OneNET云平台WiFi远程控制的智能家居系统

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　　摘  要： 针对移动终端与智能硬件远程联网对智能硬件结构要求高、服务器编程复杂以及专用服务器成本高等问题，设计一种基于OneNET云平台的智能家居远程监控系统。该系统以STC15W4K56S4为主控制器，采用多传感器融合采集家里的环境信息，以继电器作为执行器，应用ESP8266无线WiFi通信模块将数据传输至OneNET云平台，通过PC网页端或智能移动终端实现对家里环境的远程监控。采用开放式的OneNET作为服务平台，降低开发难度，节约开发成本，缩短开发周期。根据试验结果表明，该系统可以实现远程监控家庭环境的功能，具有成本低、結构简单以及检测精度高等优点。
　　关键词： 智能家居; 远程控制; OneNET云平台; 多传感器融合; 无线通信; 系统测试
　　中图分类号： TN915?34; TP273.5                 文献标识码： A                      文章编号： 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
　　一种智能型住宅系统就是智能家居系统。其主要是依靠安全技术、网络通信技术、自动控制技术以及计算机技术等各种先进技术，以住宅为单元，通过对各住宅用户的个性需求进行融合，形成以住户为主体，高效集成与住宅生活密切相关的设备，进而提升智能家居化，提高住宅用户的生活质量，就是智能家居系统平台的最终目标[1]。本设计通过各种传感器采集环境信息，以51单片机为核心，在物联网的OneNET云服务器上，以WIFI?ESP8266无线模块对其传输数据。在数据被服务器接收后，用户可通过PC网页或移动应用软件客户端实现智能家居的环境监控与继电器的开关控制，对全球异地远程控制室外与室内进行支持。对此，本文拟展开如下研究论述。
　　1  总体方案设计
　　本设计所采用的是多传感器融合，控制器以51单片机为核心，对光照强度、湿度、温度等住宅环境进行采集，可对是否有人非法入侵，通过人体热释电红外传感器监测，蜂鸣器在有人闯入时，就会自动报警，发出声光[2]。另外，可将路由器热点通过WiFi无线模块进行连接，在物联网OneNET云服务器中，可通过路由器的中转上传数据，当数据被服务器接收后，为了对智能家居的继电器开关、LED灯光照明进行控制，对环境温湿度监测，用户可通过电脑PC网页端或手机APP软件客户端等方式实现，其可在云端显示安防报警提示，支持室外以及室内局域网异地远程控制。图1所示为系统方案设计框图。 　　2  硬件设计
　　2.1  云服务器的选择
　　近年来最火爆的物联网平台就是OneNET云平台。它属于PaaS物联网开放平台，是中移物联网有限公司精心打造的，其优点包括开发成本低、稳定性强、周期短等。除此之外，该平台可实现设备下线、修改、鉴权、激活、创建等整个生命周期的管理，可提供丰富的开发工具和多种多样的API。同时，还可以准确及详尽地归档，获取时间序列化的数据，并有效解决设备控制命令下行和实时通知消息推送，以及实时传输和路由等问题[3]。此外该平台不仅支持Modbus，MQTT和其他訪问协议，还提供了通用的Socket接口和RESTfulAPI接口。因此，云服务平台最好的选择就是OneNET。
　　2.2  微控制器模块
　　STC15W4K56S4为微控制器所采用的芯片，在RAM数据存储器中，STC15W4K56S4芯片具有较大的容量，可容纳4 096 B，可当作1路ADC使用，作掉电检测，并支持比较内部参考电压与CMP、外部管脚CMP+与CMP-之间，可引发中断。除此之外，它具有4个高速异步串行通信口，可实现各种传感器的执行器模块功能、蜂鸣器声光报警模块、无线传输功能以及数据采集功能。SPI高速同步串行通信口可以对其进行很好的满足。
　　2.3  WiFi通信模块
　　在混合模式通信时，采用ESP8266的AP+Station。其可以在其他主机上作为从机运行，也可以进行独立运行。ESP8266支持简洁高效的AT指令，体积相对较小，性能较为稳定，提供基站（AP+STA）+接入点和基站（STA）、接入点（AP）三种共存模式[4]。在连接到ESP8266的安卓终端时，作为一个Station，可以进行无线控制，通过异步收发器（UART）连接到设备上。STC15W4K56S4和ESP8266之间的通信主要是通过STC15W4K56S4上的P0.0与端口TXD，STC15W4K56S4上的P0.1与ESP8266端口RXD之间的数据交换来完成。其中RXD和TXD都属于串行数据端口，只是前者属于串行数据接收端口，后者属于串行数据发送端口。图2所示为其工作原理图。
　　2.4  传感器模块
　　实现家庭安防监控及家庭环境监测两个方面的监控，就是智能家居系统的主要任务[5]。家庭环境监控在对家庭进行检测时，主要通过光照强度、温湿度等多种传感器来实现，用家电开关控制继电器与LED灯光照明，而安全监控则在监测过程中由HC?SR501人体红外热释电来实现，然后将监测及监控数据通过网络传输至用户安卓终端。本文以温湿度传感器为例，一种单线数字输出全量程校准的复合传感器就是DHT11数字温湿度传感器。这款传感器测量精度为±1.0 ℃，温度测量范围为0～50 ℃;测量精度为±5.0%RH，湿度测量范围[6]为20%～90%RH。图3所示为电路图。
