论文总字数：28384字

摘 要

随着技术的进步和人们生活水平的提高，人们对家居的需求由有所居逐渐向便捷、舒适的智能家居方向发展，本文以此为背景并结合了新兴的物联网技术，主要完成了以窄带物联网（NB-IoT）无线传感技术为核心的智能家居系统的软硬件设计。该设计优化了传统的智能家庭控制方案，利用Android应用程序作为终端，方便用户及时的了解并控制自己的家庭。

该系统的设计主要包括两大部分，底层数据采集和控制部分、顶层监测及控制平台。

顶层监测及控制平台是Android应用程序。底层数据采集和控制部分主要包括以下几个部分：核心控制模块、监测模块、控制模块。底层核心控制模块是底层数据采集和硬件控制的核心，也是智能家居各功能模块与顶层终端联系的枢纽，它通过窄带物联网与Android应用程序通信。监测模块实现对家庭内温湿度、燃气浓度的数据采集。控制模块则是对家庭中的灯光和窗帘进行控制。功能模块通过无线收发器芯片NRF24L01与核心控制模块通信，降低了能耗，保证了系统的可靠性。

各模块的控制芯片使用的是STM32F103RCT6，软件部分主要包括使用C语言对各模块的编程和以JAVA语言为基础的Android应用程序编程。同时，使用了Altuim Designer 15软件实现了系统的硬件设计。窄带物联网采用的是UDP协议通信，数据的准确性高，保证了系统的控制精确性。

关键词：窄带物联网，无线传感技术，stm32，Android APP，NRF24L01

Abstract

With the advancement of technology and the improvement of people’s living standards, people’s demand for home gradually evolves into a convenient and comfortable smart home. This paper uses this as a background and combines emerging Internet of things technologies to complete the hardware and software design of a smart home system based on narrow-band Internet of Things (NB-IoT) and wireless sensor technology. The design optimizes the traditional smart home control program and uses mobile phone APP as a terminal to facilitate the user's timely understanding and control of their own home.

The design of the system mainly includes two parts, the underlying data acquisition and control part, the top-level monitoring and control platform.

The top level monitoring and control platform is an Android application. The underlying data acquisition and control part mainly includes the following parts: core control module, monitoring module, and control module. The core control module is the core of the underlying data collection and hardware control, and is also the hub of the contact between the smart home function modules and the top-level terminal. It communicates with the mobile phone APP through the narrow-band Internet of Things. The monitoring module realizes data collection of temperature, humidity, and gas concentration in the home. The control module controls the lighting and curtains in the home. The functional module communicates with the core control module through the wireless transceiver chip NRF24L01, reducing energy consumption and ensuring system reliability.

The control chip of each module uses STM32F103RCT6. The software part mainly includes programming of each module using C language and APP programming based on JAVA language. At the same time, Altuim Designer 15 software was used to implement the hardware design of the system. Narrowband Internet of Things adopts UDP communication, and the accuracy of data is high, which ensures the control accuracy of the system.

KEY WORDS: Narrowband Internet of Things(NB-IoT), Wireless Sensing Technology, STM32, Android APP, NRF24L01

