窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)是第三代互助伙伴操持（3GPP）于2016年6月完成其核心技能标准而履行的新一代物联网通信技能，构建于蜂窝网络，花费的带宽不会超过180 kHz，可直接支配于GSM网络、UMTS网络或者LTE网络，能够实现平滑升级[1-2]。比较4G网络、ZigBee等短间隔通信技能，NB-IoT技能有大容量、广覆盖、深穿透、低本钱、低功耗等特点，能够带来更加丰富的运用处景，其可广泛运用于远程抄表、聪慧农业、智能停车等运用领域，NB-IoT将会成为我国未来物联网发展的紧张趋势[3-4]。
由于NB-IoT技能的研究处于初期阶段，为理解决在运用中存在可靠性和稳定性的问题，本文通过采取在NB-IoT运用架构下实现温湿度掌握系统的设计进行实验论证。先从运用角度对NB-IoT进行剖析研究，归纳出了NB-IoT运用架构，为系统设计供应了理论根本。再根据运用架构功能哀求对NB-IoT终端软硬件设计，并在开拓环境Visual Studio 2013下设计出人机交互系统，通过对温湿度掌握系统的实验结果剖析，可以得到NB-IoT技能在运用方面具有很好的稳定性和可靠性。
NB-IoT运用架构的建立是在抽取NB-IoT运用开拓的共性，从详细到一样平常，把NB-IoT运用开拓所涉及软硬件体系的共性进行概括、归纳，建立与其干系知识要素的抽象模型，为由一样平常到详细供应理论与运用根本，也为详细的NB-IoT运用开拓供应技能根本。经由剖析研究，NB-IoT运用架构由NB-IoT终端(Ultimate-Equipment，UE)、NB-IoT信息邮局(Mssage Post Office，MPO)和NB-IoT人机交互系统(Human-Computer Interaction，HCI)三部分组成[5]，如图1所示。
三部分之间的通信关系是：首先人机交互系统与信息邮局建立网络连接，由人机交互系统向管理做事器供应通信所需的终端IMSI号。终端会根据管理做事器的IP地址、管理做事器面向终真个端口号以及IMSI号通过基站建立终端与管理做事器网络连接，将数据发送给管理做事器。其次管理做事器吸收到终端数据后，通过解析出IMSI号找到发送相同IMSI号的人机交互系统，把吸收的数据传送到人机交互系统。末了人机交互系统有一个专门卖力侦听管理做事器是否发送过来数据的线程，当侦听到有数据发送来时，把这些数据进行解析和处理，这个过程就完成了终端发送数据到人机交互系统的通信。终端吸收数据的过程与发送过程类似，这样就实现了一次完全的通信过程。
2 终端系统设计
终端系统设计构造图如图2所示。微掌握器选用恩智浦公司的MKL36Z64VLH4作为主控芯片，该芯片CPU事情频率为48 MHz，事情电压为1.71 V～3.6 V，额定事情电压为3.3 V，并具有定时器、DMA、UART、TSI、16位ADC、12位DAC等模块，能够知足NB-IoT硬件设计功能需求，卖力数据采集、处理、剖析以及与通信模块通信连接等[6]。电源模块为微掌握器和GPRS供应事情电压，温湿度采集模块是通过传感器实时采集外部温湿度，经由A/D模块传送到微掌握器处理。GPIO模块是通用I/O模块，是微掌握器与外部进行信息交流的接口。
2.1 终端硬件设计
在硬件设计时为了提高设计可重用性与可移植性，该当对所有利用到的硬件根据功能设计进行合理划分，把与系统目标功能无关的进行个体构件封装，然后把个体构件“组装”，终极完玉成部系统的硬件设计[7]。根据硬件设计方法，终端硬件设计包含有电源模块、通信模块、复位模块、A/D模块和温湿度采集模块等。在本文中重点先容电源模块、通信模块和温湿度采集模块的设计。
2.1.1 电源模块
电源模块电路如图3所示，在图中TPS709系列芯片是低压降线性稳压器，事情输入电压范围为2.7 V～30 V，输出电压范围为1.5 V～6.5 V，输出最大电流为150 mA，个中EN引脚为低电平时，芯片停滞事情。TPS70933芯片为KL36供应3.3 V额定事情电压，TPS70939芯片为通信模块R518供应3.9 V事情电压，为了能达到低功耗的目的，须要进行无线通信时，由MCU发出指令掌握TPS70939芯片的EN引脚为高电平，向R518通信模块供电3.9 V电压，不须要通信模块事情时，使EN引脚为低电平，TPS70939芯片停滞事情。
