以下为核心代码和注释：

MSComm1.In Buffer Size=9600 对数据接收缓冲区字节数设置

MSComm1.Out Buffer Size=9600 设置数据发送缓冲区的字节数

MSComm1.Comm Port=1 对端口号1进行选择MSComm1.Port Open=True 将此端口打开

3.2 短消息发送

在设计系统的过程中，利用AT指令与GSM的通信模块实现通信方式的收发。AT指令能够对PDU模式和文本模式的短信进行收发，文本模式的优势就是容易实现、代码简单，但是不支持中文短信，所以本文使用PUD模式。

3.3 短消息接收

在发送短消息之后，PC端对指令进行接收，模块使返回的PDU短信内容进行解码。在完成解码之后得到发送方的发送时间、号码、短信息内容，在对应界面中显示内容，在数据库中存储数据。

3.4 数据库访问

VB包括数据库对象访问DAO、ActiveX数据对象ADO和远程数据库对象RDO三种接口。ADO访问方式具备灵活对象模型，所以系统可以通过数据库访问，使用MySQL数据库。但是，ADO控件无法对MySQL数据库进行访问，所以要安装数据库接口MyODBC，并且通过ODBC中注册用户数据源，表1为ODBC连接参数。通过数据库分类保存数据，比如根据来电号码、时间等进行分类，从而使数据的查询、处理更加方便。

表1 ODBC连接参数

在按下按键的时候要得到键值，之后实现处理，通过以下代码进行设计：

在编程过程中，液晶内部存储字符点阵图形，在对数字、字幕与符号显示的过程中，写入相应ASCII代码。在本文设计过程中，液晶能够显示字符与温度信息，部分代码设计为：

4 结语

在本文系统设计过程中，使用强电隔离，利用单总线数字温度传感器使系统抗干扰性得到提高。另外，本文系统也能够在恶劣环境中使用，满足不同位置的要求。通过试验测试，具备良好的采集效果和可靠数据传输能力，还具备良好的抗干扰能力。