基于Wi-Fi SoC及阿里IOT平臺的智能家居控制節點設計

龍順宇，周仁佳，楊偉，林道錦

（海南熱帶海洋學院，海洋信息工程學院，海南三亞，572022）

0 引言

隨著IOT領域相關技術的不斷發展，智能家居控制節點的形態日趨多樣[1]。在場景應用中，節點間相互聯系，構成了信息交換網絡以實現家居環境參數測量、設備控制、網絡通信、信號轉換等具體功能[2]。系統節點增加后，控制難度相應增加，接入方式也需要根據實際情況進行適配，所以近距離的通信、組網技術成為了家居應用的研究熱點，Wi-Fi作為近距離通信、組網技術中的一種，仍占主導[3]。本文基于樂鑫信息科技公司的Wi-Fi SoC方案ESP8266芯片搭配STC8單片機及外圍電路構成了個性化的家居控制節點，可以方便的構建測控節點網絡，再輔助以阿里IOT云服務器、PAD終端或手機客戶端即可完成家居控制。

1 系統框架及功能設計

本文設計的控制節點可在小范圍內組網，進行局域控制，也可以連接到家居無線路由器訪問外網，內外網的訪問都是透明的，整個系統框圖如圖1所示，大體上可以分為“云下部分”和“云上部分”。云下部分是節點的實體，包含ESP8266模組、STC8單片機核心、開關量電路單元（如繼電器）、模擬量電路單元（如可控硅）等。云上部分是控制得以實現的重點部分，因為每個節點都已經IP化、地址化，所以無線路由就能將其連接成特定拓撲形式的網絡，最終通過Wi-Fi連接至阿里IOT云服務器，云端平臺與ESP8266之間用MQTT協議通信，該協議非常精簡、易于實現，在控制功耗和節省帶寬上均有很好的性能[4]。阿里IOT云平臺為MQTT消息代理，負責主題訂閱管理、消息轉發和緩沖，實現控制節點與數據采集中心的信息交互（如繼電器控制、可控硅控制），系統通過發布和訂閱MQTT報文與阿里IOT云服務器進行數據通信，在內網通過手機云智能APP實現了用戶的個人信息管理、設備的個人配網綁定，并可進行內外網切換，跨時間、跨地域的進行家居設備的控制。

圖1 家居控制節點系統框圖

基于節點架構，在場景設計中還可以添加其他云上控制形式，例如可以通過Web客戶端和平板APP設計控制界面實現遠程控制，Wi-Fi模塊接收到報文數據后，再向單片機發送信號，單片機經過對信息的處理，最終輸出開關量或者模擬量對接后續電路，實現電器管理與控制，這樣一來，家居設備就能實現物物互聯，工作在一定的控制策略和邏輯之下。

2 硬件單元設計

本設計以ESP8266模組作為Wi-Fi通信核心，實際選擇開關量控制方式，通過相關技術論證和架構分析之后，搭建了云下部分的硬件系統，其電路原理如圖2所示。系統可劃分為三個核心組成單元，即：ESP8266 Wi-Fi單元連接、STC8單片機主控單元以及繼電器控制單元。硬件系統采用5V供電（實際由USB口供電）待機功耗小于20mA，運行功耗小于150mA，節點通過內網和外網相結合的方式控制家居設備，有效的解決了遠距離控制設備的問題。

圖2 家居控制節點整體電路原理圖

2.1 ESP8266 Wi-Fi模組連接

ESP8266是一款超低功耗的異步串行通信接口無線Wi-Fi芯片，應用于移動設備和物聯網設計，由它解決STC8A8K64S4A12單片機聯入網絡的需求。實驗中采用ESP8266模組，模組上自帶必要外圍電路和2.4GHz印制線路天線[5]。ESP8266通過連接無線路由器加入網絡，繼而訪問阿里IOT云服務器。在透明傳輸模式下，作為TCP客戶端同服務器進行交互。

ESP8266核心模組的接口非常豐富，支持UART、PWM、GPIO以及ADC；支持UART串口與單片機連接，可以實現串口到Wi-Fi無線網絡之間的控制信號轉換，支持串口透傳，內置了TCP/IP協議棧和MQTT協議棧。模組支持三種組網模式，即：Station模式、Soft AP模式和Soft AP+Station模式。Wi-Fi模組的作用是讓整個控制節點與云端連接，完成無線信號與串口信號之間的轉換。實驗中的節點選擇了Soft AP+Station模式。

2.2 STC8單片機主控單元設計

本設計采用1T增強型MCS-51內核的STC8A8K64S4A12單片機完成對數據的處理以及云端通信，該單片機具兼容傳統8051單片機系列，內部集成了高速RC振蕩器，只需在燒寫程序時配置STC-ISP選項即可對相關參數進行配置，考慮到單片機長時間與ESP8266模組進行異步串口通信，此時對波特率精度要求較高，故而電路設計中仍保留了外部石英晶體振蕩器電路。該型號單片機自帶4組獨立的異步串行通信接口，可用于ADC數據采集擴展與多Wi-Fi模塊擴展。硬件設計中分配串口2為ESP6288模組與單片機的串口通信端口，預留串口1與ADC轉換接口方便程序下載和后期模擬信號采集擴展。單片機的P1.0和P1.1引腳與ESP8266模塊的TXD和RXD兩個引腳交叉相連，實現UART通信。