2.1.2 温湿度采集模块
温湿度采集选用Pt100铂电阻传感器，它具有微功耗、高可靠、高准确度等特点，在生活中的温湿度丈量方面得到广泛运用。当温度变革范围在-40～60 ℃之间时，Pt100阻值变革范围为84.27 Ω～123.24 Ω[8]，温度最大非线性偏差小于0.5 ℃。湿度范围在0~100%时，湿度传感器的输出电压范围为0~1.0 V，两者是正比关系，湿度旗子暗记的放大倍数为K=(R201+R202)/R202。温湿度采样电路如图4所示。个中：RH+和RH-分别表示湿度传感器电压旗子暗记正向/反向输入端，RT+和RT-分别表示温度传感器电压旗子暗记正向/反向输入端，PTE16/PTE17表示湿度/温度传感器电压输出旗子暗记供应给MCU。LM324为电路放大元件，事情电压范围为3.0 V～32 V，静态电流小，单电源供电时放大倍数为1～100倍。
2.1.3 NB-IoT通信模块
通信模块选用的是具有高性能、低功耗的无线通信GPRS模块R518芯片。R518芯片是一款工业级的两频段GSM/GPRS无线模块，事情电压为3.4 V～4.2 V，额定事情电压为3.9 V，能供应GPRS数传和GSM短信业务，内嵌丰富的网络做事协议栈，完成无线通信功能[9]。NB-IoT通信模块由R518芯片、输入电压保护电路和射频电路组成，电路如图5所示。在图中，C301～C304组成输入电压保护电路，板载天线和P302组成无线射频电路，P301是升级固件串口，TXD、RXD引脚连接KL36芯片引脚PTE0、PTE1用作通信串口。
图5中电压保护电路浸染是：由于芯片R518事情电压范围为3.4 V～4.2 V，电源供应的电压为3.9 V，在长期利用过程中输入电压会逐渐降落，为担保VBAT引脚电压不会跌落到3.4 V以下，在靠近模块VBAT输入端，并联一个C301=100 μF的钽电容以及C302=100 nF、C303=33 pF、C304=10 pF的滤波电容，保障R518正常事情[9]。无线射频电路的浸染是吸收无线旗子暗记，为了能够更好地调节射频性能，个中R301预留匹配电路利用，根据旗子暗记的强弱可以进行增减，载板天线是用来吸收外部无线旗子暗记，P302连接外部天线利用，如果通过载板天线吸收的旗子暗记不能达到事情哀求时，可以通过P302连接外部天线增强无线旗子暗记。
2.2 终端软件设计
将软件构件技能运用到嵌入式软件开拓中，可以大大提高嵌入式的开拓效率与稳定性。采取构件技能设计对底层驱动编程，可以提高软件的开放性、通用性和移植性。根据模块利用性能，终端构件如图6所示。在设计时，构件包含头文件(.h)和源程序文件(.c)两部分。头文件中紧张含必要的引用文件、描述构件功能特性的宏定义语句以及声明对外接口函数，源程序文件中含构件的头文件、内部函数的声明、对外接口函数的实现。
2.2.1 通信机制
根据NB-IoT运用架构可知，在通信中采取IP地址+IMSI号的方法分辨设备的终端，设备终端存在唯一的IP地址和IMSI号，在传输的数据包中加入目的终真个IP地址和IMSI号，来担保数据包到达目的终端并做出反应。为提高数据传输的精确性，采取帧构造来降落数据包在传输过程中出错的概率，传输数据包一帧数据包由帧头、帧长、有效数据、校验码以及帧尾组成，一帧数据长度有46个字节，详细帧格式如表1所示。
2.2.2 主程序设计
软件构件设计完成后，在main函数中调用函数进行主程序设计，根据哀求须要以下步骤：(1)声明变量：声明主函数中利用的变量类型和名称；(2)关总中断：为了避免程序在开始运行时还有其他中断程序在运行，影响主函数运行；(3)初始化外设模块：须要利用的外设模块初始化完成后，模块等待调用；(4)给部分声明变量赋初始值；(5)使能外设模块中断：打开须要利用外设函数中断的设置，当有中断产生时调用中断函数；(6)打开总中断，有中断产生时能实行中断函数；(7)主循环函数编程，主循环流程图如图7所示。
