闕鳴健，盛慶華，謝傳官

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

基于CC3200的智能云家居系統(tǒng)*

闕鳴健，盛慶華，謝傳官

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

隨著物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的高速發(fā)展以及云計算時代的來臨，建設(shè)智能家居系統(tǒng)的進程逐步加快。針對智能云家居系統(tǒng)的設(shè)計邏輯提出如下解決方案：圍繞集成WiFi模塊的CC3200芯片設(shè)計智能云家居系統(tǒng)，利用ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)搭建家庭網(wǎng)絡(luò)并部署包括空調(diào)、音響、傳感器在內(nèi)的設(shè)備節(jié)點。采用串口標準的通信協(xié)議實現(xiàn)CC3200系統(tǒng)板通過ZigBee協(xié)調(diào)器間接對智能家居系統(tǒng)中的各個家庭設(shè)備的檢測和管理。同時CC3200在應(yīng)用層扮演了HTTP客戶端的角色，定時訪問云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫以獲取用戶最新需求信息，并且將用戶的信息反饋到傳感器節(jié)點上。用戶能夠通過微信公眾平臺發(fā)送需求信息對家居內(nèi)的各個設(shè)備進行監(jiān)控，該微信公眾平臺將會與云服務(wù)器通信以完成數(shù)據(jù)庫的信息錄入。

智能家居；CC3200；新浪云(SAE)；ZigBee；微信公眾平臺；數(shù)據(jù)庫

0 引言

智能家居是以住宅為平臺，集成網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制、電源管理、綜合布線、音視頻/流媒體等技術(shù)的管理系統(tǒng)。目前，發(fā)達國家的智能家居已經(jīng)獲得長足發(fā)展。如：美國的x-10、CEBus和Lonwork，日本的HBS以及歐洲的EIB和EHS等在國際上影響深遠。而國內(nèi)對智能家居和家庭網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)品的研制起步較晚。近年來，隨著全球智能化趨勢的快速發(fā)展以及國家出臺相關(guān)政策的推動，物聯(lián)網(wǎng)通信、云計算等技術(shù)得到大力扶持，創(chuàng)建高效、便捷的家庭環(huán)境有了更加堅實的技術(shù)基礎(chǔ)?；谏鲜鲈蛞约皩嶋H情況，本文提出了一種基于CC3200[1]和云計算平臺的智能家居系統(tǒng)的解決方案,融合當下流行的微信(WeChat)平臺技術(shù)和ZigBee家庭組網(wǎng)技術(shù),以及具有海量數(shù)據(jù)處理能力的新浪云SAE(SinaAppEngine)平臺來構(gòu)建智能家居系統(tǒng),以滿足家庭智能的個性化需求,提高智能家居系統(tǒng)的決策能力和聯(lián)動控制能力。

1 系統(tǒng)工作原理

本項目是基于CC3200設(shè)計的無線智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。家居客戶端以CC3200+ZigBee協(xié)調(diào)器為核心組建家庭網(wǎng)關(guān)，CC3200工作在基站模式接入無線路由AP連接外網(wǎng)，同時利用ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)連接家庭網(wǎng)絡(luò)中安裝的設(shè)備節(jié)點組建家庭內(nèi)網(wǎng)。采用串口標準通信協(xié)議實現(xiàn)CC3200系統(tǒng)板通過ZigBee協(xié)調(diào)器間接對智能家居系統(tǒng)中的各個家庭設(shè)備(紅外控制、溫濕度監(jiān)測、臺燈控制、音頻編解碼控制)進行控制和管理。云服務(wù)器端以LNMP(Linux+Nginx+MySQL+PHP)為架構(gòu)，Nginx作為輕量級的HTTP服務(wù)結(jié)合MySQL的存儲功能存儲用戶通過微信公眾平臺發(fā)送的信息，并提供給家庭網(wǎng)關(guān)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 云服務(wù)器端設(shè)計

2.1 云服務(wù)器端軟件架構(gòu)

