OneNET云平臺WiFi遠程控制的智能家居系統

張啟龍 陳湘萍

摘? 要： 針對移動終端與智能硬件遠程聯網對智能硬件結構要求高、服務器編程復雜以及專用服務器成本高等問題，設計一種基于OneNET云平臺的智能家居遠程監控系統。該系統以STC15W4K56S4為主控制器，采用多傳感器融合采集家里的環境信息，以繼電器作為執行器，應用ESP8266無線WiFi通信模塊將數據傳輸至OneNET云平臺，通過PC網頁端或智能移動終端實現對家里環境的遠程監控。采用開放式的OneNET作為服務平臺，降低開發難度，節約開發成本，縮短開發周期。根據試驗結果表明，該系統可以實現遠程監控家庭環境的功能，具有成本低、結構簡單以及檢測精度高等優點。

關鍵詞： 智能家居; 遠程控制; OneNET云平臺; 多傳感器融合; 無線通信; 系統測試

中圖分類號： TN915?34; TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

一種智能型住宅系統就是智能家居系統。其主要是依靠安全技術、網絡通信技術、自動控制技術以及計算機技術等各種先進技術，以住宅為單元，通過對各住宅用戶的個性需求進行融合，形成以住戶為主體，高效集成與住宅生活密切相關的設備，進而提升智能家居化，提高住宅用戶的生活質量，就是智能家居系統平臺的最終目標[1]。本設計通過各種傳感器采集環境信息，以51單片機為核心，在物聯網的OneNET云服務器上，以WIFI?ESP8266無線模塊對其傳輸數據。在數據被服務器接收后，用戶可通過PC網頁或移動應用軟件客戶端實現智能家居的環境監控與繼電器的開關控制，對全球異地遠程控制室外與室內進行支持。對此，本文擬展開如下研究論述。

1? 總體方案設計

本設計所采用的是多傳感器融合，控制器以51單片機為核心，對光照強度、濕度、溫度等住宅環境進行采集，可對是否有人非法入侵，通過人體熱釋電紅外傳感器監測，蜂鳴器在有人闖入時，就會自動報警，發出聲光[2]。另外，可將路由器熱點通過WiFi無線模塊進行連接，在物聯網OneNET云服務器中，可通過路由器的中轉上傳數據，當數據被服務器接收后，為了對智能家居的繼電器開關、LED燈光照明進行控制，對環境溫濕度監測，用戶可通過電腦PC網頁端或手機APP軟件客戶端等方式實現，其可在云端顯示安防報警提示，支持室外以及室內局域網異地遠程控制。圖1所示為系統方案設計框圖。

2? 硬件設計

2.1? 云服務器的選擇

近年來最火爆的物聯網平臺就是OneNET云平臺。它屬于PaaS物聯網開放平臺，是中移物聯網有限公司精心打造的，其優點包括開發成本低、穩定性強、周期短等。除此之外，該平臺可實現設備下線、修改、鑒權、激活、創建等整個生命周期的管理，可提供豐富的開發工具和多種多樣的API。同時，還可以準確及詳盡地歸檔，獲取時間序列化的數據，并有效解決設備控制命令下行和實時通知消息推送，以及實時傳輸和路由等問題[3]。此外該平臺不僅支持Modbus，MQTT和其他訪問協議，還提供了通用的Socket接口和RESTfulAPI接口。因此，云服務平臺最好的選擇就是OneNET。

2.2? 微控制器模塊

STC15W4K56S4為微控制器所采用的芯片，在RAM數據存儲器中，STC15W4K56S4芯片具有較大的容量，可容納4 096 B，可當作1路ADC使用，作掉電檢測，并支持比較內部參考電壓與CMP、外部管腳CMP+與CMP-之間，可引發中斷。除此之外，它具有4個高速異步串行通信口，可實現各種傳感器的執行器模塊功能、蜂鳴器聲光報警模塊、無線傳輸功能以及數據采集功能。SPI高速同步串行通信口可以對其進行很好的滿足。

2.3? WiFi通信模塊

在混合模式通信時，采用ESP8266的AP+Station。其可以在其他主機上作為從機運行，也可以進行獨立運行。ESP8266支持簡潔高效的AT指令，體積相對較小，性能較為穩定，提供基站（AP+STA）+接入點和基站（STA）、接入點（AP）三種共存模式[4]。在連接到ESP8266的安卓終端時，作為一個Station，可以進行無線控制，通過異步收發器（UART）連接到設備上。STC15W4K56S4和ESP8266之間的通信主要是通過STC15W4K56S4上的P0.0與端口TXD，STC15W4K56S4上的P0.1與ESP8266端口RXD之間的數據交換來完成。其中RXD和TXD都屬于串行數據端口，只是前者屬于串行數據接收端口，后者屬于串行數據發送端口。圖2所示為其工作原理圖。

2.4? 傳感器模塊

實現家庭安防監控及家庭環境監測兩個方面的監控，就是智能家居系統的主要任務[5]。家庭環境監控在對家庭進行檢測時，主要通過光照強度、溫濕度等多種傳感器來實現，用家電開關控制繼電器與LED燈光照明，而安全監控則在監測過程中由HC?SR501人體紅外熱釋電來實現，然后將監測及監控數據通過網絡傳輸至用戶安卓終端。本文以溫濕度傳感器為例，一種單線數字輸出全量程校準的復合傳感器就是DHT11數字溫濕度傳感器。這款傳感器測量精度為±1.0 ℃，溫度測量范圍為0～50 ℃;測量精度為±5.0%RH，濕度測量范圍[6]為20%～90%RH。圖3所示為電路圖。

