張啟龍 陳湘萍

摘? 要： 針對移動(dòng)終端與智能硬件遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)對智能硬件結(jié)構(gòu)要求高、服務(wù)器編程復(fù)雜以及專用服務(wù)器成本高等問題，設(shè)計(jì)一種基于OneNET云平臺(tái)的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC15W4K56S4為主控制器，采用多傳感器融合采集家里的環(huán)境信息，以繼電器作為執(zhí)行器，應(yīng)用ESP8266無線WiFi通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺(tái)，通過PC網(wǎng)頁端或智能移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對家里環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用開放式的OneNET作為服務(wù)平臺(tái)，降低開發(fā)難度，節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭環(huán)境的功能，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單以及檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 智能家居; 遠(yuǎn)程控制; OneNET云平臺(tái); 多傳感器融合; 無線通信; 系統(tǒng)測試

中圖分類號(hào)： TN915?34; TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）14?0025?05

WiFi remote control smart home system based on OneNET cloud platform

ZHANG Qilong， CHEN Xiangping

（College of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract： In allusion to the high requirements of intelligent hardware structure， complex server programming and high cost of dedicated servers when the mobile terminal and intelligent hardware are connected remotely， a smart home remote monitoring system based on OneNET cloud platform is designed. In the system， the STC15W4K56S4 is used as its main controller， the multi?sensor fusion is adopted to collect the environmental information of the home， the relay is used as the actuator， and the ESP8266 wireless WiFi communication module is applied to the data transmission to the OneNET cloud platform， so as to achieve the remote monitoring of the home environment by the PC webpage terminal or the intelligent mobile terminal. The open OneNET is adopted as the system′s service platform to reduce development difficulty， save the development cost and shorten the development cycle. The experimental results show that the system can realize the function of remote monitoring of the home environment， and has the advantages of low cost， simple structure and high detection accuracy.

Keywords： smart home; remote control; OneNET cloud platform; multi?sensor fusion; wireless communication; system

0? 引? 言

一種智能型住宅系統(tǒng)就是智能家居系統(tǒng)。其主要是依靠安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)，以住宅為單元，通過對各住宅用戶的個(gè)性需求進(jìn)行融合，形成以住戶為主體，高效集成與住宅生活密切相關(guān)的設(shè)備，進(jìn)而提升智能家居化，提高住宅用戶的生活質(zhì)量，就是智能家居系統(tǒng)平臺(tái)的最終目標(biāo)[1]。本設(shè)計(jì)通過各種傳感器采集環(huán)境信息，以51單片機(jī)為核心，在物聯(lián)網(wǎng)的OneNET云服務(wù)器上，以WIFI?ESP8266無線模塊對其傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)被服務(wù)器接收后，用戶可通過PC網(wǎng)頁或移動(dòng)應(yīng)用軟件客戶端實(shí)現(xiàn)智能家居的環(huán)境監(jiān)控與繼電器的開關(guān)控制，對全球異地遠(yuǎn)程控制室外與室內(nèi)進(jìn)行支持。對此，本文擬展開如下研究論述。

1? 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所采用的是多傳感器融合，控制器以51單片機(jī)為核心，對光照強(qiáng)度、濕度、溫度等住宅環(huán)境進(jìn)行采集，可對是否有人非法入侵，通過人體熱釋電紅外傳感器監(jiān)測，蜂鳴器在有人闖入時(shí)，就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，發(fā)出聲光[2]。另外，可將路由器熱點(diǎn)通過WiFi無線模塊進(jìn)行連接，在物聯(lián)網(wǎng)OneNET云服務(wù)器中，可通過路由器的中轉(zhuǎn)上傳數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被服務(wù)器接收后，為了對智能家居的繼電器開關(guān)、LED燈光照明進(jìn)行控制，對環(huán)境溫濕度監(jiān)測，用戶可通過電腦PC網(wǎng)頁端或手機(jī)APP軟件客戶端等方式實(shí)現(xiàn)，其可在云端顯示安防報(bào)警提示，支持室外以及室內(nèi)局域網(wǎng)異地遠(yuǎn)程控制。圖1所示為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1? 云服務(wù)器的選擇

