CN211741895U - 基于NB-IoT无线通信的智能控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型的基于NB‑IoT无线通信的智能控制器，包括单片机、NB‑IoT通信模块、红外接收头、外接传感器和显示器，红外接收头与单片机的一个I/O口相连接，单片机经模拟接口连接有人体感应和温度传感器，一个SPI接口与显示器相连接，另一个SPI接口连接有语音电路，一个PWM接口连接有红外遥控输出电路，另一个PWM接口连接有调光输出电路，串口2连接有RS485接口电路1，RS485接口电路1连接有外接传感器。本实用新型的智能控制器，组网简单、部署容易、减少了系统的设备造价，降低了施工费用，在一般的情况下，无需特别关注控制器的安装位置。即使在室内也能可靠通信，安装方便，施工效率高。

Description

基于NB-IoT无线通信的智能控制器

技术领域

本实用新型涉及一种智能控制器，更具体的说，尤其涉及一种基于NB-IoT无线通信的智能控制器。

背景技术

NB-IoT是窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）的简称，是万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。

主要特点有：①、覆盖范围广，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力。重复传输，延长信号码元的传输时间，使得整体译码出错概率大大降低。②、具备支撑海量连接的能力，NB-IoT基站的一个扇区能够支持数万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。NB-IoT比2G/3G/4G有50~100倍的上行容量提升，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。根据仿真测试数据，200KHz带宽，单个基站小区可支持5万个NB-IoT终端接入。③、更低功耗，NB-IoT网络中对于终端设备功耗的目标是基于AA（5000mAh）电池，使用寿命超过10年。

智能控制器以自动控制理论为基础，集成了自动控制技术、微电子技术、电力电子技术、传感器技术、通信技术等诸多门类技术而形成的高科技产品。广泛应用于智能照明控制，智能路灯控制，智能家居，智慧医疗和智能建筑等方面。

目前，智能控制器普遍要求是具有上行通信能力，能够将智能控制器与异地的计算机联网构成一个完备的远程管理控制系统。针对智能控制器常用的上行通信方式有有线通信方式和无线通信方式两种。

有线通信方式主要有以太网通信和现场总线通信两种方式。特点是传输速率高、干扰小、信号稳定、延时短、组网快、功耗低，设备成本低。缺点是施工工程量大，传输线价格高。无线通信方式常见的有WiFi、ZigBee和LoRa等。WiFi的特点是传输速率高，可由路由器直接接入到以太网，缺点是传输距离短，穿墙能力差，主要用于短距离的高速通信中。ZigBee的特点是需要通过网关接入以太网，采用2.4G的ISM频段，容易受到干扰，常用于传输速率在100Kbps以下的短距离。

LoRa和NB-IoT都属于LPWAN技术，两者都具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点。两者的区别为：①、LoRa网络要部署一个网关才能接入以太网，网关安装需要考虑位置，周围信号影响等多种因素。与网络交换机之间还需要安装网线，有一定的施工费用。而NB-IoT通信的优势是数据可以直接通过电信运行商的无线网络上传到云端或用户服务器，不需要经过网关，简化了现场部署，降低了施工费用。②、LoRa网络在未经许可的ISMsub-1GHz无线频率上运行，受到一定限制，在通用的433MHz频段，带宽窄，干扰较大。NB-IoT网络使用电信运行商专用的蜂窝网络，带宽宽，没有干扰。③、LoRa网络提供高度灵活的部署，可以安装在公共，私人或混合网络中，室内或室外。NB-IoT利用蜂窝网络基础设施，需要电信运营商的蜂窝公共网络的支持。④、LoRa协议允许异步发送数据，数据仅在必要时发送，延长了现场设备的电池寿命。NB-IoT无论是否需要发送的数据，都需要保持与蜂窝网络的同步连接。消耗部分电池电量，降低了电池寿命。⑤、LoRa的数据速率约为293bps-50kbps。NB-IoT的峰值数据速率约为250kbps，更适合具有更高数据速率要求的场合（50kbps以上）。⑥、对终端节点来说，LoRa协议比NB-IoT更简单，更容易开发并且对于微处理器的适用和兼容性更好。

