基于云服務(wù)Wi-Fi的家電物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 Wi-Fi模塊

　　Wi-Fi模塊選用上海漢楓公司的低功耗嵌入式模塊，其內(nèi)置嵌入式固件和收發(fā)天線(xiàn)，可通過(guò)此模塊與傳統(tǒng)家電的低端串口通訊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)家電物聯(lián)網(wǎng)的接入。Wi-Fi模塊的制作原理圖如圖4所示。

　　Wi-Fi模塊通過(guò)串口(UART)來(lái)把其接收到的編碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，家電的反饋狀態(tài)通過(guò)信息處理傳輸給串口，并通過(guò)Wi-Fi模塊反饋給智能手機(jī)或平板電腦顯示。模塊實(shí)物圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是軟件平臺(tái)，帶遠(yuǎn)程控制和APP交互的設(shè)備系統(tǒng)由電控板系統(tǒng)、Wi-Fi模塊、后臺(tái)云端服務(wù)器和手機(jī)APP構(gòu)成。程序運(yùn)行邏輯為電控板把采集到的溫度、本機(jī)狀態(tài)、報(bào)警數(shù)據(jù)和用戶(hù)習(xí)慣等數(shù)據(jù)，通過(guò)Wi-Fi模塊上傳至云端服務(wù)器，同時(shí)發(fā)送到局域網(wǎng)內(nèi)已連接的手機(jī)上，用戶(hù)打開(kāi)手機(jī)APP可以通過(guò)云端或者內(nèi)網(wǎng)連接和設(shè)備取得人機(jī)交互資料，并可以通過(guò)手機(jī)APP控制設(shè)定設(shè)備參數(shù)。

3.1 系統(tǒng)的通訊基本信息

　　本系統(tǒng)通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三角形，即在設(shè)備、云端、手機(jī)三個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)間交換數(shù)據(jù)，如圖6所示。設(shè)備與手機(jī)之間數(shù)據(jù)格式的定義基于具體數(shù)據(jù)幀，增加數(shù)據(jù)幀頭(Header + Payload)，同時(shí)引入IBM開(kāi)發(fā)的即時(shí)通訊協(xié)議MQTT作為大循環(huán)封包傳輸用。

　　MQTT協(xié)議是為大量計(jì)算能力受限且工作在低帶寬及不可靠網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)計(jì)的協(xié)議，具有成熟而豐富的多平臺(tái)代碼以供快速開(kāi)發(fā)。除了MQTT提供的優(yōu)點(diǎn)外，機(jī)智云還定義了設(shè)備通訊的快速配置(Air Link)、產(chǎn)品識(shí)別(Product Key)、大小循環(huán)透明(WAN/LAN)、鑒權(quán)特性(Passcode)、云端加密(SSL)、服務(wù)器集群等物聯(lián)網(wǎng)獨(dú)有的特性。

3.2 系統(tǒng)通訊過(guò)程及數(shù)據(jù)格式定義

　　系統(tǒng)通訊包括與設(shè)備相關(guān)的兩個(gè)方向，共五種通訊過(guò)程：

　　(1)設(shè)備與云端外網(wǎng)方向(大循環(huán)通訊)：①設(shè)備上傳云端數(shù)據(jù)幀過(guò)程;②設(shè)備接收云端轉(zhuǎn)發(fā)手機(jī)數(shù)據(jù)幀過(guò)程;

　　(2)設(shè)備與手機(jī)內(nèi)網(wǎng)方向(小循環(huán)通訊)：①設(shè)備接收及響應(yīng)內(nèi)網(wǎng)發(fā)現(xiàn)幀過(guò)程;②設(shè)備接收內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)幀過(guò)程;③設(shè)備發(fā)送內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)幀過(guò)程。

　　首先設(shè)備主動(dòng)與外網(wǎng)云端保持連接，并等待響應(yīng)內(nèi)網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)幀廣播包(UDP)與數(shù)據(jù)幀(TCP)。如果經(jīng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備與手機(jī)同處相同局域網(wǎng)內(nèi)，則優(yōu)先建立TCP直接連接，其中設(shè)備控制指令及設(shè)備狀態(tài)信息包全部使用XPG通用數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行封包。當(dāng)設(shè)備與手機(jī)內(nèi)網(wǎng)連接時(shí)，通訊過(guò)程使用XPG通用數(shù)據(jù)協(xié)議封包并通過(guò)TCP傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)備與云端之間進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊時(shí)，封包格式為MQTT標(biāo)準(zhǔn)消息類(lèi)型，其Payload為XPG通用數(shù)據(jù)協(xié)議封包。

3.3 系統(tǒng)總體流程約定

　　系統(tǒng)總體流程如圖7所示：(1) MCU 先上電，初始化完成后，給Wi-Fi模塊上電;(2) 模塊初始化;(3) 模塊向 MCU 詢(xún)問(wèn)必要信息， MCU 返回信息;(4) 進(jìn)入正常工作循環(huán)，其中包括：

　　1) 模塊給 MCU 下發(fā)控制命令;

　　2) MCU 返回確認(rèn)，表示收到命令，正在執(zhí)行;

　　3) 執(zhí)行完新控制命令后，無(wú)論狀態(tài)是否發(fā)生變化， MCU 都需要通知模塊最新?tīng)顟B(tài);

　　4) 若 MCU 檢測(cè)到環(huán)境屬性變化或者用戶(hù)在設(shè)備上按鍵引起的狀態(tài)變化， MCU 需要通知模塊最新?tīng)顟B(tài)，但是其發(fā)送的頻率不能快于每次2 秒;

　　5) 若環(huán)境狀態(tài)一直不變化， MCU 需要每隔 10 分鐘定期主動(dòng)上報(bào)當(dāng)前狀態(tài);

　　6) 模塊會(huì)向 MCU 發(fā)送心跳， MCU 收到后按照格式返回即可;MCU 連續(xù) 180 秒收不到模塊的數(shù)據(jù)，即可認(rèn)為模塊異常，可以給模塊重新上電。

4 系統(tǒng)樣機(jī)

　　該系統(tǒng)用于家里各種家電設(shè)備，如圖8所示為用于凈飲機(jī)的云服務(wù)Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)控制板，圖9為用于控制凈飲機(jī)的機(jī)智云提供IOE DEMO版本APP界面。

5 結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于利用大眾比較認(rèn)可和統(tǒng)一的Wi-Fi模塊，通過(guò)串口接入各種家用電器控制板實(shí)現(xiàn)家電物聯(lián)網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，在各家用電器上集成云服務(wù)Wi-Fi模塊，通過(guò)手機(jī)APP、家庭路由器和云服務(wù)器，能成功構(gòu)造一套基于云服務(wù)Wi-Fi的家電物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、控制方便、性?xún)r(jià)比高，非常適合在物聯(lián)網(wǎng)智能家居中應(yīng)用推廣。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第45頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。