基于基带芯片OpenCPU方案的NB-IOT智慧除湿机设计

基于基带芯片OpenCPU方案的NB-IOT智慧除湿机设计

贾其领

广东恩博力电器有限公司珠海分公司，广东 珠海 519000

摘要：随着物联网技术的飞速发展，物联网与传统行业发生了技术融合，典型如白色家电与物联网技术融合后产生了智能家居的应用场景。一直以来，白色家电行业存在产品量产基数大，利润低，成本控制严格等要求。本文通过介绍一款基于基带芯片OpenCPU方案的NB-IOT智慧除湿机设计方案，既从成本上最大限度的降低了产品生产成本，又实现了设备联网智能化等智能家居应用场景，提升产品的竞争力和智能化。

关键词： 除湿机 ； NB-IOT  ；物联网

长期以来除湿机产品的使用场景存在许多痛点。目前市场上主流产品为离线使用场景，需要手动对除湿机进行启闭使用，对室内环境的湿度也只能通过除湿机的显示屏才能获取，不能进行远程操控，给用户带来了极大的不便。随着物联网技术的发展，物联网与传统行业发生了技术融合，在传统除湿机的基础上增加了智能化应用场景，大大的方便了用户的使用体验。本文先介绍基于NB-IOT智能除湿机的整体智能家居解决方案，然后单从NB-IOT智能除湿机终端侧出发，从我司的NB-IOT智能除湿机总体设计、硬件设计及软件设计进行阐述。

一、基于NB-IOT的智能除湿机方案

NB-IOT智能除湿机整体解决方案按照端、管、云的系统架构进行建设，从下到上依次为终端测（NB-IOT智能除湿机）、网络侧（包括运营商基站侧的无线接入网和核心网）、运营商IOT平台及智能家居应用平台，整个解决方案如下图所示：

1、终端侧（NB-IOT智能除湿机）

终端侧设备是物联网的基础载体，随着物联网的发展，终端由原有的哑终端逐步向智能终端演进，通过增加各种传感器、通讯模块实现终端可控、可靠、可互通，这里的终端设备主要包含 NB-IoT 物联网智能除湿机等与运营商NB-IoT 基站连接来实现通讯能力， 然后通过 NB-IoT 基站将信息上传给 IoT 平台实现设备数据上报。

2、网络侧（包括基站侧的无线接入网和核心网）

网络层主要是指运营商的网络，这里主要是 NB-IOT 网络，主要起到传输作用，其特点如下：
 广覆盖，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 倍覆盖区域的能力信号更强；
 海量连接，NB-IoT 一个扇区能够支持 10 万个连接，支持低延时敏感度、低设备功耗和优化的网络架构；
 安全性，继承4G网络安全能力，支持双向鉴权以及空口严格加密，确保用户数据的安全性;

稳定可靠性，能提供电信级的可靠 性接入，有效支撑 IoT 应用和智慧城市解决方案。

3、运营商IOT平台

汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发到相应的业务应用处理平台进行处理，完成连接管理（如设备管理、业务签约、数据采集、转发等)、使能管理（如数据分析、能力开放、应用生命周期管理等）、数据管理（如数据采集、分类、结构化存储、数据调用、使用量分析，提供分析性的业务定制报表）、连接感知、连接诊断、连接控制等连接状态查询等功能。

4、智能家居应用平台

面向具体智能除湿机用户，通过 APP、微信、WEB 网页等前端展示形式，应用通过调用运营商IOT 平台 API 接口，建立数据与应用之间的关联，构建面向客户的系统服务器，并进行业务逻辑编排，组成多个管理模块，客户端通过调取各模块数据，实现视图层前端展示。主要包含水务各业务相关的专业信息化系统及基于大数据分析的上层智能应用。

二、基带芯片OpenCPU方案的NB-IOT智能除湿机总体介绍

为了进一步降低智能除湿机的生产成本，我司NB-IOT智能除湿机摒弃了传统NB-IOT智能除湿机的开发方式（MCU+NB-IOT模组），而是直接是在基于华为海思Hi2115的NB-IOT基带芯片上采取OpenCPU的开发方式。OpenCPU是一项软件技术应用方案，它可以开放某个主控的计算和存储能力，为整个硬件提供运算支持。就IoT场景来说，就是释放通讯模组的资源给硬件的其他功能使用，这样一来通讯模组不仅承担外部数据的收发，还承担本地数据的处理。在典型的IoT硬件中，一般会存在双芯架构，即一个主控MCU+物联网通讯模组。这两组芯片独立存在，一个处理内部数据，一个负责外部交互。而OpenCPU的理念，就是让通讯模组兼顾MCU的职责，让双芯变为单芯。我司的水表系统的总体功能框图如下：

三、基带芯片OpenCPU方案的NB-IOT智能除湿机硬件设计

由于采用了OpenCPU方案，在硬件设计上精简了设计，降低了成本。NB-IOT智能除湿机的硬件相对简单，系统的硬件框图和实物图如下：

下面分别对各主要硬件部分进行叙述：

1、电池电源管理系统电路

NB-IOT智能除湿机采用市电220V供电，电源管理系统经过变压，整流，滤波后再经过各种不同规格的LDO，将电压转化12V，5V，3.3V，1.8V，1.2V，0.9V等电压，为NB-IOT智能除湿机中各元器件提供输入电压。