近年來最火爆的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)就是OneNET云平臺(tái)。它屬于PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，是中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司精心打造的，其優(yōu)點(diǎn)包括開發(fā)成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)、周期短等。除此之外，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備下線、修改、鑒權(quán)、激活、創(chuàng)建等整個(gè)生命周期的管理，可提供豐富的開發(fā)工具和多種多樣的API。同時(shí)，還可以準(zhǔn)確及詳盡地歸檔，獲取時(shí)間序列化的數(shù)據(jù)，并有效解決設(shè)備控制命令下行和實(shí)時(shí)通知消息推送，以及實(shí)時(shí)傳輸和路由等問題[3]。此外該平臺(tái)不僅支持Modbus，MQTT和其他訪問協(xié)議，還提供了通用的Socket接口和RESTfulAPI接口。因此，云服務(wù)平臺(tái)最好的選擇就是OneNET。

2.2? 微控制器模塊

STC15W4K56S4為微控制器所采用的芯片，在RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，STC15W4K56S4芯片具有較大的容量，可容納4 096 B，可當(dāng)作1路ADC使用，作掉電檢測，并支持比較內(nèi)部參考電壓與CMP、外部管腳CMP+與CMP-之間，可引發(fā)中斷。除此之外，它具有4個(gè)高速異步串行通信口，可實(shí)現(xiàn)各種傳感器的執(zhí)行器模塊功能、蜂鳴器聲光報(bào)警模塊、無線傳輸功能以及數(shù)據(jù)采集功能。SPI高速同步串行通信口可以對其進(jìn)行很好的滿足。

2.3? WiFi通信模塊

在混合模式通信時(shí)，采用ESP8266的AP+Station。其可以在其他主機(jī)上作為從機(jī)運(yùn)行，也可以進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行。ESP8266支持簡潔高效的AT指令，體積相對較小，性能較為穩(wěn)定，提供基站（AP+STA）+接入點(diǎn)和基站（STA）、接入點(diǎn)（AP）三種共存模式[4]。在連接到ESP8266的安卓終端時(shí)，作為一個(gè)Station，可以進(jìn)行無線控制，通過異步收發(fā)器（UART）連接到設(shè)備上。STC15W4K56S4和ESP8266之間的通信主要是通過STC15W4K56S4上的P0.0與端口TXD，STC15W4K56S4上的P0.1與ESP8266端口RXD之間的數(shù)據(jù)交換來完成。其中RXD和TXD都屬于串行數(shù)據(jù)端口，只是前者屬于串行數(shù)據(jù)接收端口，后者屬于串行數(shù)據(jù)發(fā)送端口。圖2所示為其工作原理圖。

2.4? 傳感器模塊

實(shí)現(xiàn)家庭安防監(jiān)控及家庭環(huán)境監(jiān)測兩個(gè)方面的監(jiān)控，就是智能家居系統(tǒng)的主要任務(wù)[5]。家庭環(huán)境監(jiān)控在對家庭進(jìn)行檢測時(shí)，主要通過光照強(qiáng)度、溫濕度等多種傳感器來實(shí)現(xiàn)，用家電開關(guān)控制繼電器與LED燈光照明，而安全監(jiān)控則在監(jiān)測過程中由HC?SR501人體紅外熱釋電來實(shí)現(xiàn)，然后將監(jiān)測及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶安卓終端。本文以溫濕度傳感器為例，一種單線數(shù)字輸出全量程校準(zhǔn)的復(fù)合傳感器就是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。這款傳感器測量精度為±1.0 ℃，溫度測量范圍為0～50 ℃;測量精度為±5.0%RH，濕度測量范圍[6]為20%～90%RH。圖3所示為電路圖。

2.5? 執(zhí)行器模塊

該模塊功能為控制家用電器，主要采用單向電磁繼電器，圖4所示為設(shè)計(jì)電路。

2.6? 電源模塊

電源模塊主要由兩部分組成：一部分為3.3 V直流穩(wěn)壓源，將5 V電壓通過一個(gè)LM1117三端集成穩(wěn)壓器及外圍電路的協(xié)調(diào)作用，在給WiFi通信模塊供電時(shí)，轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓;另一部分為5 V直流穩(wěn)壓源，在給各傳感器與主控芯片進(jìn)行供電時(shí)，可直接用充電寶進(jìn)行[7]。詳情如圖5和圖6所示。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元程序與執(zhí)行器控制程序?yàn)樵O(shè)計(jì)軟件的兩個(gè)部分。

數(shù)據(jù)采集單元程序：首先對WiFi模塊、定時(shí)器以及端口進(jìn)行初始化;其次對光照采集、紅外信號(hào)采集以及溫濕度采集，在OneNet平臺(tái)中通過WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;最后在PC網(wǎng)頁或手機(jī)APP終端實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。圖7所示為數(shù)據(jù)采集單元流程圖。

