基于騰訊物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的教室節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)

江達(dá)飛 徐中貴

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000）

0 引言

隨著各類大、中專院校的不斷擴(kuò)建，學(xué)校教室、實(shí)訓(xùn)室等對(duì)于電的需求也越來越大， 很多教室在沒有老師和學(xué)生的情況下，空調(diào)、電燈、電腦等耗電量大的電器設(shè)備依然處于工作狀態(tài)， 造成電能的巨大浪費(fèi)，給學(xué)校經(jīng)濟(jì)帶來極大的損失， 為此， 提高學(xué)校教室的電能利用率是建設(shè)節(jié)約型高校所必須考慮的問題。 騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一個(gè)提供了安全、 穩(wěn)定、 高效的連接平臺(tái)，它支持MQTT 協(xié)議的接入，終端設(shè)備只要內(nèi)嵌有MQTT 協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的數(shù)據(jù)互通； 支持規(guī)則引擎轉(zhuǎn)發(fā)， 通過設(shè)置簡單的SQL 語句， 即可將終端上傳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至騰訊云平臺(tái)下的其它服務(wù)器中， 配合微信公眾號(hào)或小程序即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的讀取與發(fā)送。ESP8266 是一塊專門為物聯(lián)網(wǎng)量身定做的WIFI 芯片，具有集成度高、 價(jià)格低廉、 功耗低等特點(diǎn)并且支持二次開發(fā)，使用騰訊云、ESP8266 開發(fā)平臺(tái)以及微信客戶端構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)節(jié)電控制系統(tǒng)， 可實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)教室用電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中ESP8266 是整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信設(shè)備同時(shí)也是主控制器， 本設(shè)計(jì)使用了安信可ESP-12S 模塊， 它采用32 位的Tensilica L106 超低功耗微處理器作為其核心處理器， 支持80MHz 和160Hz 的主頻，模塊引出了所有的I/O 口，方便用戶進(jìn)行外部擴(kuò)展； 模塊帶有睡眠功能， 在進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)時(shí)，電流僅為10uA，在使用電池的場(chǎng)景下仍可正常使用。 教室溫度的獲取使用DHT11 傳感器，它使用單總線通信模式， 與ESP8266 的通用I/O 直接相連， 通過對(duì)溫度的測(cè)量， 即可判斷教室空調(diào)是否開啟；光照度傳感器使用BH1750，與ESP8266 的IIC 總線相連， 通過對(duì)多個(gè)教室光照度的對(duì)比， 管理員可知悉教室燈是否已被正常關(guān)閉； 霍爾傳感器與磁鐵配合，可用于檢測(cè)當(dāng)前教室的門窗是否已經(jīng)正常關(guān)閉， 使用單極性霍爾開關(guān)YH3144，使用ESP8266 的ADC 接口對(duì)霍爾傳感器輸出電壓進(jìn)行采集， 通過將電壓與閾值的進(jìn)行比較， 即可推斷當(dāng)前門窗的狀態(tài)。 控制系統(tǒng)的輸出總共包含3 種形式，分別是繼電器控制、LED 狀態(tài)輸出及紅外LED，繼電器通過光耦與ESP8266 芯片連接，可用于教室內(nèi)諸如燈、 終控系統(tǒng)等強(qiáng)電的開關(guān)控制；紅外接收器用于學(xué)習(xí)空調(diào)、 電視等遙控器的紅外信號(hào)，并將信號(hào)編碼數(shù)據(jù)存在ESP8266 的FLASH 之中，當(dāng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，即可將FLASH 中的編碼信號(hào)讀取并通過紅外LED 進(jìn)行發(fā)送。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ESP8266 支持無操作系統(tǒng)的Non-OS SDK 和帶有FreeRTOS 操作系統(tǒng)的RTOS SDK，本設(shè)計(jì)使用Non-OS SDK，SDK 以u(píng)ser_init () 函數(shù)作為程序的入口函數(shù)，在user_init()中首先實(shí)現(xiàn)FLASH 數(shù)據(jù)的讀取，打印串口初始化等一系列操作，然后對(duì)傳感器及輸出設(shè)備所使用I/O 口進(jìn)行相關(guān)配置，使用PIN_FUNC_SELECT()宏定義可將相應(yīng)I/O 設(shè)置為輸出或者輸入模式，安信可ESP-12S 模塊引出的所有I/O 口中，除了GPIO9 和GPIO10 作為內(nèi)部FLASH引出腳不能直接使用外，其它都可以作為通用IO 口。

