基于物聯網技術的智能家居采暖遠程控制系統設計

陳鐵民

(中國移動通信集團湖南有限公司永州分公司，湖南 永州 425000)

基于物聯網技術的智能家居采暖遠程控制系統設計

陳鐵民

(中國移動通信集團湖南有限公司永州分公司，湖南 永州 425000)

隨著物聯網技術的高度發展，智能家居在采暖領域煥發了新活力，壁掛爐因具有強大的集中供暖能力，能廣泛應用在我國北方大面積采暖領域，但傳統壁掛爐的控制方式不具備網絡化功能，為了解決壁掛爐傳統控制方式的不足，提出基于物聯網技術的智能家居采暖遠程控制系統；該系統保留了原有壁掛爐顯示面板和控制面板的串口通訊方式，在中間增加一個基于OpenWrt路由器的數據采集模塊，在維持系統原有的通訊情況下，完成了壁掛爐的遠程控制;經實驗測試，搭載遠程控制APP的移動終端能與網絡化改造后的壁掛爐正常通訊，并完成指定操作；同時，壁掛爐也充當家庭網關，自動組建家庭網絡，以供其他移動設備連接;該系統使用戶擺脫了近距離操作壁掛爐溫度參數的限制，使壁掛爐的控制變得更智能、更便捷，也為壁掛爐的遠程控制提供可參考的網絡化改造方案。

物聯網技術；采暖；壁掛爐；遠程控制；OpenWrt

0 引言

隨著物聯網技術的高度發展，智能家居在信息時代煥發了新的活力。壁掛爐作為家用常見的供暖設備，在移動互聯的影響下得到發展。壁掛爐是具有強大集中供暖功能、能同一時間滿足多居室采暖需求的供暖設備，各個供暖位置能根據用戶設定而設置舒適的采暖溫度，并且能提供恒溫舒適的衛浴用水，因此能廣泛應用在日常家庭生活中[1-2]。加入物聯網技術后的壁掛爐，用戶通過移動終端下發指令，便能完成壁掛爐的遠程開啟和關閉、溫度設定、模式控制等復雜功能[3]。

OpenWrt應用是物聯網技術的一種體現，它是基于高度模塊化、自動化的嵌入式Linux系統，憑借強大的網絡組件和擴展性，常常被用于工控設備、小型機器人、智能家居、智能路由器等場合[4-6]。

基于上述，結合OpenWrt的優勢，提出基于物聯網技術的智能家居采暖遠程控制系統，在不改動壁掛爐原有線路布局基礎上，增加一個OpenWrt路由器，維持原有數據交互的同時完成了壁掛爐的遠程控制操作邏輯，以此完成壁掛爐的網絡化改造。

1 系統結構及原理

現有的壁掛爐主要由控制面板和顯示面板組成，如圖1(a)所示。用戶通過操作顯示面板上的按鍵，便可完成簡單控制指令的輸入，顯示面板收到用戶的控制指令后，通過串口與控制面板通訊，從而控制壁掛爐打火工作、打開水泵維持水路流暢等功能。為了方便廠家完成壁掛爐的網絡化改造，以減少原來壁掛爐顯示面板和控制面板的線路連接為原則，在顯示面板和控制面板中間增加一個OpenWrt路由器作為數據采集模塊[7-9]。一方面作為采集模塊，捕獲了顯示面板和控制面板之間的正常通訊，并維持了顯示面板和控制面板之間的數據交互；另一方面作為網絡模塊，通過wifi或者ETH組建基于移動終端的遠程控制系統，用戶可通過該系統向壁掛爐發起遠程控制。網絡化改造后的方案如圖1(b)所示。

此外，數據采集模塊本身也是路由器，燒寫固件后擁有組建家庭網絡的能力，可以橋接到家庭的其他路由器上，擴大無線wifi的覆蓋范圍，也可以作為網絡源組建家庭網絡。

圖1 壁掛爐網絡化改造方案

2 數據采集模塊硬件設計

網絡化改造的壁掛爐遠程控制系統，核心部件是數據采集模塊，其難點有：1)網絡化的設計要求決定了普通嵌入式設備不能滿足需求；2)能充當家庭路由決定了系統成本不能太高；3)壁掛爐打火時對數據采集模塊的穩定運作造成巨大挑戰。