圖2 服務(wù)器框架

新浪云(SinaAppEgnine,SAE)服務(wù)器端[2]采用LNMP(Linux+Nginx+MySQL+PHP)架構(gòu)，操作系統(tǒng)選擇紅帽系統(tǒng)(Red Hat Enterprise Linux,RHEL)分支中的Centos7.0,并部署Nginx作為Web服務(wù)器，相比于傳統(tǒng)使用Apache的方案，Nginx展現(xiàn)出了諸多優(yōu)點，例如在使用更少資源的情況下支持更多的并發(fā)連接。Nginx通過服務(wù)內(nèi)置的通用網(wǎng)關(guān)接口(Common Gateway Interface,CGI)尋找指定目錄下的腳本語言解析生成靜態(tài)頁面并交付給客戶端，程序使用PHP5.3版本作為云端的開發(fā)語言。數(shù)據(jù)庫部分基于MySQL 5.6開發(fā)，可以快速實現(xiàn)主從節(jié)點、高可用服務(wù)、自動備份、在線擴容以及監(jiān)控等各種管理功能。圖2為服務(wù)器框架。

2.2 HTTP請求與響應(yīng)

2.2.1 微信與云端

在微信公眾平臺[3]配置統(tǒng)一資源定位符(Uniform Resource Locator,URL)和Token用于消息發(fā)送及簽名驗證，當微信用戶向公眾號發(fā)消息時，微信服務(wù)器將該消息在應(yīng)用層以超文本傳輸協(xié)議(HyperText Transfer Protocol,HTTP)封包并POST到填寫的URL上,消息內(nèi)容在封包中以擴展標記語言(eXtensible Markup Language,XML)存儲，XML具有規(guī)范統(tǒng)一、可擴展性等多個優(yōu)點，具體格式如下：

"

”

URL填寫在云端針對微信編寫的消息回復實例wx_response.php[4]，Token使用weixin作為雙方驗證的令牌。云端wx_response.php的處理邏輯是在接收到微信服務(wù)器發(fā)送的消息后，首先進行令牌驗證：

define("Token", "weixin");

驗證通過后調(diào)用響應(yīng)函數(shù)responseMsg()；內(nèi)容如下：

public function responseMsg()

{

$postStr=$GLOBALS["HTTP_RAW_POST_DATA"];

//獲取POST的原始數(shù)據(jù)

if (!empty($ postStr))

{

$postObj=simplexml_load_string

($postStr,′SimpleXMLElement′,LIBXML_NOCDATA);

//解析XML字符串并載入到對象中

{

…

//進行后續(xù)編碼

}

//將記錄存儲至數(shù)據(jù)庫中

$mysql = new SaeMysql();

//新建一個數(shù)據(jù)庫對象

$sql = “insert into Weixin_IOT(MsgID,FromUser,CreateTime,MsgType,Content,ID)values(‘$MsgId’,′$fromUsername′,′$time′,′$msgType′,′$keyword′)”;

//填寫Sql語句并賦值

$mysql->runSql($sql);

//運行Sql語句插入記錄

$mysql->closeDb();

//關(guān)閉該對象

…

//后續(xù)處理

echo $resultstr;

//反饋處理結(jié)果

}

}

手機微信端在發(fā)送信息之后會收到相應(yīng)的反饋，如發(fā)送“請打開臺燈”，得到反饋“臺燈即將打開”，相關(guān)代碼如下：

if(strstr($keyword,"臺燈"))

{

if(strstr($keyword,"開"))

{

$keyword = "LEDon";

$resultstr = "臺燈即將打開";

}

else if(strstr($keyword,"關(guān)"))

{

$keyword = "LEDoff";

$resultstr = "臺燈即將關(guān)閉";

}

}

2.2.2 CC3200與云端

CC3200會定時發(fā)送HTTPGET請求至云端以獲取數(shù)據(jù)庫中最新的信息。同樣，云端部署了CC3200_response.php用以對接其訪問。在收到主控板發(fā)起的請求后，網(wǎng)頁登錄數(shù)據(jù)庫獲取信息并反饋，代碼如下：

$link=mysql_connect($db_host,$db_user,$db_pass);

//連接數(shù)據(jù)庫

mysql_select_db($db_name,$link);

$sql="select * from Weixin_IoT;";

//進行查操作，遍歷數(shù)據(jù)庫表單

$result=mysql_query($sql,MYMlink);

while($row=mysql_fetch_array($result))

//提取表單原始內(nèi)容

{

/**信息處理**/

}

echo "ID=".$id."&"."Msgid=".$msgid." &"."Fromusername=".$Fromusername.