2.5? 執行器模塊

該模塊功能為控制家用電器，主要采用單向電磁繼電器，圖4所示為設計電路。

2.6? 電源模塊

電源模塊主要由兩部分組成：一部分為3.3 V直流穩壓源，將5 V電壓通過一個LM1117三端集成穩壓器及外圍電路的協調作用，在給WiFi通信模塊供電時，轉換為3.3 V電壓;另一部分為5 V直流穩壓源，在給各傳感器與主控芯片進行供電時，可直接用充電寶進行[7]。詳情如圖5和圖6所示。

3? 軟件設計

3.1? 系統軟件設計

數據采集單元程序與執行器控制程序為設計軟件的兩個部分。

數據采集單元程序：首先對WiFi模塊、定時器以及端口進行初始化;其次對光照采集、紅外信號采集以及溫濕度采集，在OneNet平臺中通過WiFi模塊進行數據傳輸;最后在PC網頁或手機APP終端實時顯示數據。圖7所示為數據采集單元流程圖。

除上述數據采集單元程序外，設計軟件還包括執行器控制程序：首先開始對WiFi模塊、定時器以及端口進行初始化;其次對OneNet平臺中的數據，通過WiFi模塊進行接收，之后掃描按鍵;最后對相應繼電器的動作，根據邏輯判斷結果進行控制。圖8所示為執行器控制流程圖。

3.2? 最小系統與云端的數據交互

此項目在完成ESP8266的AT指令交互時，主要通過ESP8266與STC15W4K56S4，基于WiFi模塊ESP8266與最小系統STC15W4K56S4建立UART通信。最小系統STC15W4K56S4控制WiFi模塊ESP8266時，主要通過AT指令集來實現，在WAN連接無線接入節點，與云平臺服務器OneNET建立TCP連接，對控制命令從云平臺進行解析與接收，并使用EDP協議上傳數據包[8]。針對EDP協議數據上傳方式，具體的函數代碼如下：

voidpacketSend（edp_pkt*pkt）

{

if（pkt！=NULL）

{

WIFI_UART.write（pkt?>data，pkt?>len）;? ? ? ? ? ? //串口發送

WIFI_UART.flush（）;

free（pkt）;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//回收內存

}

}

3.3? EDP協議的使用[9?12]

增強型設備協議為EDP（Enhanced Device Protocol），其根據物聯網的特性，由OneNET平臺定制一種完全開放的基于TCP的協議。在能源、物流、交通運輸等行業中已經對其進行廣泛應用。

斷開連接、控制命令、數據傳輸、心跳命令、設備認證以及請求連接等部分為EDP協議的主要部分。首先，最小系統會將連接申請送達到服務器上，在收到服務器響應后，會將認證密鑰以及設備ID等認證信息進行發送，設備在云服務器和智能家居連接后，可在短時間內從服務器接收控制命令或將數據傳輸到服務器上;若在短時間內設備未與服務器更新數據，就會將驗證密鑰及設備ID等驗證信息進行發送，以此來保持設備在線，維持連接。EDP協議在該系統中的應用，對于物聯網滿足的同時，還可以大幅度縮短開發周期，對接收功能、控制命令的發送以及傳感器數據的更新進行實現。EDP協議與HTTP協議相比，在設備運行負荷和設備控制效率方面有較強的優勢。代碼直觀且易于理解就是HTTP協議的優點。較高的設備硬件要求，是其代碼操作的基本條件，這更適合于開發移動設備或計算機設備的應用程序，但是在微控制器平臺上實現HTTP協議，設備過載的情況會比較容易出現。

4? 用戶操作界面設計

為了使用戶能夠在APP或PC網頁上操作，OneNET物聯網平臺為設計人員提供了一個應用開發工具，可以實現開發移動客戶端和Web應用。另外，還設計一個帶有控制按鈕的界面，通過開發Web應用程序，來顯示家庭環境的實時狀態，如溫度、濕度和光照強度[13]，如圖9所示。在應用界面中，通過表盤和圖表顯示實時的室內環境參數，并將數據存儲在云平臺中，通過圖形顯示一段時間內室內環境的變化。OneNET平臺還可以設置報警功能，當人體紅外傳感檢測到人時，界面上的指示燈會變紅報警。

5? 系統測試

5.1? 實時信息反饋

將程序下載至單片機后，給系統上電。然后在中國移動OneNET開發中心，通過移動終端或電腦登錄，打開應用界面。這時住宅實時反饋的數據就可以在平板PC網頁端或電腦上看到，24 h所測的實時數據如表1、圖10所示。

5.2? 開關控制驗證

遠端設備控制部分的狀態可以通過按鈕實時地反映出來，如圖11所示。當開啟電視、熱水器、空調、燈被控部分時，按鈕的綠燈就會亮起，家里有人時指示燈泡會變紅，而紅燈亮起為關閉狀態。從電腦PC網頁端來看，經過多次試驗發現，按鈕改變狀態到設備有2 s延時，但實際情況還要依據網速而定。

6? 結? 語

本設計以STC15W4K56S4為核心，利用ESP8266和OneNET云平臺的特性，設計一套基于物聯網遠程控制的智能家居系統。它可以實現以下功能：

1） 通過溫濕度、光照強度等綜合檢測來完成家庭環境監控;

2） 用戶在掌握實時數據時，可通過PC網頁端或手機APP進行，并且指示燈和蜂鳴器超出報警限時，會發出聲光報警;

3） 在OneNET平臺，上傳實時數據，用戶可以實時監控整個家庭，通過網頁的方式不分時間、地域進行訪問，還可以通過平臺，發送控制指令給控制模塊;

4） 通過WiFi模塊，執行器模塊可以對OneNET平臺的指令與數據進行接收，進而更好地控制執行器的動作。

經過數次的測試證明，本系統可靠性強、響應速度快，可大力推廣。

注：本文通訊作者為陳湘萍。

參考文獻

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