為了克服這些難點，經過考慮，采用Ralink的RT5350作為控制器，該模塊集成了CPU、Wifi等基本模塊，單芯片可以解決與移動終端的無線連接以及控制功能，以其高集成度、低成本、易于二次開發等優點，廣泛應用于各個智能家電上。RT5350無線wifi模塊管腳如圖2所示。

圖2 RT5350標準無線wifi模塊管腳圖

由于壁掛爐的控制面板上集成開關電源、打火裝置，壁掛爐點火時產生高頻噪音，影響數據采集模塊的正常工作。為了解決電源干擾問題，采用高性能的同步降壓穩壓器MP1484作為電源模塊。其內部集成了85 mΩ MOSFET，輸入電壓范圍為4.75～23 V，負載電流為3A。電源模塊原理如圖3(a)所示。

數據采集模塊作為路由器時，需要WAN口接入網關，而RT5350硬件上支持2個網口。在此處，將1個配置為WAN口，另1個配置為LAN口，以此拓展以太網接口。硬件上，采用內置變壓器的RJ45網口，減少大量布線，而且WAN口和LAN口連接方式一致，只是在固件上配置稍微不同。以太網接口模塊原理如圖3(b)所示。

圖3 數據采集模塊底板原理圖

此外，將RT5350上兩個串口引出，分別與壁掛爐的顯示面板和控制面板相連，如圖3(c)所示。為了指示數據采集模塊當前的工作狀態，設置電源指示燈、壁掛爐顯示面板和控制面板連接狀態指示燈、Wifi信號指示燈，如圖3(d)所示。最后設置復位按鍵1個，并規定：短按復位按鍵，數據采集模塊將重啟，長按超過5秒，路由器的所有配置將恢復出廠設置，如圖3(e)所示。

3 網絡化的壁掛爐軟件設計

3.1 現有壁掛爐控制邏輯

根據文獻[10](2016)可知，現有的壁掛爐主要由顯示面板和控制面板組成，系統上電后，控制面板處于待機狀態，而顯示面板作為下達控制命令的主體，為了保證與控制面板連接的硬件完成所有的初始化流程，顯示面板將保持2秒的待機狀態，然后才執行初始化配置流程[10]。在系統進入初始化配置流程后，顯示面板將向控制面板發送21條工程參數命令，命令涵蓋了壁掛爐的點火閾值、點火量、采暖水溫度閾值、衛浴水溫度閾值等多種運行參數?？刂泼孀邮盏焦こ虆岛?，更新壁掛爐的硬件運行參數，然后顯示面板和控制面板進去關機狀態[11-12]。當用戶通過顯示面板發起開機指令后，控制面板操作點火器進行點火，隨后控制面板每隔50毫秒向顯示面板不停循環發送6條實時狀態信息(如表1所示)，并只有在顯示面板返回特定指令后，控制面板才更新下一條實時狀態信息。

表1 實時狀態信息表

3.2 軟件系統搭建

在開發驅動程序和應用程序前，需要搭建OpenWrt路由器的固件。首先安裝subversion，以及gcc、g++、git-core等必要的編譯工具，再使用svn co svn://svn.openwrt.org.cn/openwrt/trunk下載系統源碼，并執行“./scripts/feeds update -a”和“./scripts/feeds install -a”更新源碼，使OpenWrt系統獲取更多的軟件支持。一般情況下，源碼是缺少openssl和libssl-dev，也需要一同下載[13-15]。

在默認情況下，OpenWrt系統的路由參數并不是需要的，因此，需要在源碼中修改，以便每次編譯固件后，無需在配置文件中頻繁修改。

1)修改路由子網參數。編輯/package/ base-files/files/lib/functions/uci-default.sh和/package/ base-files/files/bin/config_generate文件，將里面的set network.lan.ipaddr設置為需要的網段，在這里設置為set network.lan.ipaddr='192.168.1.1'。

2)修改Wifi參數。默認情況下，Wifi功能是失能的，編輯/package/kernel/mac80211/ files/lib/wifi/mac80211.sh文件，將“option disabled 1”改為“option disabled 0”，開啟Wifi，并設置ssid、encryption以及key，開啟Wifi的加密功能。

