基于云服務Wi-Fi的家電物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)設計

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，可通過此模塊與傳統(tǒng)家電的低端串口通訊，以實現(xiàn)對家電物聯(lián)網(wǎng)的接入。Wi-Fi模塊的制作原理圖如圖4所示。

　　Wi-Fi模塊通過串口(UART)來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)通過信息處理傳輸給串口，并通過Wi-Fi模塊反饋給智能手機或平板電腦顯示。模塊實物圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設計

　　整個系統(tǒng)設計的重點是軟件平臺，帶遠程控制和APP交互的設備系統(tǒng)由電控板系統(tǒng)、Wi-Fi模塊、后臺云端服務器和手機APP構成。程序運行邏輯為電控板把采集到的溫度、本機狀態(tài)、報警數(shù)據(jù)和用戶習慣等數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi模塊上傳至云端服務器，同時發(fā)送到局域網(wǎng)內(nèi)已連接的手機上，用戶打開手機APP可以通過云端或者內(nèi)網(wǎng)連接和設備取得人機交互資料，并可以通過手機APP控制設定設備參數(shù)。

3.1 系統(tǒng)的通訊基本信息

　　本系統(tǒng)通訊拓撲結構為三角形，即在設備、云端、手機三個通訊節(jié)點間交換數(shù)據(jù)，如圖6所示。設備與手機之間數(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)，同時引入IBM開發(fā)的即時通訊協(xié)議MQTT作為大循環(huán)封包傳輸用。

　　MQTT協(xié)議是為大量計算能力受限且工作在低帶寬及不可靠網(wǎng)絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協(xié)議，具有成熟而豐富的多平臺代碼以供快速開發(fā)。除了MQTT提供的優(yōu)點外，機智云還定義了設備通訊的快速配置(Air Link)、產(chǎn)品識別(Product Key)、大小循環(huán)透明(WAN/LAN)、鑒權特性(Passcode)、云端加密(SSL)、服務器集群等物聯(lián)網(wǎng)獨有的特性。

3.2 系統(tǒng)通訊過程及數(shù)據(jù)格式定義

　　系統(tǒng)通訊包括與設備相關的兩個方向，共五種通訊過程：

　　(1)設備與云端外網(wǎng)方向(大循環(huán)通訊)：①設備上傳云端數(shù)據(jù)幀過程;②設備接收云端轉(zhuǎn)發(fā)手機數(shù)據(jù)幀過程;

　　(2)設備與手機內(nèi)網(wǎng)方向(小循環(huán)通訊)：①設備接收及響應內(nèi)網(wǎng)發(fā)現(xiàn)幀過程;②設備接收內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)幀過程;③設備發(fā)送內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)幀過程。

　　首先設備主動與外網(wǎng)云端保持連接，并等待響應內(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)設備與手機同處相同局域網(wǎng)內(nèi)，則優(yōu)先建立TCP直接連接，其中設備控制指令及設備狀態(tài)信息包全部使用XPG通用數(shù)據(jù)協(xié)議進行封包。當設備與手機內(nèi)網(wǎng)連接時，通訊過程使用XPG通用數(shù)據(jù)協(xié)議封包并通過TCP傳送數(shù)據(jù)。當設備與云端之間進行遠程通訊時，封包格式為MQTT標準消息類型，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 詢問必要信息， MCU 返回信息;(4) 進入正常工作循環(huán)，其中包括：

　　1) 模塊給 MCU 下發(fā)控制命令;

　　2) MCU 返回確認，表示收到命令，正在執(zhí)行;

　　3) 執(zhí)行完新控制命令后，無論狀態(tài)是否發(fā)生變化， MCU 都需要通知模塊最新狀態(tài);

　　4) 若 MCU 檢測到環(huán)境屬性變化或者用戶在設備上按鍵引起的狀態(tài)變化， MCU 需要通知模塊最新狀態(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 分鐘定期主動上報當前狀態(tài);

　　6) 模塊會向 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)，即可認為模塊異常，可以給模塊重新上電。

4 系統(tǒng)樣機

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

5 結語

　　本設計的優(yōu)點在于利用大眾比較認可和統(tǒng)一的Wi-Fi模塊，通過串口接入各種家用電器控制板實現(xiàn)家電物聯(lián)網(wǎng)。實驗表明，在各家用電器上集成云服務Wi-Fi模塊，通過手機APP、家庭路由器和云服務器，能成功構造一套基于云服務Wi-Fi的家電物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、控制方便、性價比高，非常適合在物聯(lián)網(wǎng)智能家居中應用推廣。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第45頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。