基于NB_IoT与小无线的智能网关设计

基于NB_IoT与小无线的智能网关设计

戚一

（蚌埠依爱消防电子有限责任公司安徽蚌埠233000）

摘要：为解决老旧小区以及九小场所安防数据广域传输中低功耗、低成本的问题，设计了基于NB_IoT与小无线的智能网关。以MSP430F2252芯片为核心控制器，主要包括470Mhz射频小无线局域网络和NB-IOT网络，实现小无线局域网数据向广域网数据的传输功能。该智能网关可以与含有相同470MHz的射频独立式烟感及其它安防设备进行通信，实时获取相应设备的数据，并将数据通过NB-IoT网络传输到相应服务端，最终显示在用户手机客户端上。智能能网关采用直接插入插座的形式，具有相应的语音提醒和指示灯显示，方便用户使用和管理。

关键词：NB-IoT；470MHz；智能网关

引言

智能网关上行通信采用主流的NB-IoT技术，下行和各安防模块的通信采用470MHz射频通信。传统智能网关上行通信通常采用GPRS、WiFi、以太网等技术进行数据传输至智能云平台。文献[1]中使用GPRS技术完成了小区电力智能抄表的设计，但受到一定阻碍，如信号覆盖不稳定、传输距离受限、功耗大及数据量大造成的终端数据饱和等因素[2]。由于WiFi网络需要用户自己去配置相关的信息，且WiFi网络也存在一些不稳定的因素尤其是在公共场合。所以NB-IoT技术相较于WiFi来说，连接更加稳定。但是使用NB-IoT技术进行数据传输，运营商会收取一定的资费，如果小区或者用户所有的安防模块均采用NB-IoT进行连接，一方面会产生较多的资费，另一方面数量较多也不便于分类管理。

本文设计了基于窄带物联网NB-IOT技术的小无线设备接入智能网关，采用国内已搭建完成的公共射频网络[2]，应用TI公司的MSP430F2252单片机，运行稳定可靠。配合智能云平台以及智能手机，可以将相应的小无线设备数据及时更新到用户手机APP上。方便用户远程监控了解家里的情况。解决了家庭物联网中数据广域低成本传输中节能降耗的问题。

图1

图2

1、系统总体设计方案

根据NB-IoT发展现状，NB-IoT智能网关部署架构包括智能网关终端、智能云平台及用户接收终端，如图１所示。其中各烟感设备通过470MMhz射频与智能网关进行通信，将其设备的不同状态传输给智能网关。然后智能网关通过一定的协议转换，将相应设备的信息通过NB基站传输到智能云平台进行处理，再推送到用户手机客户端上。用户可以根据手机客户端实时查看相应的烟感状况。

图3

2、智能网关硬件设计

2.1智能网关的整体电路

智能网关整体装配采用“汉堡式”结构，第一层为AC/DC电源电路，第二层为主控板电路，第三层为扬声器安装位置，整体采用插拔式的组装，组装好以后，用户可以直接插在接有AC220V（10A）市电的单相三孔接地插座上上，无需其他接线等操作，方便用户使用。总体电路设计如图2。

2.2主控电路设计

本文智能网关MCU采用TI公司的MSP430F2252单片机，该单片机功耗较低，单片机内部资源可以满足作为该智能网关的应用功能。主控电路部分通过串口与NB-IoT模组进行通信，通过SPI通信方式与470Mhz射频电路进行通信，通过一线串口控制语音功放电路。烟感有数据传过来的时候，470Mhz射频电路会触发主控MCU的中断口进行相应数据处理，主控MCU将处理过的数据通过NB-IoT电路发送到智能云端作进一步处理解析，同时发送相应的指令控制语音功放电路进行语音播放。

2.3NB-IoT电路设计

NB-IoT电路包含NB-IoT模组以及相应的SIM卡电路。所选用的NB-IoT模组支持三网通，可以满足用户对不同运营商的使用需求。SIM卡部分电路采用卡槽的形式，方便用户更换不同运营商的NB-IoT物联网卡，该电路中加入了TVS管，可以防止用户插拔卡时产生的静电对电路造成损坏。

3、系统软件设计

3.1系统软件整体工作流程

（图3）

3.2各部分程序设计

当烟感发生异常情况时，会将数据发送出去，而一直处于接收状态的智能网关，接收到数据后，会对数据进行过滤处理，提取出有用的信息数据，并将这些信息数据从新打包，最后将新的一包数据通过NB模组发送到云端最终由服务端进行处理，推送到客户端。三部分程序采用了双向校验的过程，确保数据传输和接收的可靠性，同时又减少烟感不必要的数据发送带来的功耗问题。当烟感接收到应答数据后，便不再进行该状态下的数据发送

4、总结

本文所设计的智能网关是基于NB-IoT通信技术和470Mhz射频通信技术共同作用下所实现，470Mhz射频通信技术可以组成小局域网，各种设备的数据可以互相交互，智能网关采集到相应数据后，作进一步的处理。NB-IoT技术，在相同发射功率下覆盖比LTE增加20dB，信号穿透性强。该智能网关对于场合的适应性较强，能很好的应用在较多场合。

参考文献

[1]董智勇．基于GPRS/GSM的小区电力智能抄表系统[J].中原工学院学报，2006(3):48-50.

[2]于滢，谢涛，矫鲁平，苏维均．基于NB-IoT的智能网关设计[J].计算机测量与控制.2019．27(1):176-180.