除上述數(shù)據(jù)采集單元程序外，設(shè)計(jì)軟件還包括執(zhí)行器控制程序：首先開始對WiFi模塊、定時(shí)器以及端口進(jìn)行初始化;其次對OneNet平臺(tái)中的數(shù)據(jù)，通過WiFi模塊進(jìn)行接收，之后掃描按鍵;最后對相應(yīng)繼電器的動(dòng)作，根據(jù)邏輯判斷結(jié)果進(jìn)行控制。圖8所示為執(zhí)行器控制流程圖。

3.2? 最小系統(tǒng)與云端的數(shù)據(jù)交互

此項(xiàng)目在完成ESP8266的AT指令交互時(shí)，主要通過ESP8266與STC15W4K56S4，基于WiFi模塊ESP8266與最小系統(tǒng)STC15W4K56S4建立UART通信。最小系統(tǒng)STC15W4K56S4控制WiFi模塊ESP8266時(shí)，主要通過AT指令集來實(shí)現(xiàn)，在WAN連接無線接入節(jié)點(diǎn)，與云平臺(tái)服務(wù)器OneNET建立TCP連接，對控制命令從云平臺(tái)進(jìn)行解析與接收，并使用EDP協(xié)議上傳數(shù)據(jù)包[8]。針對EDP協(xié)議數(shù)據(jù)上傳方式，具體的函數(shù)代碼如下：

voidpacketSend（edp_pkt*pkt）

{

if（pkt！=NULL）

{

WIFI_UART.write（pkt?>data，pkt?>len）;? ? ? ? ? ? //串口發(fā)送

WIFI_UART.flush（）;

free（pkt）;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//回收內(nèi)存

}

}

3.3? EDP協(xié)議的使用[9?12]

增強(qiáng)型設(shè)備協(xié)議為EDP（Enhanced Device Protocol），其根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特性，由OneNET平臺(tái)定制一種完全開放的基于TCP的協(xié)議。在能源、物流、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中已經(jīng)對其進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

斷開連接、控制命令、數(shù)據(jù)傳輸、心跳命令、設(shè)備認(rèn)證以及請求連接等部分為EDP協(xié)議的主要部分。首先，最小系統(tǒng)會(huì)將連接申請送達(dá)到服務(wù)器上，在收到服務(wù)器響應(yīng)后，會(huì)將認(rèn)證密鑰以及設(shè)備ID等認(rèn)證信息進(jìn)行發(fā)送，設(shè)備在云服務(wù)器和智能家居連接后，可在短時(shí)間內(nèi)從服務(wù)器接收控制命令或?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上;若在短時(shí)間內(nèi)設(shè)備未與服務(wù)器更新數(shù)據(jù)，就會(huì)將驗(yàn)證密鑰及設(shè)備ID等驗(yàn)證信息進(jìn)行發(fā)送，以此來保持設(shè)備在線，維持連接。EDP協(xié)議在該系統(tǒng)中的應(yīng)用，對于物聯(lián)網(wǎng)滿足的同時(shí)，還可以大幅度縮短開發(fā)周期，對接收功能、控制命令的發(fā)送以及傳感器數(shù)據(jù)的更新進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。EDP協(xié)議與HTTP協(xié)議相比，在設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷和設(shè)備控制效率方面有較強(qiáng)的優(yōu)勢。代碼直觀且易于理解就是HTTP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。較高的設(shè)備硬件要求，是其代碼操作的基本條件，這更適合于開發(fā)移動(dòng)設(shè)備或計(jì)算機(jī)設(shè)備的應(yīng)用程序，但是在微控制器平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議，設(shè)備過載的情況會(huì)比較容易出現(xiàn)。

4? 用戶操作界面設(shè)計(jì)

為了使用戶能夠在APP或PC網(wǎng)頁上操作，OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)應(yīng)用開發(fā)工具，可以實(shí)現(xiàn)開發(fā)移動(dòng)客戶端和Web應(yīng)用。另外，還設(shè)計(jì)一個(gè)帶有控制按鈕的界面，通過開發(fā)Web應(yīng)用程序，來顯示家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)，如溫度、濕度和光照強(qiáng)度[13]，如圖9所示。在應(yīng)用界面中，通過表盤和圖表顯示實(shí)時(shí)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云平臺(tái)中，通過圖形顯示一段時(shí)間內(nèi)室內(nèi)環(huán)境的變化。OneNET平臺(tái)還可以設(shè)置報(bào)警功能，當(dāng)人體紅外傳感檢測到人時(shí)，界面上的指示燈會(huì)變紅報(bào)警。

