鄭璐豪，鄧世杰，陽 韜

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院計算機工程學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

在智能聯(lián)網(wǎng)的時代里，物聯(lián)網(wǎng)正處于高速發(fā)展中，隨著需求的不斷增多，越來越多可節(jié)省人力的組件應(yīng)該被實現(xiàn)。而在諸多的用電器密集區(qū)域如商場、工廠、高校教學(xué)樓以及宿舍單位中，其用電設(shè)備都會有管理困難、用電數(shù)據(jù)模糊，甚至是一些有著高危險系數(shù)用電器的工廠。而這些場景都可以依靠該項目中的系統(tǒng)搭建出一套體系，該系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)可視化，遠程集中管理，智能開關(guān)用電設(shè)備。在降低人力成本的同時還能降低資源的消耗，同時對與較為危險的工廠可很大幅度地降低其危險系數(shù)。

因此，本文設(shè)計一種基于ZigBee與MQTT的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)上述功能。整套系統(tǒng)為了兼容多棟、多層、多間的場景以及便于管理，采用分布式設(shè)計，通過上層控制機對多個下層控制機管理來實現(xiàn)，并且所用的軟件其搭建的框架也能夠多系統(tǒng)運行，對微機的要求降低并且兼容性也更高。為了順應(yīng)移動智能設(shè)備的發(fā)展，該套系統(tǒng)使用uni－app開發(fā)出對應(yīng)的網(wǎng)頁版、小程序等等多種版本，讓教室的管理人員和預(yù)約人員都能用手機等移動設(shè)備做到遠程控制、遠程監(jiān)控或遠程申請。直接點觸控制的方式能讓使用者更加便捷地使用該系統(tǒng)，同時也符合現(xiàn)代科技發(fā)展的趨勢。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體由用于存放前后端以及數(shù)據(jù)庫的云服務(wù)器、運行在Linux微機或樹莓派上的MQTT服務(wù)器，以及和用電器互通的硬件集群3大模塊組成，如圖1所示。

圖1 總體布局

為了滿足外網(wǎng)可訪的需求，故采用了云服務(wù)。其中云服務(wù)主要構(gòu)成為前后端、數(shù)據(jù)庫。而采用云服務(wù)器最大的優(yōu)點是可以獲取一個公網(wǎng)IP搭配域名解析直接訪問網(wǎng)站。用戶通過訪問該服務(wù)器下的相關(guān)功能界面進行頁面的請求發(fā)送，并獲取服務(wù)器返回的相關(guān)數(shù)據(jù)。同時將數(shù)據(jù)庫放置云服務(wù)器便于后端的訪問，且提高了數(shù)據(jù)的安全性。

為了降低成本，MQTT服務(wù)器則是搭建在一臺處于局域網(wǎng)內(nèi)的Linux微機或樹莓派上。此服務(wù)器中有著能通過MQTT接收發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)的Qt程序，同時服務(wù)器通過直接獲取云端數(shù)據(jù)庫的信息，通過實時監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫將改變后的數(shù)據(jù)發(fā)送給硬件集群，實現(xiàn)指令發(fā)送。并且在硬件部分有相關(guān)任務(wù)被執(zhí)行后也會將數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)庫作更新操作。

在硬件方面，主要采用可聯(lián)網(wǎng)STM32控制板和ZigBee無線傳輸模塊以及繼電器組成一整個控制體系。在無線傳輸模塊收到無線信號將數(shù)據(jù)傳至控制板處理，并將處理結(jié)果以高低電平的方式作用于繼電器上使繼電器開閉，達到用電器開關(guān)。

整套系統(tǒng)數(shù)據(jù)走向清晰，層級分明，通過將物聯(lián)網(wǎng)與小程序相結(jié)合，在便于客戶使用的同時也符合科技發(fā)展趨勢。

2 前端界面

該項目在前端上有H5端以及該H5端對應(yīng)的一個后臺管理系統(tǒng)（PC端），在H5端上采用了uni－app框架進行開發(fā)［1］，因為考慮到后續(xù)可能還有小程序端、APP端，所以就采用了uni－app這個跨平臺框架，該框架是一個使用Vue.js開發(fā)所有前端應(yīng)用的框架，開發(fā)者編寫一套代碼，可發(fā)布到iOS、Android、H5，以及各種小程序等多個平臺。