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 i

第一章 绪论 3

1.1 研究背景与意义 3

1.1.1 智能家居的发展现状和趋势 3

1.1.2 窄带物联网的发展 3

1.2 本文的主要工作 4

1.3 论文安排 5

1.4 本章小结 5

第二章 智能家居系统方案设计 6

2.1 系统设计目标和原则 6

2.2 设计方案 6

2.3 设计思路 7

2.3.1 核心控制模块设计 7

2.3.2 监测模块设计 8

2.3.3 控制模块设计 8

2.3.4 Android 应用程序设计 9

2.4 本章小结 9

第三章 智能家居系统硬件设计 10

3.1 系统整体方案设计 10

3.2 核心控制模块 11

3.2.1 供电电路 11

3.2.2 NRF24L01芯片电路 13

3.2.3 STM32F103RCT6控制器 16

3.2.4 BC95-B5模块 19

3.3 监测模块 21

3.3.1 DHT21温湿度传感器 21

3.3.2 MQ-7气体传感器 22

3.4 控制模块 24

3.4.1 照明控制 24

3.4.2 窗帘控制 26

3.5 实物展示 28

3.6 本章小结 30

第四章 智能家居系统驱动程序设计 31

4.1 总体驱动程序设计 31

4.2 Keil软件简介 33

4.3 各模块驱动程序设计 33

4.3.1 核心模块驱动程序设计 33

4.3.2 监测模块驱动程序设计 36

4.3.3 控制模块驱动程序设计 40

4.4 本章小结 43

第五章 Android应用程序设计 44

5.1 Android 应用程序总体设计 44

5.2 Android Studio软件简介 45

5.3 应用程序界面设计 46

5.3.1 登录界面设计 46

5.3.2 主界面设计 47

5.3.3 监测模块界面设计 48

5.3.4 控制模块界面设计 49

5.4 本章小结 50

第六章 智能家居系统测试与验证 51

6.1 监测模块测试与验证 51

6.2 控制模块测试与验证 52

6.2.1 照明控制测试与验证 53

6.2.2 窗帘控制测试与验证 55

6.3 本章小结 58

第七章 总结与展望 59

7.1 总结 59

7.2 展望 59

致谢 60

绪论

研究背景和意义

随着经济的发展和科技的进步，人们对生活的要求越来越高。20世纪末，信息科技的快速发展更是给人们的生活带来极大的变化，电子设备与自动化设备的结合也促进了日常生活的显著变化。物质生活的满足，使得人们越来越注重精神生活的状态，关于居住，人们期待科技能够给家居带来巨大的变革。比如在家庭安全方面加入人脸识别技术和自动报警技术，燃气监测传感器，漏电保护装置等，减少家庭发生偷盗、漏气漏电等安全事故发生的可能性。在家庭环境方面，人们越来越关注室内温湿度的变化，期待监测与控制结合，创造出更舒适的室内环境^[1]。

进入21世纪，移动互联网蓬勃发展，手机成为人们生活中不可缺少的一部分。现如今，手机可以购物、点餐、支付等等，手机的功能越来越丰富。是否可以利用手机给家居带来一些变化，比如说用手机应用程序监测家庭环境的变化，通过摄像头看看家里的狗狗在干嘛，在回家路上提前打开空调、打开电饭煲或者打开洗衣机等等。将手机作为智能家居系统的用户与家庭交互的平台，极大的降低了智能家居系统的操作的复杂性^[2]。

物联网技术也在持续发展，窄带物联网这一新兴领域有希望在智能家居领域引发潮流。窄带物联网的技术优势与兴起的云平台技术结合，将会大幅降低智能家居系统的成本，也可能将一些新的技术带入智能家居领域，可能引发这一领域更深层次的变革。同时，融合无线传感技术，可以大幅减少系统走线长度，降低系统成本，提高系统的安全性和可靠性。

人们对科技的追求永无止境，对舒适便捷的生活的要求也不断提高，智能家居领域的发展也势必充满无数的精彩与可能。本设计主要研究窄带物联网与无线传感技术在智能家居领域的应用，探索窄带物联网与无线传感技术给智能家居领域带来的可能变化。

智能家居发展现状

智能家居的建筑案例最早可以追溯到上世纪美国CityPlaceBuilding建筑，该建筑是首栋智能建筑，从此智能家居的概念逐渐在全世界发展起来^[3]。

智能家居是以普通家庭住宅为基础，通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，利用先进的算法对家庭设备智能的控制。

目前，智能家居系统的发展存在系统设计复杂、成本居高不下等困境。智能家居系统只能应用在一些豪华住宅区里，难以走向普通家庭。且由于市场混乱，缺乏统一的标准，不同公司的不同产品之间难以兼容，很难让用户选择最优的智能家居系统。用户不能像组装台式电脑一样选择不同的产品组装自己的智能家居系统。同时，技术人员在进行市场调研时，考虑更多的是选择新颖的技术，增加了系统操作的复杂性，与市场的需求有很大的距离。因此，智能家居系统的发展还需要进一步的提高，广大厂商还需要根据用户需求开发便捷高效的智能家居设备。

我国的智能家居产品越来越多样化，大多基于公司特点，推出适用于公司产品推广的智能家居产品。例如互联网公司阿里巴巴推出基于云计算大数据的阿里智能APP，华为构建以智能连接为驱动的生态体系，HDL推出智能照明解决方案。智能家居产品越来越多样化，显示了我国智能家居领域的快速发展和无限潜力。