5? 系統(tǒng)測試

5.1? 實(shí)時(shí)信息反饋

將程序下載至單片機(jī)后，給系統(tǒng)上電。然后在中國移動(dòng)OneNET開發(fā)中心，通過移動(dòng)終端或電腦登錄，打開應(yīng)用界面。這時(shí)住宅實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)就可以在平板PC網(wǎng)頁端或電腦上看到，24 h所測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如表1、圖10所示。

5.2? 開關(guān)控制驗(yàn)證

遠(yuǎn)端設(shè)備控制部分的狀態(tài)可以通過按鈕實(shí)時(shí)地反映出來，如圖11所示。當(dāng)開啟電視、熱水器、空調(diào)、燈被控部分時(shí)，按鈕的綠燈就會(huì)亮起，家里有人時(shí)指示燈泡會(huì)變紅，而紅燈亮起為關(guān)閉狀態(tài)。從電腦PC網(wǎng)頁端來看，經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，按鈕改變狀態(tài)到設(shè)備有2 s延時(shí)，但實(shí)際情況還要依據(jù)網(wǎng)速而定。

6? 結(jié)? 語

本設(shè)計(jì)以STC15W4K56S4為核心，利用ESP8266和OneNET云平臺(tái)的特性，設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制的智能家居系統(tǒng)。它可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1） 通過溫濕度、光照強(qiáng)度等綜合檢測來完成家庭環(huán)境監(jiān)控;

2） 用戶在掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，可通過PC網(wǎng)頁端或手機(jī)APP進(jìn)行，并且指示燈和蜂鳴器超出報(bào)警限時(shí)，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警;

3） 在OneNET平臺(tái)，上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)家庭，通過網(wǎng)頁的方式不分時(shí)間、地域進(jìn)行訪問，還可以通過平臺(tái)，發(fā)送控制指令給控制模塊;

4） 通過WiFi模塊，執(zhí)行器模塊可以對OneNET平臺(tái)的指令與數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，進(jìn)而更好地控制執(zhí)行器的動(dòng)作。

經(jīng)過數(shù)次的測試證明，本系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、響應(yīng)速度快，可大力推廣。

注：本文通訊作者為陳湘萍。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟慶旭，姜保良，宋東明.一種基于OneNET云平臺(tái)和語音識(shí)別家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[J].中國高新科技，2018（16）：3?6.

[2] 史振江.基于stm32單片機(jī)的公寓安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，16（3）：58?62.

[3] 尤琦涵，陳兆仕，張沁.OneNET云平臺(tái)WiFi遠(yuǎn)程控制的智能教室系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017，17（10）：69?73.

[4] DING Fei， WU Fei， AI Chengwan， et al. Design and implementation of environmental monitoring system based on OneNET platform [J]. Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications （Natural science edition）， 2018， 38（4）： 24?29.

[5] 朱向慶，鄧浩欣，李嘉寶，等.基于STM32和Android的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（18）：179?183.

[6] 賴思其.基于無線傳感器溫室大棚環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[7] PENG Xiaohong， XING Xufeng， ZENG Hongjun. Intelligent farming system based on OneNet Internet of Things cloud platform [J]. Modern computer （Professional edition）， 2017（31）： 65?70.

[8] SUN Zhongxiang. Realization of remote monitoring system for intelligent agricultural greenhouses based on equipment cloud platform [D]. Harbin： Harbin University of Science and Technology， 2017.

[9] LIAKONI E， YATES C， DINES A M， et al. Acute recreational drug toxicity： comparison of self?reports and results of immunoassay and additional analytical methods in a multicenter European case series [J]. Medicine， 2018， 97（5）： e9784.

[10] VARGA Zoltán， EDWIN Van Der Pol， P?LMAI Marcell， et al. Hollow organosilica beads as reference particles for optical detection of extracellular vesicles [J]. Journal of thrombosis and haemostasis， 2018， 16： 1646?1655.

[11] KLEVJER H， VARMEDAL K A， AUDUN J. Extended HTTP Digest Access Authentication [M]// KAI Rannenberg. IFIP Advances in Information and Communication Technology. Heidelberg： Springer， 2013： 23?28.

[12] BUSCHSIEWEKE M， G?NE? M. Authentication for the web of things： Secure end?to?end authentication between CoAP and HTTP [C]// 2017 IEEE 28th Annual International Symposium on Personal， Indoor， and Mobile Radio Communications. Montreal： IEEE， 2018： 301?311.

[13] 崔世鋼，董江磊，梁帆，等.基于家庭物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)的智能植物生長柜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36（3）：110?113.