"&"."content=".$content;

//回顯內(nèi)容至主控板

獲取到最新用戶請求后，CC3200進行局域網(wǎng)內(nèi)的任務(wù)分配工作。

2.3 數(shù)據(jù)庫存儲

MySQL是一種開放源代碼的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(Relational Database Management System,RDBMS)。MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用最常用的數(shù)據(jù)庫管理語言——結(jié)構(gòu)化查詢語言(Structured Query Language,SQL)進行數(shù)據(jù)庫管理。MySQL因其提供的接口支持多語言、多平臺的特征，具有極強的可移植性，同時其核心程序采用完全的多線程編程，可以靈活地為用戶提供服務(wù)并不過多地占用系統(tǒng)資源，在實際工程項目中得到了廣泛的應(yīng)用。本項目中數(shù)據(jù)庫部分使用5 GB存儲容量，根據(jù)實際工程支持在線擴容、在線縮容等操作。數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)如表1所示(記錄創(chuàng)建時間以Unix時間戳表示)。

表1 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)

3 家居客戶端設(shè)計

3.1 家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

圖3 智能家居網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

智能家居網(wǎng)關(guān)[5]的軟件架構(gòu)是與七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對應(yīng)的分層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。硬件部分由CC3200系統(tǒng)板和一個ZigBee協(xié)調(diào)器組成，CC3200運行實時操作系統(tǒng)FreeRTOS，集成的WiFi模塊工作在Station模式連接無線路由器AP，至此，網(wǎng)關(guān)的IP成功被分配，網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層的配置工作完成。CC3200調(diào)用OS組件提供的相關(guān)應(yīng)用程序編程接口(Application Program Interface,API)(socket相關(guān))以完成傳輸層的配置，在成功與云端進行TCP 3次握手后，配置TCPSendBuff內(nèi)容為HTTP格式，完成應(yīng)用層的封包。

圖4為封包程序流程圖。CC3200通過串口協(xié)議控制ZigBee協(xié)調(diào)器并間接實現(xiàn)與各個ZigBee設(shè)備節(jié)點的通信任務(wù)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)層及以上封包程序流程圖

3.2 ZigBee家庭網(wǎng)絡(luò)組建

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[6]，也是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)方案，主要用于短距離通信。方案中采用星型網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)組件ZigBee網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)是由一個PAN協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點組成。選取與CC3200級聯(lián)的ZigBee作為PAN協(xié)調(diào)器，其余設(shè)備節(jié)點各自部署ZigBee模塊與協(xié)調(diào)器直接單獨通信。家庭網(wǎng)絡(luò)的通信邏輯圖如圖5所示。

圖5 家庭網(wǎng)絡(luò)通信邏輯圖

3.3 設(shè)備節(jié)點

3.3.1 智能插座模塊

智能插座內(nèi)部由繼電器和ZigBee芯片構(gòu)成，通過ZigBee的IO口控制繼電器的開啟/關(guān)斷狀態(tài)。

3.3.2 紅外發(fā)送模塊

ZigBee通過串口控制紅外模塊工作在學習狀態(tài)，學習傳統(tǒng)遙控器發(fā)送的各工作模式對應(yīng)的紅外信號并保存。模塊附帶4個紅外發(fā)射頭以提高發(fā)射功率。