窄带物联网的发展

窄带物联网（NB-IoT）是物联网领域新兴技术，它的构建基于蜂窝网络，占据的带宽大约180KHz，支持在广域网上功耗较低的设备进行蜂窝数据连接，因此也被称作低功耗广域网（LPWA）。NB-IoT在连接待机时间较长、连接网络的要求较高的设备时具有很高的效率，是物联网未来发展的一个十分重要的方向^[4]。

NB-IoT核心是面向低端物联网终端，适合广泛部署在智能家居、智能城市、智能生产等领域，对长距离、低速率、多终端的物联网应用具有较大优势。目前，NB-IoT技术协议获得了3GPP无线接入网（RAN）技术规范组会议通过。华为、中兴等科技企业都已经着手布局NB-IoT技术。

图1.1 窄带物联网应用广泛

NB-IoT是全球第三代合作伙伴计划（3GPP）提出的面向长距离、低速率、低功耗、多终端业务的互联网技术。它使用授权频谱，具有低功耗、低成本、高覆盖和广连接等优点^[5]。对比如图1.2所示：

图1.2 窄带物联网技术优势

我国科技企业正在参与并快速确立NB-IoT技术标准，多家企业联合多个运营商在全世界范围内测试基于NB-IoT技术的物联网方案。从2015年至今，已开展了智能停车、智能水务等业务的测试。并将继续推进NB-IoT技术在多领域的技术实践。

本文的主要工作

本文的设计目标是用户可以用Android应用程序通过窄带物联网控制家庭中的设备，同时可以监测家庭环境的变化情况，控制家庭设备具体是控制照明和窗帘，监测家庭环境是监测室内的温湿度和CO浓度。具体设计指标如下：

1. 温湿度和燃气浓度传感器数据可以稳定的传输给监测模块的控制器；
2. 控制模块的控制器可以有效的控制灯光的亮灭和窗帘的开关；
3. 监测模块的数据可以通过短距离无线通信芯片（NRF24L01）传输给核心控制模块，核心控制模块也可以将控制指令通过通信芯片传输给控制模块；
4. 核心控制模块通过窄带物联网以UDP协议的通信方式将监测数据传输给应用程序，并可以接收应用程序的控制指令；
5. Android应用程序可以显示监测数据并实现发送一些控制指令的功能；
6. Android应用程序可以通过窄带物联网与核心控制模块实现通信。

根据上述要求设计全套软硬件系统，并实现相应的功能。

论文结构安排

本论文整体安排如下：第一章是绪论，主要内容是智能家居系统的发展现状和意义、本文的主要工作；第二章是智能家居系统方案设计，主要内容是系统设计的目标和原则、设计方案和设计思路；第三章是智能家居系统的硬件设计，主要内容是智能家居系统的总体硬件设计、各模块硬件设计和实物展示；第四章是智能家居系统驱动程序设计，主要内容是总体驱动程序设计、keil软件简介和各模块驱动程序设计；第五章是Android应用程序设计，主要内容是Android应用程序总体设计、Android Studio软件简介、应用程序各界面设计；第六章是智能家居系统测试与验证，主要内容是监测功能测试与验证和控制功能测试与验证；第七章是总结和展望，总结了本设计的主要工作并展望了未来可拓展的设计。

智能家居系统方案设计

系统设计目标和原则

本设计的目的是设计实现一个简单便捷的智能家居监控系统，验证窄带物联网和无线传感技术在智能家居的应用，因此在设计的时候本文遵循这些原则：

1. 简单方便

考虑到智能家居面向的是广大普通群众，他们没有专业工程师那么强的专业知识，所以在设计时要避免设计复杂化、歧义化，简单方便才能更吸引人们对智能家居系统的喜爱。操作简单化，示意明了简洁，让人一看就知道是什么意思，因此，简单方便是一个十分重要的原则。

1. 成本低

成本是制约智能家居发展的一个重要因素，尤其是在我国高房价的现实下，高昂的智能家居建设成本不会被普通群众接受，所以本设计在设计之初就考虑降低系统的成本，选择低廉可靠的器件和高性价比的外围设备和软件系统来组合本系统。