后臺管理系統(tǒng)使用了Vue.js框架配合Element－ui組件庫進行開發(fā)。H5端以及后臺管理系統(tǒng)都使用axios作為網(wǎng)絡(luò)請求庫，并且在開發(fā)上遵循組件化和模塊化的開發(fā)思想，組件化能提高前端代碼的復(fù)用性及閱讀性。模塊化是指根據(jù)業(yè)務(wù)的需求將代碼進行隔離成獨立的模塊，這樣能讓后續(xù)的項目更好地進行維護，也滿足高內(nèi)聚、低耦合的軟件開發(fā)思想。

3 服務(wù)器部分

3.1 前后端服務(wù)器

該項目在服務(wù)端使用node.js的egg.js框架進行開發(fā)，egg.js是一個由阿里巴巴開發(fā)的基于Koa現(xiàn)有約束和規(guī)范的“企業(yè)級web開發(fā)框架”，該框架現(xiàn)在也廣泛使用在阿里內(nèi)部的項目里。這個框架也做了很多安全的防范，比如幫助防止csrf攻擊。更重要的是egg.js按照一套統(tǒng)一的約定進行應(yīng)用開發(fā)，有了制定好的約定，不需要團隊去協(xié)商制定規(guī)范進行開發(fā)，這樣可以減少開發(fā)人員的學(xué)習(xí)成本，防止因為規(guī)范協(xié)商問題造成溝通成本的提高。

在操作數(shù)據(jù)庫上，不再使用傳統(tǒng)的sql語句進行操作，而是使用Sequelize，它是一個基于promise的Node.js ORM。sequelize本質(zhì)上是對sql語句上進行了封裝［2］，而使用sequelize能幫助通過代碼進行建表，以及模型關(guān)聯(lián)，聯(lián)表查詢，從而提高開發(fā)效率，如圖2所示。

圖2 前后端服務(wù)器

由于該項目為前后端分離結(jié)構(gòu)，所以前后端的代碼分別部署在兩個服務(wù)器上。服務(wù)器采用了阿里云的ecs云服務(wù)器。但是在前后端分離的項目里，前端向后端發(fā)起請求的時候，會產(chǎn)生跨域，而跨域是出于瀏覽器的同源策略的限制，同源策略會阻止一個域的javascript腳本和另外一個域的內(nèi)容進行交互，“協(xié)議／一級域名／二級域名／端口號”有一個不同就是跨域。而解決辦法可以通過后端服務(wù)器去設(shè)置允許前端跨域的地址，或者在前端通過方向代理的方式去解決，而使用方向代理用戶不知道自己真正訪問的是誰，只知道自己訪問了一臺服務(wù)器，然后通過這臺服務(wù)器去分發(fā)到其他服務(wù)器，而請求都是這臺服務(wù)器分發(fā)的，所以也就解決了跨域的問題。

3.2 MQTT服務(wù)器

MQTT服務(wù)器在該項目中充當一個數(shù)據(jù)橋梁以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的角色。在該服務(wù)器中除了要運行MQTT的服務(wù)組件外，還要運行由Qt框架［3］所搭建的MQTT數(shù)據(jù)橋梁接通程序。該程序也是所有MQTT服務(wù)器中客戶端的一員，充當數(shù)據(jù)的“接收發(fā)員”。該程序采用開源的emqx／qmqtt的開源模塊［4］交叉編譯構(gòu)成MQTT的客戶端模塊組件進行編寫，并采用MySql的Qt官方驅(qū)動于數(shù)據(jù)庫進行對接。程序直接連接云服務(wù)上的數(shù)據(jù)庫，由于Qt與MySql的庫文件中沒有數(shù)據(jù)庫實時監(jiān)聽的模塊［5］，固采用“偽監(jiān)聽”的方式實時關(guān)注數(shù)據(jù)庫的改動，通過定時器設(shè)定每秒查詢一次當前狀態(tài)表中的關(guān)鍵字段，與舊狀態(tài)表中的記錄作比較，若比較結(jié)果不同，則在對應(yīng)主題下發(fā)送對應(yīng)的變動指令，同時修改舊狀態(tài)表。硬件部分在執(zhí)行完相關(guān)指令后會反饋相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在被Qt程序截獲后會被轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的操作記錄寫入日志中保存。