最后，執行make menuconfig，選擇編譯的內核類型，并將驅動文件和應用程序一同編譯到OpenWrt系統固件中。

3.3 驅動程序設計

作為一個軟件系統，一共分為應用程序、庫函數、系統內核以及驅動程序，為了保證結構化的編程，各部分只需開放各自的接口以供上層和下層調用。而基于OpenWrt操作系統的設備驅動程序開發一般分為幾個步驟：1)向內核注冊驅動程序，使內核收到應用程序傳入的文件名時能找到對應的驅動程序；2)通過open、close、write、read等接口函數實現需要的控制邏輯；3)將驅動程序編譯到內核中，或者在Linux系統起來時通過insmod命令加載；4)測試驅動程序使之能正常工作。

加載和卸載驅動程序是由以下兩個函數實現，往內核中添加或者刪除該驅動的標識符。

module_init(GasBoileInit);// insmod時調用

module_exit(GasBoileExit);// rmmod時調用

應用程序與驅動程序之間通過file_operations這個結構體建立關系，用來指定應用程序調用驅動時的接口函數。

static struct file_operations GB_fops = {

/* 編譯模塊時自動創建的_this_modele變量*/

.owner = THIS_MODULE,

/* 調用接口*/

.open = GB_open,

.write = GB_write,

.read = GB_read,

.read = GB_close,

.unlocked_ioctl = GB_ unlocked_ioctl

};

RT5350有28個GPIO，除了GPIO0外其他的GPIO都有復用功能。在內核加載驅動程序時需要將寄存器映射到內存中，卸載驅動時解除映射關系。驅動程序初始化時進行GPIO的模式配置、輸入與輸出配置。以LED為例，通過查閱原理圖可以知道，其中1個LED是由GPIO25管腳控制。設置相應管腳的工作模式后需要配置輸入與輸出模式，由GPIO27_22_DIR寄存器控制，當相應的位設為1時表示輸出模式，為0時表示輸入模式。而GPIO的輸出由GPIO27_22_DATA寄存器決定，相應的位設為1時該管腳輸出高電平，為0時表示輸出低電平。在輸入模式下讀GPIO27_22_DATA寄存器就等得到該管腳的電平狀態。

由于OpenWrt是跑在Linux系統下，對某個硬件寄存器操作時，需要將該寄存器的物理地址映射成虛擬地址以供內核訪問。映射是通過ioremap()函數完成，返回值就是該寄存器對應的虛擬地址。因此，內核在執行module_init(GasBoileInit)時將注冊設備，并映射寄存器：

// 注冊設備

major=register_chrdev(0,“GB”,“GB_fops”);

// 創建類

GB_class=class_create(THIS_MODULE, “GB”);

// 創建設備節點

device_create(GB_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, “GB”);

// 映射寄存器的地址

GPIOMODE = (volatile unsigned long*) ioremap (0x10000060, 4);

GPIO27_22_DIR = (volatile unsigned long*) ioremap (0x10000674, 4);

GPIO27_22_DATA = (volatile unsigned long*) Ioremap (0x10000670, 4);

// 初始化寄存器的值

* GPIOMODE |= (0x1 << 14);

* GPIO27_22_DIR |= (1<<3) ;

* GPIO27_22_DATA &= ～(1<<3) ;

相反，當內核執行module_exit(GasBoileExit)時，刪除設備，并通過iounmap()函數解除寄存器的映射關系。驅動程序在內核編譯時添加到內核中，make menuconfig時選中該驅動再執行內核編譯。最后在應用程序中，通過open()、write()、read()函數便可執行對應的驅動函數。

3.4 網絡化的壁掛爐控制邏輯

數據采集模塊的串口1接到顯示面板的串口上，串口2接到控制面板的串口上，數據采集模塊的核心功能是：將串口1接收的數據通過串口2轉發出去，從串口2接收的數據通過串口1轉發出去；同時，每隔5秒鐘，將6條實時狀態信息打包，通過網絡向移動終端發送出去。