1. 稳定耐用

一个稳定的、可以长久运行不出问题的系统才是为人喜爱的系统，更能吸引消费者的青睐，没有消费者喜欢维修人员经常到家来维修设备，打扰他们的家庭生活，智能家居系统也是如此。因此，谋求系统性能的稳定可靠，就要保证系统设计的合理性以及软硬件整体设计的协调性。

1. 扩展性强

技术是与时俱进，推陈出新的，系统的扩展性会影响其日后的优化升级，在设计之初，就要考虑提升系统的扩展性，方便日后对系统软硬件的升级。

设计方案

本设计中的智能家居系统底层数据采集及控制部分由单片机及其外围设备组成。单片机是核心控制器，可以通过它拥的设备接口连接外围设备，MCU通过输入输出回路与外围传感器和控制对象联系在一起，MCU之间通过短距离无线收发芯片NRF24L01连接在一起，核心控制模块的MCU通过物联网与上位机即Android应用程序连接在一起。系统总体架构图如下：

• 上位机即Android应用程序通过物联网与底层核心控制模块通信；
• 核心控制模块与监测模块和控制模块通过nRF24L01无线收发芯片在2.4G无线频段通信。

图2.1 系统总体架构图

设计思路

核心控制模块设计

核心控制模块主要是实现数据中转，本设计用NRF24L01无线收发芯片接收监测模块的数据，也通过该芯片将控制器的控制指令发送给控制模块。NRF24L01芯片传输数据的距离比WiFi远，数据量小，可以设计更加节约能源的工作方式^[6]。NRF24L01芯片在无线传输中速率可达2Mbps，大大减少了在空间中传输数据的时间。NRF24L01芯片可以进行一对多通信，具有多个通信频道，可双向通讯，同时在数据发送失败时，可以自动重发数据，重发次数可由设计者根据需要决定。

图2.2 NRF24L01芯片实物图

STM32F103RCT6控制器是本模块的控制中心，负责将采集到的数据整理成适应于BC95模块工作的数据格式，同时将BC95模块发送给控制器的控制指令转换成适用于控制模块工作的指令形式。STM32F103RCT6芯片是ST公司研发的一款性价比和使用广泛度都比较高的芯片，是同系列中的“增强型”芯片，其性能优异、工作时功耗低、使用成本低。它的时钟频率是72MHz。STM32F103RCT6芯片具有64个引脚，能够满足本设计的设计需求，而且其引脚功能强大，可实现多种功能，同时该芯片应用广泛，开发资料丰富，易于上手开发。故本设计选择STM32F103RCT6芯片作为底层各模块的微处理器。

图2.3 STM32F103RCT6芯片实物图

本设计移远公司开发的窄带物联网模块BC95，它通过UDP数据通信将控制器接收的监测数据传到手机上，并将接收的手机发送的控制指令传给控制器。BC95模块是上海移远公司基于华为海思平台开发的一款NB-IoT系列模块，包含三个型号：BC95-B5，BC95-B8和BC95-B20。BC95模块可以通过NB-IoT无线通信协议（3GPP Rel-13）建立与移动网络运营商的基础设备的通信。BC95-B5可以与中国电信的物联网建立通信，需要使用中心频率为850MHz的天线，同时需要购买中国电信公司的物联网SIM卡10649。目前，电信公司已在我国大多数城市建立了物联网。该模块可被用于共享单车等，用途广泛，前景广阔。

图2.4 电信NB-IoT专用卡

图2.5 移远BC95模块实物图

监测模块设计

监测模块要实现对室内温湿度及CO浓度的监测，模块使用STM32F103RCT6芯片作为控制器，使用NRF24L01无线收发芯片将监测到的数据发送给核心控制模块。室内环境数据主要通过DHT21温湿度传感器和MQ-7气体传感器获得。

本设计使用DHT21温湿度传感器监测室内的温湿度。传感器由电容式感湿元件、NTC测温元件和8位单片机组成。DHT21温湿度传感器通过由湿度校验室的校准的方式来保证湿度测量的准确性，同时将校准系数存储在单片机中，传感器可以调用这些校准系数。因此，DHT21温湿度传感器具有优异的性能，可以快速的检测出室内的温湿度数据，抵抗环境内干扰的能力十分强大，相对其他的传感器性价比极高。此传感器是单总线串行接口，只需要占据MCU一个普通输入输出引脚。

图2.6 DHT21温湿度传感器实物图

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