3 人机交互系统设计
人机交互系统设计开拓环境为Visual Studio 2012，采取C#措辞，C#是一种安全、稳定、大略的面向工具的编程措辞，利用.NET Framework的Windows Forms模块天生具有Windows外不雅观和操作办法的运用程序。Windows Forms模块是一个空间库，个中的控件（例如按钮、工具栏、菜单等）用于建立Windows用户界面[10-11]。在启动界面时，界面初始化过程流程图如图8所示。
在界面初始化过程流程图中，判断PC是否连接互联网成功，通过拼接外部网站进行验证，如果拼接成功，证明该PC已经连接，否则，连接失落败，结束初始化过程。加载在窗体上显示的信息在AHL.xml文档中，内容有窗体名、工程名、IP地址、端口号、IMSI号等信息。在读出AHL.xml文档中内容时，须要判断数据是否完备精确，当涌现缺点时，给出相应的提示，并退出初始化程序。数据读取成功后，实现数据的传输一定与转发做事器建立TCP连接。
4 通信测试剖析
通信测试监控界面能否吸收到通过做事器上传给GPRS模块R518芯片发送MCU的芯片温度、系统韶光、IMSI号和做事器IP地址等信息。通过AT指令从通信模块中得到IMSI号和做事器IP地址等信息，通过读取A/D模块的通道采样得到经由转换后的温湿度值。在通信测试时，先启动监控界面，当终端UE上电时，终端模块进行一系列的初始化，建立与吸收做事器的通信连接，等待终端UE发送数据至监控界面，须要等待1 min旁边就能吸收到发送来的数据。温湿数据值每10 min采集一次，本次实验韶光大约进行12 h，详细天生温湿度曲线如图9、图10所示。通过天生的实时温湿度曲线可以看出，数据采集稳定，系统运行可靠，进一步验证了系统设计的可靠性和稳定性。
5 结论
本文先容了在NB-IoT运用架构下进行温湿度采集的掌握系统设计，详细剖析了NB-IoT的硬件设计过程和软件设计方法，依据KL36芯片和GPRS模块进行硬件设计，并采取构件化方法进行软件设计，提高了系统设计的可移植性和可重复性。通过人机交互系统的掌握界面设计，实现对温湿度值参数的实时监控，实验结果证明了NB-IoT技能具有稳定性和可靠性。该掌握系统在实际运行过程中，软硬件功能都得到测试，运行可靠、稳定，为NB-IoT技能运用在农业监控、智能燃气表等供应技能支持和参考代价。
参考文献
[1] 候海风.NB-IoT关键技能及运用前景[J].通讯天下，2017(14)；1-2.
[2] 苏雄生.NB-IoT技能与运用展望[J].电信快报，2017(5)：6-8.
[3] 何泽鹏.基于蜂窝的窄带物联网(NB-IoT)技能性能及运用[J].广东通信技能，2017(3)：29-34.
[4] 刘全德，傅子维.窄带物联网培植方案研究[J].广东通信技能，2017(7)：22-25.
[5] 王宜怀，刘辉，张建.窄带物联网NB-IoT运用架构[Z].苏州大学打算机科学技能学院，2017.
[6] Freescale.KL36 Sub-Family Reference Manual[DB/OL].[2013-12-12].http：//www.Freescale.com.
[7] 王宜怀，吴瑾，文瑾.嵌入式技能根本与实践(第4版)[M].北京：清华大学出版社，2017.
[8] 郑保，成鹏展，张建兰.提高铂电阻温度计丈量精度的方法研究[J].计测技能，2006，26(1)：56-59.
[9] GPRS系列：R518硬件设计手册[Z].2016.
[10] 郑阿奇，梁敬东.C#程序设计教程（第3版）[M].北京：机器工业出版社，2015.
[11] 白聪，王宜怀，司萧俊.基于KW01-ZigBee+GPRS的无线气候监控系统的设计与实现[J].当代电子技能，2017，9（18）：70-74.
作者信息:
杨 凡1，2，王宜怀1，宋洪儒1，3
（1.苏州大学 打算机科学与技能学院，江苏 苏州215006；
2.铜陵学院 数学与打算机学院，安徽 铜陵244000；3.铜陵学院 电气工程学院，安徽 铜陵244000）
