基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的家居設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱金波 邱旭華 張秋晶 吳潔華

(廣東石油化工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,廣東 茂名525000)

1 概述

隨著5G 的快速發(fā)展、基站等基礎(chǔ)設(shè)施的全面建設(shè)、新基建概念的出現(xiàn),都會(huì)促使世界發(fā)生翻天覆地的變化,所有的物體都連接上互聯(lián)網(wǎng),建立起物與物、人與物的通訊無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng),這樣的物聯(lián)網(wǎng)會(huì)影響到生活的方方面面,會(huì)滲透到智能家居、自動(dòng)駕駛、智能物流、環(huán)境監(jiān)控、自適應(yīng)電力、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。智能家居系統(tǒng)主要具備安防和控制兩大功能。安防包括防火、防盜竊、防有害氣體泄漏等對(duì)財(cái)產(chǎn)安全、環(huán)境安全的保護(hù)措施,對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行近程或者遠(yuǎn)程控制[1]。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由溫度采集模塊、光強(qiáng)采集模塊、控制終端、STM32F103c8t6 微處理器模塊、ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模組、路由器、消息服務(wù)器、Web 服務(wù)器和手機(jī)客戶端組成,研究設(shè)計(jì)具有感知控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層和應(yīng)用服務(wù)層這三層結(jié)構(gòu)的家居設(shè)備控制系統(tǒng)[2]。

由圖1 和物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的定義可以看出,在本系統(tǒng)中,溫度采集模塊、光強(qiáng)采集模塊、控制終端、STM32F103c8t6 微處理器模塊屬于系統(tǒng)的感知控制層,ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模塊作為連接感知控制層和網(wǎng)絡(luò)通信層的網(wǎng)關(guān),路由器、MQTT 消息服務(wù)器屬于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信層,Web 服務(wù)器和手機(jī)客戶端屬于系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)層。

3 三層架構(gòu)之感知控制層設(shè)計(jì)

感知控制層設(shè)計(jì)方案：

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,感知控制層負(fù)責(zé)溫度、光強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集和燈光、風(fēng)扇的控制,為了模擬實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境,將設(shè)計(jì)三個(gè)獨(dú)立的硬件設(shè)備節(jié)點(diǎn)分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 設(shè)備節(jié)點(diǎn)1 框架圖

圖3 設(shè)備節(jié)點(diǎn)2 框架圖

設(shè)備節(jié)點(diǎn)1 實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的采集和燈光的控制,由于光強(qiáng)采集和燈光控制都受同一個(gè)微處理器控制,所以微處理器能夠直接通過(guò)光強(qiáng)采集模塊獲取光強(qiáng)數(shù)據(jù)并分析后,便可直接調(diào)節(jié)燈光亮度,而不需要將光強(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器再等待服務(wù)器的操作指令,因?yàn)槲⑻幚砥髟诒镜鼐湍茏约韩@取數(shù)據(jù)并且有一定的運(yùn)算能力,設(shè)備節(jié)點(diǎn)1 調(diào)節(jié)速度更快、而且不受外界網(wǎng)絡(luò)影響,但相對(duì)也設(shè)備結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜設(shè)備節(jié)點(diǎn)1 框架如圖2 所示。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)2 實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集與上傳,主要包括溫度采集模塊和ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模組,溫度采集模塊將采集的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模組,ESP8266 再通過(guò)MQTT 協(xié)議發(fā)布溫度數(shù)據(jù)到MQTT 消息服務(wù)器上,數(shù)據(jù)最終會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到訂閱了該發(fā)布主題的設(shè)備上,設(shè)備節(jié)點(diǎn)2 框架如圖3 所示。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)3 實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的控制,設(shè)備三主要包括一個(gè)ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模組和一個(gè)小風(fēng)扇,ESP8266 連接MQTT 消息服務(wù)器后,向服務(wù)器訂閱相關(guān)主題,手機(jī)客戶端想要控制風(fēng)扇只需要向相關(guān)主題發(fā)布相關(guān)指令就可以遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇,Web 服務(wù)器收到溫度數(shù)據(jù),如需智能調(diào)節(jié)風(fēng)扇也能夠向消息服務(wù)器發(fā)布相關(guān)指令,從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)扇的目的設(shè)備節(jié)點(diǎn)3 架構(gòu)如圖4所示。

圖4 設(shè)備節(jié)點(diǎn)3 架構(gòu)圖

4 三層架構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用服務(wù)主要包括Web 服務(wù)器和手機(jī)客戶端,Web 服務(wù)器通過(guò)消息服務(wù)器的HTTP 接口創(chuàng)建訂閱,實(shí)時(shí)接收設(shè)備發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù),在Web 服務(wù)器中能夠方便地將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,能夠?qū)Υ罅康臍v史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,也能夠?qū)崟r(shí)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)設(shè)備,Web服務(wù)器通過(guò)消息服務(wù)器的HTTP 接口也可以實(shí)時(shí)發(fā)布消息。Web 服務(wù)器可以自動(dòng)地分析數(shù)據(jù)然后調(diào)節(jié)設(shè)備,并不需要人為的控制,如果希望人工打開(kāi)設(shè)備和關(guān)閉設(shè)備,可以在應(yīng)用服務(wù)層加入手機(jī)客戶端,手機(jī)客戶端不但可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制設(shè)備,還能夠顯示設(shè)備上傳的最新數(shù)據(jù),手機(jī)客戶端可以直接連接消息服務(wù)器進(jìn)行訂閱發(fā)布操作而無(wú)需通過(guò)Web 服務(wù)器[5]。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)整體調(diào)試階段,基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在調(diào)試中相比無(wú)架構(gòu)分明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)而言,調(diào)試的效率更具有優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)調(diào)試中,可先將系統(tǒng)清晰分為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層、應(yīng)用服務(wù)層分別進(jìn)行調(diào)試,各層分別調(diào)試完成后結(jié)合成一個(gè)整體便可完成調(diào)試工作,降低系統(tǒng)整體調(diào)試難度。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要分為三層,分別為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層和應(yīng)用服務(wù)層。感知控制層負(fù)責(zé)感知與控制,利用光強(qiáng)采集模塊與溫度采集模塊采集環(huán)境的光強(qiáng)數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù),并通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制燈光與風(fēng)扇設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)通信層負(fù)責(zé)感知控制層與應(yīng)用服務(wù)層的通信,利用MQTT 消息服務(wù)器實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)布/訂閱功能；應(yīng)用服務(wù)層負(fù)責(zé)客戶端和云端應(yīng)用服務(wù)的提供,包括了Web 服務(wù)器的場(chǎng)景控制和手機(jī)客戶端的實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制,在相關(guān)領(lǐng)域的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,起到一定的工程借鑒意義。