若硬件端所連的用電設(shè)備被人為手動開關(guān)，則根據(jù)硬件的設(shè)計，在人為開關(guān)后都會返回一個反饋信息，當程序的一個特定訂閱反饋信息的客戶端收到該反饋信息后會根據(jù)回傳數(shù)據(jù)生成對應(yīng)的修改數(shù)據(jù)庫命令直接更新數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)字段。

同時程序也有對應(yīng)的定時功能，用戶可以自主設(shè)定時間，在固定時間內(nèi)自動發(fā)送關(guān)閉或開啟命令，可執(zhí)行全部關(guān)閉或按類別關(guān)閉，并且程序會自主維持一個長運行操作，會在每日12點整的時候作重啟動作，將所有客戶端重置后重新連接，達到message編號歸零的操作，如圖3所示。

圖3 MQTT服務(wù)器

在這里展示項目中的教室控制案例中的數(shù)據(jù)格式。在數(shù)據(jù)格式上采用JSON數(shù)據(jù)格式，通過協(xié)商好的鍵值對，如表1所示。

表1 系統(tǒng)控制指令格式

4 硬件部分

4.1 電路結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件部分是通過STM32單片機接收MQTT的消息，然后使能繼電器，進而控制電器開關(guān)來實現(xiàn)的。

繼電器的工作原理是將一個簡單回路的一根導(dǎo)線一分為二，導(dǎo)線一端連接繼電器公共端，另一端連接在繼電器常開端。當繼電器接收到使能信號，繼電器的公共端和常開端連接在一起，將電路恢復(fù)到正常狀態(tài)。

傳統(tǒng)電器開關(guān)大多是用單刀單擲開關(guān)，配合繼電器的使用會出現(xiàn)一種狀況：用戶需要手動控制開關(guān)，但是MQTT服務(wù)器沒有發(fā)送消息，繼電器沒有被使能，導(dǎo)致用戶無法正常使用電器。針對這種情況，本系統(tǒng)對電器開關(guān)進行一些改進。

本系統(tǒng)使用單刀雙擲開關(guān)作為繼電器和電器開關(guān)［6］，單片機引出兩條導(dǎo)線，一條導(dǎo)線連接到繼電器，為繼電器提供使能信號；另一條導(dǎo)線連接在電路，作為電流檢測，如圖4所示。當電路是通路或者斷路時，單片機會識別出當前電路狀態(tài)，然后反饋到MQTT服務(wù)器。用戶手動控制開關(guān)不受影響，同時服務(wù)器也能知道當前電器狀態(tài)。

圖4 開關(guān)改進

4.2 STM32單片機

STM32單片機是硬件結(jié)構(gòu)的核心部分，搭載LAN8720A以太網(wǎng)卡配置物理層，使用Lwip輕量IP協(xié)議配置數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層。當STM32單片機連接上以太網(wǎng)之后，配置相關(guān)信息進而連接上MQTT服務(wù)器，單片機和服務(wù)器可以相互收發(fā)消息。

STM32單片機和MQTT服務(wù)器通信時使用JSON數(shù)據(jù)格式，單片機調(diào)用cJSON庫可以對數(shù)據(jù)進行解析和打包［7］。

4.3 ZigBee

在一個場景中并不需要所有電器設(shè)備都要入網(wǎng)，只需要至少一個聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接收MQTT服務(wù)器的消息，然后使用ZigBee自組網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去［8］，也能達到控制的目的。ZigBee無線傳輸技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中也是經(jīng)常使用到的技術(shù)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)經(jīng)過實踐操作，利用高校中的教學(xué)樓作為實踐對象，順利通過測試。經(jīng)過測試，與傳統(tǒng)的教室控制系統(tǒng)相比，在使用服務(wù)器以及路由器的搭橋之下實現(xiàn)了根據(jù)課表時間自動控制用電設(shè)備的開關(guān)，通過指令的方式控制教室中的用電器開關(guān)并返回相關(guān)用電設(shè)備的用電情況，比傳統(tǒng)的系統(tǒng)更加智能，也大大降低了教室用電成本以及人力維護成本。該系統(tǒng)也可用于其他場景，具有一定的經(jīng)濟和社會效益。