3.3.3 音頻解碼模塊

音頻解碼模塊搭載STM32最小系統(tǒng)板、8 G容量SD卡和以vs1003為核心的音頻解碼器SD卡存儲*.mp3文件，通過STM32的SPI總線傳輸給vs1003用于音頻解碼，解碼輸出的模擬信號通過3.5 mm音頻接口外接音響播放。模塊程序流程圖如圖6所示。當用戶希望播放某首歌曲時，通過微信公眾平臺發(fā)送歌曲名至云端，CC3200訪問云端獲取到實時信息并將信息通過ZigBee協(xié)調(diào)器傳遞給音頻模塊內(nèi)置的ZigBee節(jié)點，模塊收到指令后開始工作：初始化SD卡及文件系統(tǒng)并檢索曲目，當找到了指定歌曲后傳輸給vs1003模塊對mp3文件進行解碼操作。音響開始播放歌曲并等待下一次指令的來臨。

圖6 音頻模塊工作程序流程圖

3.3.4 傳感器模塊

傳感器模塊包含CO傳感器、CO2傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器等子模塊和STM32最小系統(tǒng)板。CO傳感器用于煤氣報警檢測，CO2傳感器、溫濕度傳感器用于火災(zāi)報警檢測。兩個氣體傳感器模塊輸出模擬信號，輸入STM32單片機后通過內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。溫濕度傳感器通過配置單片機的通用輸入輸出接口(General Purpose Input Output,GPIO)，使用單總線協(xié)議的工作時序完成數(shù)據(jù)的讀取，IO口工作在漏極開路模式，已允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于CC3200和云計算平臺[7]的智能家居控制系統(tǒng)。通過對整體通信方案的規(guī)劃和軟硬件的設(shè)計調(diào)試，成功達到預期的家居監(jiān)控效果，實現(xiàn)了家居設(shè)備的智能化。同時此方案的設(shè)備終端不僅僅局限于文中所述，可根據(jù)不同的家庭智能化需求進行定制，在智能家居領(lǐng)域具有一定的參考價值。

[1] 郭書軍,范玉強.基于CC3200的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2016, 6(10):94-96.

[2] YE X,HUANG J.A framework for Cloud-based smart home[C]. Proceedings of 2011 International Conference on Computer Science and Network Technology (ICCSNT), 2011.

[3] 吳川環(huán). 基于微信控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的服務(wù)器系統(tǒng)[D].廣州：廣東工業(yè)大學, 2015.

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[5] 高聚銀.基于云平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2013,12(2):125-127.

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[7] 王鵬，黃華鋒，曹柯,等.云計算——中國IT的未來戰(zhàn)略[M].北京:人民郵電出版社,2010.

Smart Cloud home system based on CC3200

Que Mingjian, Sheng Qinghua, Xie Chuanguan

(School of Electronic Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

With the rapid development of Internet communication technology and the coming of age of cloud computing, the process of building smart home system is gradually accelerated. This paper presents the following solutions for the design logic of intelligence cloud home system: design of intelligence cloud home system based on integrated WiFi module CC3200 chip, use of ZigBee networking technology to bulid a home network and deploy equipment, including air conditioning, audio, sensors nodes. Through the serial communication protocol to achieve the CC3200 system board through the ZigBee coordinator to test and manage the household equipment of the smart home system. CC3200 plays the role of HTTP clients in appliction layer, and regularly accesses databases on the server to get the latest demand information of the users, and feedback to the sensor nodes. Users can send listings through the public platform to monitor various devices in the home,the wechat will communicate with cloud server to complete the database information input.

smart home; CC3200; SinaAppEngine; ZigBee; WeChat; database

2016年浙江省大學生新苗人才計劃(2016R407012)

TP39

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.004

闕鳴健，盛慶華，謝傳官.基于CC3200的智能云家居系統(tǒng)[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(15)：12-15.

2017-02-15)

闕鳴健(1995-)，男，本科生，主要研究方向：云計算、電子系統(tǒng)集成。

盛慶華(1978-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：電子系統(tǒng)集成、能量收集。

謝傳官(1995-)，男，本科生，主要研究方向：儀器儀表、無線傳輸。