基于NB-IoT通信技术的智能多传感衣服设计.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.1(下)-32-高 新 技 术服饰的功能随着社会进步和人们生活水平提高变得多样化,除了遮体保暖等基本功能外,还出现了各种针对不同需求的功能性衣服。目前,市场中的保温衣服存在温度控制不智能、发热片不易拆洗以及功能单一等缺点,不能适应复杂多变的工作和生活环境,影响人们的使用体验。虽然文献1 和文献 2 设计了多功能智能保温衣服,但是都没有考虑网络拓展能力和多传感器的融合,应用还有一定的局限性。为了解决这些问题,本文设计一种利用 NB-IoT 通信技术实现智能多传感衣服的方案。智能多传感器衣服是一种具有多种功能的衣服,它不仅可以利用 DS18B20 温度传感器实现自动
2、保温,还具有远程定位、心率监测和语音通信等功能,使监护人可以通过 App 实时了解家人的位置、身体状况和语音信息,方便及时沟通和关怀。1 系统总体设计该智能多传感衣服的设计材质选用石墨烯面料,具有柔软、透气、安全和可水洗的特点。在帽檐内设置语音通信模块,可实时进行语音通信交流。衣服靠近心脏的位置搭载心率传感器,通过心率监测模块可以实时监测心率。在衣服左右口袋位置分别设置温度传感器以及控制按钮,智能温度调控模块可以根据外界以及人体的温度,自适应或手动调整温度。这种衣服基于 NB-IoT 通信,以 CC2530 模组搭建的无线 Zigbee 传感器网络为核心,融合多种传感器。其中,主要采用收集技术
3、,底层数据检测采用高性能 DS18B20 温度传感器、光电式心率传感器 ADPD174 模块以及语音播放模块,将采集的数据与 NB-IoT 模块通信,经过算法融合,打包发送至用户终端,可实时监测传感器信息,与此同时,用户也可以通过在终端设置不同的温度值和传输语音指令等信息传至 CC2530 模组,然后加热模块根据用户设置的温度值进行调节。其中,温度控制通过获取终端提供的天气情况进行温度分析,并通过 PID 算法智能调节至人体最适温度。NB-IoT 模块与用户终端建立联系,并提供用户的实时位置信息,保障用户的安全。其分为 4 层系统架构,分别为感知识别层、网络构建层、管理服务层以及综合应用层。1
4、.1 感知识别层感知识别层的作用为获取当前位置信息、温度、心率以及语音内容,及时获取上述信息,并将其发送至网络构建层,接收用户终端的指令并经过网络构建层传达至各传感器,如图 1 所示。麦克风接收语音信号,再通过基于蓝牙协议的语音通信模块收集语音内容。基于 Zigbee 协议的无线传感器网络包括DS18B20温度传感器和ADPD174心率传感器,温度传感器通过电子加热模块采集人体温度信息、心率传感器采集人的心率信息,再通过 NB-IoT 通信模块实现感知识别功能。1.2 网络构建层网络构建层是智能多传感器衣服的核心层,它负责传递和处理各种信息,类似人体的神经系统和大脑。如图2 所示,该层采用 Z
5、igbee 和 NB-IoT 协议相结合的方式,保证传感器之间和云服务器之间的有效通信,同时通过云服务器与用户端进行间接通信。另外,音频传输模块通过 Bluetooth 协议直接与用户端进行通信。这样,感知层获取的信息就可以经过网络构建层的处理和传递,达到下一层。1.3 管理服务层管理服务层是 NB-IoT 网络架构和产业链条的核心环节,它在整体设计中发挥了重要的作用。如图 3 所示,该层根据用户端反馈的信息,通过预设的算法控制传感器的工作状态,同时通过 NB-IoT 通信模块与感知层和综合应用层进行双向通信,为综合应用层提供应用开发能力和统一接口。1.4 综合应用层综合应用层的设计主要通过用
6、户终端实现位置信息获取、智能温控和音频输出等功能,用户可以根据自己的需求对温度、音量等参数进行设定,并实时监测和提示自己的心率状况。此外,后端服务中心还对用户上传的数据进行分析和整合,并根据用户反馈的意见进行优化,保证更好的服务质量,如图 4 所示。2 软件设计2.1 NB-IoT 远程定位技术衣物采用的 NB-IoT 技术作为互联网通信的分支,属于新兴的窄带物联网技术3。其支持待机时间长,同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖,也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT 具有以下 4 个特点:1)广覆盖。在同样的频段下,NB-IoT 比现有的网络增益 20dB 提升了 100倍覆盖