2.3 繼電器控制單元設計

繼電器控制單元主要是控制家用電器等負載設備。電路添加PC817光電耦合器對后級電路進行隔離，分配P0.2引腳控制光耦的開關信號端，為了進一步增加驅動能力，光耦的開漏輸出端接了一級三極管開關電路（三極管選用SS8050）。若三極管正偏，則繼電器吸合，反之斷開。家居設備默認接在繼電器的常開端以防止上電誤動作導致的閃斷。

3 系統軟件設計

軟件設計的重點在于ESP8266模組的網絡配置，主要功能包括ESP8266模組自動連接無線路由器、通過MQTT協議實現ESP8266模組與阿里云IOT云服務器進行數據通信功能。云下平臺上電之后會等待遠程控制信號，當主控單片機收到控制信號之后會進行分析判斷，再控制節點執行不同操作。

3.1 ESP8266模組自動聯網程序設計

為保證ESP8266模組與無線路由器的自主通信和在線保持功能，程序默認開啟了ESP8266模組的自動聯網模式，并在程序中事先保存無線路由器的SSID名稱和PassWord密碼參數，將相應的信息寫在程序中，保存成對應的AT指令字符串形式，最后由STC8A8K64S4A12主控單片機將AT指令發送給ESP8266模組以完成自動聯網功能。成功連接無線路由器之后，無線路由器會通過DHCP功能為節點分配IP地址。ESP8266模組自動連接路由器的主要功能源碼如下：

3.2 MQTT對接阿里IOT云服務器程序設計

MQTT是消息隊列遙測傳輸的英文縮寫，其英文全稱為Message Queuing Telemetry Transport。該協議是由IBM公司撰寫的適用于物聯網通信的傳輸協議。MQTT協議工作在TCP/IP協議簇上，通過發布/訂閱的范式工作，可適配硬件性能低的遠程設備以及網絡狀態不良的情況。其定義對象為MQTT客戶端與MQTT服務端。其中MQTT服務端是整個以MQTT協議為基礎的通信網絡系統的核心，本文的系統使用的是阿里云IOT云服務器作為MQTT協議的服務端，以受控設備端和移動手機端來實現系統中發布與訂閱兩者之間的關系，系統訂閱和發布的基本流程如圖3所示，整個通信過程主要包括以下三個部分：

圖3 系統信息訂閱與發布流程

（1）構建連接。在受控設備端與移動手機端建立可靠連接的基礎上，受控客戶端會給阿里云IOT云服務端發送CONNECT連接報文，請求與阿里云IOT云服務端建立連接，在阿里云IOT云服務端同意構建連接的同時，會給客戶端回復CONNACK確認連接報文同意連接，并且成功建立客戶端與服務端的連接。

（2）主題訂閱。在客戶端與服務端成功連接后，客戶端會給阿里云IOT云服務端發送SUBSCRIBE訂閱主題報文，阿里云IOT云服務端會驗證發送的訂閱報文是否是正確，并返回一個結果值。

（3）消息發布。在客戶端與服務端成功連接后，客戶端會給阿里云IOT云服務端發送PUBLISH報文來發布消息，這里首先是移動手機端向阿里云IOT云服務端發送控制智能家居的控制命令，阿里云IOT云服務端收到命令之后將這些控制命令推送給智能家居設備控制客戶端，以此實現遠程控制智能家居的功能。

若將系統信息訂閱與發布的過程程序化就可以得到如下源碼：

4 客戶端APP設計與系統實測

為更好的適配手機端應用，本設計在Eclipse環境中運用Java語言編寫了安卓手機APP軟件，其操作界面如圖4所示。系統運行時先將云下平臺上電，保證家居路由器正確訪問外網，等待ESP8266模組通過MQTT協議連接到阿里云IOT云服務端，若系統正確連接到云端，打開APP后應能看到“繼電器”對象顯示“在線”狀態，此時點開控件進行繼電器開關操作即可，手機端的操作最終會變成消息傳送到云平臺，再由云平臺傳給節點所在的ESP8266模組，最終控制云下平臺的實體繼電器開關。經過實測，移動手機端可在APP上遠程操控家居節點，平均網絡延遲小于5秒，操作正確率優于95%，至此完成了系統功能驗證。

圖4 云智能APP的操控界面

5 結語

本設計作為單片機類電子工藝實訓項目在實際實驗中取得了較好的效果，通過本文設計的云上平臺和云下平臺，可以實現用戶對家居的遠程控制。設計中使用的ESP8266模組本身也是個32位的微處理器核心，完全可以在其內部編寫專屬軟件，自行連接個性化云服務平臺，利用MQTT訪問云端后臺，通過系統信息訂閱與發布實現信息雙向傳遞。還可以繼續擴展APP功能，做成多用戶、多節點的統一管理，以適配不同規模的智能家居測控應用。