随着物联网技术和5G通信的发展，采用NB-IoT无线通信方式的智能控制器是发展的一个趋势。这就是我们开发的基于NB-IoT无线通信的智能控制器的目的，是传统智能控制器的升级产品。

发明内容

本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于NB-IoT无线通信的智能控制器。

本实用新型的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，包括单片机、NB-IoT通信模块、红外接收头、外接传感器和显示器，单片机上设置有串口1、串口2、串口3和串口4四路串口通信接口，NB-IoT通信模块与串口1相连接，NB-IoT通信模块上连接有进行无线通信的SIM卡；其特征在于：所述红外接收头与单片机的一个I/O口相连接，用于接收各种红外遥控信号；单片机上设置有模拟接口、两个SPI接口、两个PWM接口，单片机经模拟接口连接有人体感应和温度传感器，以进行人体探测和温度检测；单片机的一个SPI接口与显示器相连接，另一个SPI接口连接有语音电路，以分别进行显示和语音信息输出；所述单片机的一个PWM接口连接有红外遥控输出电路，以使红外二极管发射各种红外遥控码，实现红外遥控操作，另一个PWM接口连接有调光输出电路，以对灯具进行PWM或电压调光控制；所述单片机上的串口2连接有RS485接口电路1，RS485接口电路1连接有外接传感器，以使单片机通过RS485总线通信读取外接传感器所采集的各种参数。

本实用新型的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，所述单片机的串口3和串口4分别连接有RS485接口电路2和内置电能模块，RS485接口电路2连接外接从机，以实现从机与单片机的RS485总线通信，内置电能模块连接有电压电流互感器，以实现电能计量；所述单片机上不同的多个I/O口分别连接有按键和遥信输入，通过按键输入参数和控制信息，单片机的I/O口与遥信输入之间设置有隔离电路。

本实用新型的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，所述单片机上设置有USB接口、SD接口、I²C接口，单片机经USB接口连接有USB-HOST设备，经SD接口连接有TF卡，经I²C接口连接有RTC芯片，所述USB-HOST设备用于读取智能控制器的各种信息，TF卡在断网情况下存储待上传的数据，RTC芯片为整个智能控制器提供准确的时钟信息。

本实用新型的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，包括外接电源输入电路和开关稳压电源，外接电源输入电路与开关稳压电源的输入端相连接，开关稳压电源的输出端设置有+3.3V、+5V、+12V电源输出接口。

本实用新型的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，所述单片机采用Cortex™-M3处理器的32单片机，其具有72MHz的最高处理速度，带硬件除法器，多路12位模数转换器，多个串口、SPI接口、I²C接口和I/O。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，通过设置单片机及与其相连接的NB-IoT通信模块、红外接收头、外接传感器、外接从机、人体感应和温度传感器、显示器、红外遥控输出电路、多路继电器输出电路，实现了智能控制器基于NB-IoT的无线通信，实现了对外界输入的红外遥控信号的采集和解码、对外接传感器信号的采集、与从机的通信、人体探测和温度测量和信息显示，实现了对外界设备的红外遥控控制、对诸如灯具的PWM或电压调光控制。本实用新型的智能控制器，组网简单、部署容易、减少了系统的设备造价，降低了施工费用，在一般的情况下，无需特别关注控制器的安装位置。即使在室内也能可靠通信，安装方便，施工效率高。