2、华为海思Hi2115基带芯片

该芯片为华为海思提供的NB-IOT的基带芯片，内部含有三个ARM公司的Cortex-M0+。一个专门用来处理NB-IOT的协议栈称为协议核，一个用来确保系统安全的内核称之为安全核，另外一个是做应用处理称之为应用核。Cortex-M0+的核心架构为ARMv6M，其运算能力可以达到0.9 MIPS/MHz，而与其他的16位与8位处理器相比，由于CortexM0+的运算性能大幅提高，所以在同样任务的执行上CortexM0+只需较低的运行速度，而大幅降低了整体的动态功耗。

3、温湿度检查单元电路

采用中科银河的温湿度GXHT30芯片，通过I2C与Hi2115进行数据通信。该传感器主要是用来采集室内空气湿度及温度，通过比较设定的温湿度从而对压缩机进行PID控制。

4、显示电路及按键电路

除湿器采用定制的数码管显示模块，该模块集成了按键检测功能，能够显示当前的温湿度及通过手动方式设置除湿机的温湿度。

5、压缩机驱动电路

该电路为HI2115的PWM引脚直接驱动可控硅，实现对除湿机压缩机的PID控制。

6、水位检查电路

通过在除湿机的蓄水罐中加装浮球液位检测开关，来检测储水罐液位是否已经装满。

7、报警与语音电路

当除湿机的储水罐液位已经达到最大值时，除湿机通过报警与语言电路提醒用户将储水罐中的水清理。

8、SIM卡电路

为NB-IOT智能除湿机的SIM卡，数据走公网，走运营商的网络必须要有NB-IOT物联网卡。

四、基带芯片OpenCPU方案的NB-IOT智能除湿机软件设计

由于采用OpenCPU的开发方式，智能除湿机的业务应用全部在华为海思的基带芯片Hi2115上进行开发，软件的功能框图如下：

现在对软件部分进行说明：

1、Driver  API

这一层是在华为海思提供的基础软件HAL驱动库上对压缩机,温湿度传感器，按键，液晶，语音，液位检测，按键，SIM卡等外设进行封装。

2、华为 LiteOS 实时操作内核

位于华为海思提供的NB-IOT模组参考开源代码中，代码是基于华为自研的RTOS  LiteOS进行开发，该实时内核与FreeRTOS非常类似，但是功能更强大。NB-IOT的协议栈与智能除湿机的业务应用是基于实时内核进行开发，将任务的运行完全委托LiteOS进行调度，提升了代码的可读、易维护性和可扩展性。

3、System API

位于华为提供的参考源码中，其中设计到数据存储操作，代码升级FOTA，密钥产生、安全鉴权等，华为海思都是通过以lib库形式提供的，而该lib库是基于LiteOS实时内核进行封装，华为海思开放了了相应的接口供应用层进行调用，方便应用逻辑对固件升级、数据存储，密钥产生及分发，安全鉴权等功能进行系统调用。

4、NB-IOT CORE API

封装了NB-IOT通信协议栈中最核心的设备连接和管理能力，包括与基站信令的交互，核心网络的鉴权，码号管理等。该层也是以API的形式提供给到应用业务开发，方便应用开发获取NB-IOT的状态，进行数据收发等操作。

5、NB-IOT 通信协议栈任务

该任务是通过向NB-IOT CORE API 注册连接状态回调，接收数据回调，发送数据回调获取到NB-IOT物理层状态及数据连路层收发数据情况。将接收到的数据路由给DTLS, COAP及LWM2M协议层完成整个协议栈数据的解析及应答操作，同时向除湿机业务应用任务通过消息队列及信号量进行消息同步，实现任务之间的交互。

6、智能除湿机应用

这层为智能除湿机具体应用业务的实现，为了方便后续维护及管理，将智能除湿机业务应用分解为压缩机控制任务、温湿度采集任务、显示及按键任务、语音报警任务、空闲及休眠任务。

压缩机控制任务：

该任务通过从温湿度采集任务中获取到当前温湿度，通过和设定值进行比较，然后再进行PID运算，将运算结果转换成PWM控制压缩机驱动的可控硅，从而达到对压缩机的变频控制。

温湿度采集任务：

该任务通过I2C周期性从温湿度GXHT30芯片获取环境温湿度，并将温湿度通过消息队列发送给需要的任务。

显示及按键任务：

通过定时扫描及周期轮询，将环境温湿度及设定的温湿度在数码管模块上显示出来以及判读采集到的按键输入动作，并且将按键通过消息队列发送给需要的任务。

语音报警任务：

阻塞在消息队列上，当消息队列收到消息时，根据消息值驱动语音模块进行发声。

空闲及休眠任务：

虽然智能除湿机为常供电设备，但是从碳排放的角度来说功耗越低越好，整机系统在空闲及休眠任务中做了低功耗处理，来降低系统整机功耗，让整个基带芯片处于PSM状态，节省系统功耗，延长待机时间。

NB-IOT功耗转化图如下：

结束语

本文主要介绍一款在基带芯片上以OpenCPU开发方式的NB-IOT智能除湿机方案，该方案为通过物联网集中控制除湿机实现集中控制、数据采集，为大范围应用场景提供了方便，如需要干燥环境的大型仓库，通过对分布在不同区域的除湿机机型数据采集、分别控制温湿度节省了人力；该智能除湿机已经量产，现在广泛应用在市场上销售，目前应用到不同的场景，广受用户的喜爱。

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