　　2.5  执行器模块
　　该模块功能为控制家用电器，主要采用单向电磁继电器，图4所示为设计电路。
　　2.6  电源模块
　　电源模块主要由两部分组成：一部分为3.3 V直流稳压源，将5 V电压通过一个LM1117三端集成稳压器及外围电路的协调作用，在给WiFi通信模块供电时，转换为3.3 V电压;另一部分为5 V直流稳压源，在给各传感器与主控芯片进行供电时，可直接用充电宝进行[7]。详情如图5和图6所示。
　　3  软件设计
　　3.1  系统软件设计
　　数据采集单元程序与执行器控制程序为设计软件的两个部分。
　　数据采集单元程序：首先对WiFi模块、定时器以及端口进行初始化;其次对光照采集、红外信号采集以及温湿度采集，在OneNet平台中通过WiFi模块进行数据传输;最后在PC网页或手机APP终端实时显示数据。图7所示为数据采集单元流程图。
　　除上述数据采集单元程序外，设计软件还包括执行器控制程序：首先开始对WiFi模块、定时器以及端口进行初始化;其次对OneNet平台中的数据，通过WiFi模块进行接收，之后扫描按键;最后对相应继电器的动作，根据逻辑判断结果进行控制。图8所示为执行器控制流程图。
　　3.2  最小系统与云端的数据交互
　　此项目在完成ESP8266的AT指令交互时，主要通过ESP8266与STC15W4K56S4，基于WiFi模块ESP8266与最小系统STC15W4K56S4建立UART通信。最小系统STC15W4K56S4控制WiFi模块ESP8266时，主要通过AT指令集来实现，在WAN连接无线接入节点，与云平台服务器OneNET建立TCP连接，对控制命令从云平台进行解析与接收，并使用EDP协议上传数据包[8]。针对EDP协议数据上传方式，具体的函数代码如下：
　　3.3  EDP协议的使用[9?12]
　　增强型设备协议为EDP（Enhanced Device Protocol），其根据物联网的特性，由OneNET平台定制一种完全开放的基于TCP的协议。在能源、物流、交通运输等行业中已经对其进行广泛应用。
　　断开连接、控制命令、数据传输、心跳命令、设备认证以及请求连接等部分为EDP协议的主要部分。首先，最小系统会将连接申请送达到服务器上，在收到服务器响应后，会将认证密钥以及设备ID等认证信息进行发送，设备在云服务器和智能家居连接后，可在短时间内从服务器接收控制命令或将数据传输到服务器上;若在短时间内设备未与服务器更新数据，就会将验证密钥及设备ID等验证信息进行发送，以此来保持设备在线，维持连接。EDP协议在该系统中的应用，对于物联网满足的同时，还可以大幅度缩短开发周期，对接收功能、控制命令的发送以及传感器数据的更新进行实现。EDP协议与HTTP协议相比，在设备运行负荷和设备控制效率方面有较强的优势。代码直观且易于理解就是HTTP协议的优点。较高的设备硬件要求，是其代码操作的基本条件，这更适合于开发移动设备或计算机设备的应用程序，但是在微控制器平台上实现HTTP协议，设备过载的情况会比较容易出现。 　　4  用户操作界面设计
　　为了使用户能够在APP或PC网页上操作，OneNET物联网平台为设计人员提供了一个应用开发工具，可以实现开发移动客户端和Web应用。另外，还设计一个带有控制按钮的界面，通过开发Web应用程序，来显示家庭环境的实时状态，如温度、湿度和光照强度[13]，如图9所示。在应用界面中，通过表盘和图表显示实时的室内环境参数，并将数据存储在云平台中，通过图形显示一段时间内室内环境的变化。OneNET平台还可以设置报警功能，当人体红外传感检测到人时，界面上的指示灯会变红报警。
　　5  系统测试
　　5.1  实时信息反馈
　　将程序下载至单片机后，给系统上电。然后在中国移动OneNET开发中心，通过移动终端或电脑登录，打开应用界面。这时住宅实时反馈的数据就可以在平板PC网页端或电脑上看到，24 h所测的实时数据如表1、图10所示。
　　5.2  开关控制验证
　　远端设备控制部分的状态可以通过按钮实时地反映出来，如图11所示。当开启电视、热水器、空调、灯被控部分时，按钮的绿灯就会亮起，家里有人时指示灯泡会变红，而红灯亮起为关闭状态。从电脑PC网页端来看，经过多次试验发现，按钮改变状态到设备有2 s延时，但实际情况还要依据网速而定。
　　6  结  语
　　本设计以STC15W4K56S4为核心，利用ESP8266和OneNET云平台的特性，设计一套基于物联网远程控制的智能家居系统。它可以实现以下功能：
　　1） 通过温湿度、光照强度等综合检测来完成家庭环境监控;
　　2） 用户在掌握实时数据时，可通过PC网页端或手机APP进行，并且指示灯和蜂鸣器超出报警限时，会发出声光报警;
　　3） 在OneNET平台，上传实时数据，用户可以实时监控整个家庭，通过网页的方式不分时间、地域进行访问，还可以通过平台，发送控制指令给控制模块;
　　4） 通过WiFi模块，执行器模块可以对OneNET平台的指令与数据进行接收，进而更好地控制执行器的动作。
　　经过数次的测试证明，本系统可靠性强、响应速度快，可大力推广。
　　注：本文通讯作者为陈湘萍。
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