附图说明

图1为本实用新型的基于NB-IoT无线通信的智能控制器的电路原理图。

图中：1单片机，2 NB-IoT通信模块，3 SIM卡，4显示器，5语音电路，6人体感应和温度传感器，7 TF卡，8红外遥控输出电路，9调光输出电路，10多路继电器输出电路，11外接电源输入电路，12开关稳压电源，13 RTC芯片，14内置电能模块，15电压电流互感器，16 RS485接口电路2，17外接从机，18 RS485接口电路1，19外接传感器，20 USB-HOST设备，21遥信输入，22按键，23红外接收头。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，给出了本实用新型的基于NB-IoT无线通信的智能控制器的电路原理图，其由单片机1、NB-IoT通信模块2、红外接收头23、按键22、显示器4、语音电路5、人体感应和温度传感器6、红外遥控输出电路8、调光输出电路9、多路继电器输出电路10、外接传感器19、外接从机15组成，单片机1具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，单片机1采用Cortex™-M3处理器的32单片机，具有72MHz的最高处理速度，带硬件除法器，多路12位模数转换器（ADC），多个串口、SPI接口、I²C接口和I/O等资源。非常适合作为智能控制器使用。

所示的单片机1具有四个串口（分别为串口1、串口2、串口3和串口4）、两个SPI接口、多个模拟接口、两个PWM接口、SD接口、I²C接口、USB接口以及多个I/O口，NB-IoT通信模块2与串口1相连接，显示器4和语音电路5分别与两个SPI接口相连接，人体感应和温度传感器6分别与多路模拟接口相连接，红外遥控输出电路8和调光输出电路分别接于两个PWM接口上，多路继电器输出电路10接于单片机1的多个I/O口上。

单片机1的SD接口连接有TF卡，串口2和串口3上分别连接有RS485接口电路1和RS485485接口电路2，RS485接口电路1用于连接外接传感器19，RS485485接口电路2用于连接外接从机17；串口4连接内置电能模块14，内置电能模块14用于连接电压电流互感器15。单片机的I²C接口用于连接RTC芯片13，USB接口用于连接USB-HOST设备20，红外接收头23与单片机1的一个I/O口相连接，按键22与单片机的多个I/O口相连接，遥信输入21与单片机的多个I/O口相连接。

单片机系统自身还包括晶体振荡器、复位电路、编程调试接口和电源电路等附属电路。串口1接入NB-IoT通信模块，用于上行通信。NB-IoT通信模块与SIM相连接，提供网络连接所需的注册信息。串口2外接RS485接口电路1，用于与外接各种传感器进行RS-485总线通信。读取各种环境参数，进行各种需要的智能控制。串口3外接的RS485接口电路2，用于与外接各种从机进行RS-485总线通信。对各种设备的电源进行控制，或进行红外遥控。串口3接内置的单相或三相电能计量模块，读取电压、电流、功率、电能等电能参数。电能模块的输入接入电压互感器和电流互感器，可对本机电源输出进行单相/三相的电能计量。

一个SPI接口接LED数码管或LCD、OLED显示屏，用于显示时间、环境参数、电能参数、控制输出状态和故障状态等信息。一个SPI接口接语音电路，用于进行各种语音和操作音提示。语音电路接音频功率放大器和扬声器。

一个PWM接口外接红外二极管驱动电路，用于发射各种红外遥控码，实施红外遥控操作，遥控各种设备。一个PWM接口接入调光驱动电路，对灯具进行PWM或电压调光控制。多个模拟输入接口，分别接内置的温度传感器、人体探测传感器等模拟传感器输出电压，由单片机经过AD转换后，进行数据运算，得到各种传感器信息，为智能控制提供信息来源。

一个I/O接口用于输入，接到红外接收头的输出，通过单片机的软件解码，得到各种红外遥控操作信息，对本机实施遥控操作。多个I/O接口用于输入，接入按键电路。通过按键可以为本机输入各种参数和策论，查询各种参数和状态。多个I/O接口用于输入，通过隔离电路接入外接遥信信号输入。将外接的遥信开关量信号输入到单片机进行处理和上传。多个I/O接口用于输出，驱动多路继电器，用于本机的电源输出控制。