圖4 網絡化的壁掛爐應用程序的工作流程圖

**如圖4所示是網絡化的壁掛爐應用程序的工作流程圖。即：1)數據采集模塊上電，運行OpenWrt路由器固件，進入操作系統后，自動執行壁掛爐遠程控制的應用程序；2)隨后，應用程序不停監聽與顯示面板或控制面板相連串口的Buff空間是否為空，為空說明壁掛爐還沒啟動，或者顯示面板和控制面板還沒發起數據交互，這時應用程序休眠10 ms，重復第2)步，反之，跳到第3)步；3)為了維持壁掛爐的正常運作，數據采集模塊收到串口數據后首先完成數據的轉發，然后提取當前的實時狀態信息，存放在SDRAM上；4)監聽網絡的Buff空間是否為空，為空說明沒有從網絡端收到控制壁掛爐的控制指令，反之，對網絡數據進行解析，分離出控制命令，并向控制面板發送壁掛爐控制指令，向顯示面板發送顯示狀態更新指令；5)檢測是否達到5 s的實時狀態信息上傳周期，如果是，對SDRAM上的實時狀態信息進行裝包處理，發向網絡端，隨后跳轉到第2)步，如果還沒達到5 s時間，系統繼續計時，并直接跳轉到第2)步。

4 實驗與小結

為了驗證上述方案的可靠性，搭建基于物聯網技術的智能家居采暖遠程控制系統。其中，數據采集模塊的原理框圖如圖5所示。

圖5 數據采集模塊原理框圖

實驗時，數據采集模塊作為家庭網關組建內網，將上一級交換機分發下來的網線插到數據采集模塊的WLAN口。此外，將壁掛爐的顯示面試接在UART1，控制面板接在UART2，由于顯示面板與控制面板之間是按照波特率為4800bps的速度傳輸，所以UART1和UART2也要保持4800bps的波特率。壁掛爐的控制面板一直處于上電狀態，同時給數據采集模塊供電，上電后電源指示燈亮起。壁掛爐在顯示面板下發控制指令前，都處于OFF狀態，但數據采集模塊的家庭網絡部分正常工作。

為了配合完成壁掛爐的遠程控制，開發基于安卓平臺的壁掛爐遠程控制APP，并完成以下測試：

1)APP啟動流程。啟動APP時，APP向局域網內的壁掛爐IP和端口發送連接指令。在5秒內等待壁掛爐的回復指令，隨后進入工作模式，壁掛爐每隔5秒向APP發出實時狀態信息。由于壁掛爐與路由器相連，所以壁掛爐的IP即為網關IP，在這里設置為“192.168.1.1”，端口號規定為9999，如圖6(a)所示。

2)設置壁掛爐參數。當用戶在APP上設置采暖溫度或衛浴溫度后，APP將向壁掛爐發出控制信號，壁掛爐收到后，返回回復指令，溫度控制界面圖如6(b)所示。

圖6 APP測試效果圖

本設計采用了OpenWrt路由器搭建了燃氣壁掛爐的遠程控制系統，該系統保留了原來壁掛爐顯示面板和控制面板的串口通訊方式，在中間增加數據采集模塊，在維持系統通訊的情況下，加入了網絡控制的手段，使用戶擺脫了近距離調整壁掛爐溫度參數的限制，使壁掛爐的控制更智能，更便捷。

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Design of Smart Home Heating Remote Control System Based on Internet of Things

Chen Tiemin

(China Mobile Communications Corporation Hunan Co., Ltd. Yongzhou Subsidiary, Yongzhou 425000,China)

With the highly development of internet of things technology, smart home break out a new vitality in the field of heating. As a strong central heating capacity, gas boiler can be widely used in field of large area heating in the north of China. But the traditional control method of gas boiler does not have network function. In order to solve the limitation of gas boiler with traditional control method, a smart home heating remote control system based on internet of things is presented. It will keep the original serial communication mode between display panel and control panel. And, a data acquisition module based on OpenWrt is added to complete the remote control of gas boiler in the case of maintaining system communication. After the experimental test, the mobile terminal equipped with remote control APP can communicate with gas boiler normally, and complete the specified operation. Besides, the gas boiler can be a home gateway, which can construct a home network automatically, and allow other mobile device connect. This system allows the user to get rid of the restrictions of temperature setting on gas boiler, which can make gas boiler more intelligent and convenient, and providing a reference network reconstruction scheme for gas boiler remote control.

internet of things; heating; gas boiler; remote control; OpenWrt

2017-06-15；

2017-07-26。

陳鐵民(1977-)，男，湖南永州人，碩士，主要從事嵌入式系統、物聯網應用、通信與信息系統研究。

1671-4598(2017)12-0090-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.024

TP272

A