7、区域的能力,在信号较弱场景下同样具备较强的网络覆盖功能。2)具备支撑连接的能力。NB-IoT 一个扇区理论基于NB-IoT通信技术的智能多传感衣服设计张集英(山东工商学院,山东 烟台 264005)摘 要:针对全球增温导致极端气候频发,传统衣服已无法完全满足人们出行的需求等问题,本文设计了一种基于 NB-IoT 通信技术的智能多传感衣服,提出了一种将无线通信技术引入衣物,以实现远程定位、智能控温、心率监测以及实时通信等功能。该设计搭载了 DS18B20温度传感器并引入心率传感器、语音通信模块和智能充电3种核心模块。以石墨烯为主要材料设计多传感器衣服。关键词:温度传感器;NB-IoT 网络;嵌入
8、式系统中图分类号:TN91文献标志码:A中国新技术新产品2024 NO.1(下)-33-高 新 技 术上能够支持 10 万台设备连接,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。3)功耗更低。新兴的 NB-IoT 技术发展之初就是为吞吐量、成本和能耗都很低的物联网设备提供支撑。4)模块成本更低。得益于上述优势,该项目遵循安全稳定与低功耗的原则,使用 NB-IoT 技术进行远程定位与通信,并将各传感器采集的数据远程实时传入终端。衣物内部网络的协议主要为近距离通信效率非常高的紫峰ZigBee技术。由于其技术的传输范围为10m100m,通信距离过短,因此通过与 NB-IoT 节点间
9、的接力,形成协议调节器,增加其通信距离。NB-IoT 技术是借助各大运营商的移动蜂窝网络,实现了广域的覆盖和无线的移动。本项目将 NB-IoT 用于无线传感网接入应用的通道。不仅如此,由于衣服内部的无线传感器网络存在系统复杂、安全性不够以及联网接入难度较大等问题,因此该项目将传统的无线传感网络和面向低功耗、低成本、广覆盖和大容量需求的 NB-IoT 窄带物联网技术相结合。对 NB-IoT-WSN 组网方案进行对比,结合当前的现实条件,提出目前可以推广应用的可行方案。在该基础上设计一种能够进行数据帧转换和处理的双模网关,在 WSN 网与 NB-IoT 网之间进行高效的数据转换与数据融合。2.2
10、基于 PID 的智能控温算法衣物的内部的温度调节主要采用 PID 算法,PID 算法是常见的过程控制算法,在温度、压力以及流量等控制领域4NB-IOT通信模块麦克风电子加热模块语音通信模块数据收集温度传感器DS18B20心率传感器ADPD174基于 Zigbee 协议的无线传感器网络基于蓝牙协议感知识别层图 1 感知识别层云服务器Bluetooth协议NB-IOT通信模块无线传感器zigbee 网络用户终端协议调节器衣物内置无线传感器网络构建层图 2 网络构建层中国新技术新产品2024 NO.1(下)-34-高 新 技 术被广泛应用。传统 PID 算法如公式(1)所示。u tKe tTe tt
11、Te ttpit?10dddd(1)式中:Kp为比例系数;Ti为积分时间;Td为微分时间;u(t)为控制器的输出值;e(t)为系统输出值和观测值的误差。在实际应用中,需要将该连续公式转化为离散公式,因此需要进行替换,如公式(2)所示。u kK e kKe iKe ke kpiik?d11(2)式中:Ki为积分系数;Kd为微分系数;e(k)为第 k 个时刻的系统输出值与观测值的误差。本项目采用单一控制和复合控制相结合的温控仪控制算法,该算法需要温度传感器检测人体温度和环境温度,然后通过遗传 PID 算法5对温度进行调节。遗传 PID 算法是一种基于遗传算法的优化方法,它可以有效地避免传统 PID
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