I²C接口接口接到RTC芯片，为整个控制系统提供准确的时钟信息。USB接口，可接入USB-HOST设备，读取控制器的各种信息。SD接口，内置TF卡，可在断网的情况下，保存控制器各个上传周期的各种上传信息，在网络恢复后实现断点续传。

本实用新型的基于NB-IoT无线通信的智能控制器的工作原理为：开机上电正常后，智能控制器的单片机首先完成NB-IoT通信模块（以下简称无线模块）的初始化。再读取SIM信息，识别出具体的电信运行商。根据各个运行商网络连接规程，给无线模块发送AT指令进行模块注册。注册成功后再进行网络连接。连接成功后，从指示灯显示网络工作状态。从控制器的显示器中可以查询到运行商商家、SIM卡号、接收信号强度和信噪比等信息。控制器就可以接收上位机控制软件的远程控制和控制策论、参数的修改和数据上传。

控制器按照预设的控制策论，采集内置传感器的各种环境参数和内置电能模块的电能数据。与外接传感器进行RS-485总线通信，读取各种外接传感器数据。各种数据进行相应的数据运算，得到人员是否存在、人数、温湿度、照度等数据。再结合时间信息，与控制策论和控制阈值进行比较和运算，输出各种控制信号，送到本机的继电器驱动电路，控制电源的开启与关闭，实施电源控制；输出相应的红外遥控信号，实施红外遥控；输出PWM信号，对灯具进行调光控制。还可以通过从机的RS-485总线通信，由外接的从机完成电源控制和红外遥控等控制操作，完成所需的智能控制。

控制器可以由按键电路输入各种信息，也可以接收红外遥控信号，解码后对本机进行相应操作。各种操作可以由显示器进行数字和代码显示，也可以根据需要进行汉字显示。工作状态和输出状态一般由发光二极管（LED）显示，直观明了。操作时，可以由语音电路提示音响。在输出状态发生改变时，语音电路还可以进行相应语音提示，提高控制的人性化。

控制器在上传周期确定的时间点，将环境参数、电能数据和输出状态、故障状态等信息通过NB-IoT无线通信主动上传给上位机控制软件。如果这时出现了断网的故障，控制器将上传的数据打上时间戳后存放在TF卡中。在网络恢复正常后，再将这些数据上传至控制软件，实现断点续传功能，确保控制数据记录的完整。

电源电路将外接输入的电压变换成控制器所需的+12V、+5V和+3.3V电压，为了提高效率，全部采用了开关电源。

控制器工作过程与其它方式上传的控制器基本一样，不同之处在于NB-IoT无线通信。

①、需要识别SIM所属的电信运行商，再根据各自的网络连接规程，自动完成模块注册和网络连接等过程，比其它通信方式要复杂的多；

②、流量管理，这在其它通信方式是不存在的。它们都属于私网范畴，一旦网络建成，通信是无需费用的。但NB-IoT无线通信属于公共网络，电信运行商是按照数据流量或连接次数进行收费的。为了节省通信成本，必须有流量管理功能。如需要合理安排上传周期和数据包大小；在不需要通信的时间段，如节假日、假期和每天休息时间，休眠无线通信模块等措施。

③、数据上传在其它通信方式采用的是网关或控制软件查询，控制器应答的主从通信方式，以避免通信碰撞的问题。而在NB-IoT通信方式中，则采用主动上传的方式，主要原因是这种方式允许多路并发，不会发生通信碰撞。而且，还可以减少一半流量。

④、NB-IoT可以使用内置天线，外观美观整洁，安装更加方便一些。LoRa一般需要采用外接天线，安装和使用麻烦一些。

本实用新型采用NB-IoT无线上行通信方式与其它通信方式的智能控制器相比，主要特点是：

①、组网简单、部署容易。在电信运行商蜂窝无线网络覆盖的区域，只需要安装智能控制器本身，无需其它的组网设备。如传输线、集中器、网关和路由器等。无论多大的网络也都一样。减少了系统的设备造价，降低了施工费用。