Non-OS SDK 不支持多線程操作，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的讀取， 本設(shè)計(jì)采用了Non-OS SDK 提供的軟件定時(shí)器功能，使用os_timer_setfn()函數(shù)為每個(gè)傳感器采集任務(wù)注冊(cè)一個(gè)回調(diào)函數(shù)，并使用os_timer_arm()設(shè)置相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間，值得注意的是，軟件定時(shí)器是單周期的，定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，只執(zhí)行一次回調(diào)函數(shù)， 為使得傳感器數(shù)據(jù)能夠周期性的讀取， 在回調(diào)函數(shù)中必須在此使用os_timer_setfn () 和os_timer_arm()對(duì)任務(wù)進(jìn)行重新設(shè)置。

系統(tǒng)軟件流程圖如2 所示，MQTT 程序移植了樂鑫官方提供的標(biāo)準(zhǔn)MQTT 庫函數(shù)，在初始化階段，程序完成了連接、 訂閱主題和推送主題的相關(guān)設(shè)置， 使用騰訊云作為 MQTT 服務(wù)器時(shí)，MQTT 連接所使用的ClientID 由productID 和deviceName 兩個(gè)字符串連接而成，productID 和deviceName 是在注冊(cè)騰訊云產(chǎn)品時(shí)服務(wù)器為每個(gè)產(chǎn)品所生成的唯一識(shí)別碼。 username 字段的格式為：productID;deviceName;sdkappid;connid; 過期時(shí)間。 騰訊云平臺(tái)支持用戶使用設(shè)備證書和密鑰簽名兩種方式接入，考慮到ESP8266 內(nèi)存的限制，本設(shè)計(jì)使用密鑰簽名方式接入，在這種方式下，MQTT 連接參數(shù)中的password 字段格式應(yīng)該設(shè)置為：token;hmac 簽名方法， 其中token 是使用HMAC-SHA1 算法對(duì)username 進(jìn)行加密后所生成的字符串，hmac 簽名方法字段填寫第三步用到的摘要算法，這里填寫HMAC-SHA1。 數(shù)據(jù)初始化完成之后， 使 用MQTT_OnConnected ()、MQTT_OnDisconnected ()、MQTT_OnPublished()、MQTT_OnData()等函數(shù)注冊(cè)相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，并主動(dòng)連接路由器，在WIFI 模塊成功獲得IP 地址之后，使用MQTT_Connect()函數(shù)連接MQTT 服務(wù)器，當(dāng)連接成功時(shí)，MQTT_OnConnected()所注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)會(huì)被自動(dòng)調(diào)用，此時(shí)可以通過MQTT_Subscribe()訂閱主題，訂閱主題格式為${productID}/${deviceName}/control。

M QTT 數(shù)據(jù)的收發(fā)都采用JSON 格式， 使用CJSON庫可簡化JSON 數(shù)據(jù)的操作，CJSON 在ESP8266 上移植時(shí)，由于ESP8266 不支持浮點(diǎn)運(yùn)算，為此必須把與浮點(diǎn)相關(guān)的函數(shù)進(jìn)行屏蔽。 當(dāng)程序收到服務(wù)器端的推送消息后， 使用cJSON_Parse () 函數(shù)即可將字符串轉(zhuǎn)換為JSON 格式，然后調(diào)用cJSON_GetObjectItem()即可得到相應(yīng)的鍵值， 根據(jù)鍵值即可獲得用戶的控制指令。 使用CJSON 庫時(shí)，必須注意內(nèi)存泄漏問題，在使用完cJSON對(duì)象后， 必須使用cJSON_Delete () 函數(shù)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行釋放。

3 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)的基于騰訊物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的教室節(jié)能控制器，僅使用一塊WIFI 芯片ESP8266 及少量為外圍設(shè)備便實(shí)現(xiàn)了對(duì)高校教室溫度、 光強(qiáng)度、 門開關(guān)等狀態(tài)的采集，通過MQTT 協(xié)議以及騰訊物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶就可以遠(yuǎn)程操作教室中燈、空調(diào)、電視等大型設(shè)備，極大的減小了高校管理員的工作壓力， 具有較好的市場(chǎng)前景和研究價(jià)值。