②、除非是电磁屏蔽的空间，在一般的情况下，无需特别关注控制器的安装位置。即使在室内也能可靠通信，安装方便，施工效率高。

③、自动适应三大电信运行商，只要插上各自的SIM卡，加上电源就可自动完成网络传输的整个过程。无需人工干预，操作使用简单。

④、流量管理功能，在保证正常上行和下行通信的基础上，采用多种措施减少流量消耗，保证基础流量能满足一般使用的需要，减少使用费用支出。

⑤、离线在线工作模式自动切换，网络离线时，按照设置的控制策论继续运行，保证控制的稳定性；网络在线后，接收上位机控制软件的远程控制和控制策论修改，上传环境参数、电能参数和输出状态、故障状态等信息。

⑥、断点续传功能，网络离线后，能将各种数据打上时间戳后存储在SD卡中，待网络正常后，能将断网时间内的数据上传到上位机的控制软件中，保证数据的完整性。

⑦、可灵活地根据功能要求，选择合适的单片机型号和各种接口电路，移植和剪裁程序，提高产品的性价比。

⑧、具备程序的远程升级功能，无需到现场就可以实现对单片机程序的升级，提高产品的可靠性和先进性。

Claims (5)

1.一种基于NB-IoT无线通信的智能控制器，包括单片机（1）、NB-IoT通信模块（2）、红外接收头（23）、外接传感器（19）和显示器（4），单片机上设置有串口1、串口2、串口3和串口4四路串口通信接口，NB-IoT通信模块与串口1相连接，NB-IoT通信模块上连接有进行无线通信的SIM卡（3）；其特征在于：所述红外接收头与单片机的一个I/O口相连接，用于接收各种红外遥控信号；单片机上设置有模拟接口、两个SPI接口、两个PWM接口，单片机经模拟接口连接有人体感应和温度传感器（6），以进行人体探测和温度检测；单片机的一个SPI接口与显示器相连接，另一个SPI接口连接有语音电路，以分别进行显示和语音信息输出；所述单片机的一个PWM接口连接有红外遥控输出电路（8），以使红外二极管发射各种红外遥控码，实现红外遥控操作，另一个PWM接口连接有调光输出电路（9），以对灯具进行PWM或电压调光控制；所述单片机（1）上的串口2连接有RS485接口电路1（18），RS485接口电路1连接有外接传感器（19），以使单片机通过RS485总线通信读取外接传感器所采集的各种参数。

2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，其特征在于：所述单片机（1）的串口3和串口4分别连接有RS485接口电路2（16）和内置电能模块（14），RS485接口电路2连接外接从机（17），以实现从机与单片机的RS485总线通信，内置电能模块连接有电压电流互感器，以实现电能计量；所述单片机上不同的多个I/O口分别连接有按键（22）和遥信输入（21），通过按键输入参数和控制信息，单片机的I/O口与遥信输入之间设置有隔离电路。

3.根据权利要求1或2所述的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，其特征在于：所述单片机（1）上设置有USB接口、SD接口、I²C接口，单片机经USB接口连接有USB-HOST设备（20），经SD接口连接有TF卡（7），经I²C接口连接有RTC芯片（13），所述USB-HOST设备用于读取智能控制器的各种信息，TF卡在断网情况下存储待上传的数据，RTC芯片为整个智能控制器提供准确的时钟信息。

4.根据权利要求1或2所述的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，其特征在于：包括外接电源输入电路（11）和开关稳压电源（12），外接电源输入电路与开关稳压电源的输入端相连接，开关稳压电源的输出端设置有+3.3V、+5V、+12V电源输出接口。

5.根据权利要求1或2所述的基于NB-IoT无线通信的智能控制器，其特征在于：所述单片机采用Cortex™-M3处理器的32单片机，其具有72MHz的最高处理速度，带硬件除法器，多路12位模数转换器，多个串口、SPI接口、I²C接口和I/O。

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