基于OneNET云平臺與物聯網MQTT協議的智慧節能控制系統

龍巧玲，牛德雄，林利云

(1.廣東科學技術職業學院 計算機工程技術學院(人工智能學院)，廣東 珠海 519090；2.華南農業大學 數學與信息學院軟件學院 ，廣州 510642)

0 引言

目前，高校教室以多媒體教室為主，且建設形式多以投影儀、音響為主，較為單一。自從進入21世紀，計算機與網絡普及，解決實踐教學基地節約能耗和安全管理等問題的主流技術是依托“智慧校園”[1]。“智慧校園”是指通過云計算、互聯網技術和物聯網等新技術的融合，將學校的教學、科研、管理與校園資源和應用系統進行整合，以提高應用交互的明確性、靈活性和響應速度，從而實現智慧化服務和管理的校園模式。在物聯網背景下，智能控制越來越普及到日常生活中[2]。文獻[3]設計了一種基于云端平臺的智慧節能控制系統，該系統使用一種嵌入式環境架構，為學生營造智能、舒適學習環境，雖然提高了學生學習效率，但電能耗費較大；文獻[4]設計了基于物聯網智慧節能控制系統，該系統在Wifi環境下，能夠智能控制電子設備，但該環境容易受到黑客攻擊，導致實訓室管理并不安全。

為此，提出了基于OneNET云平臺與物聯網MQTT協議的智慧節能控制系統，該系統通過“智慧管理”項目的建設管理服務平臺，致力于解決大中小學校實訓室用電器電能浪費以及安全管理的問題，提高學校的信息化服務水平和工作效率，推動學校“智慧校園”建設，成為提升學校核心競爭力的手段。

1 系統總體架構設計

將基于OneNET云平臺與物聯網MQTT協議的智慧節能控制系統總體架構應用對學校教室用電器智能控制系統當中，當管理員在移動APP發出指令，通過后臺數據處理傳到服務器；或者后臺服務器讀取已經設定好的課表信息，服務器通過基于中國移動OneNet平臺的MQTT協議跟硬件的HTML5-Net完成網絡通訊。平臺包括移動客戶端、設備控制端和后臺等子系統，移動客戶端與后臺子系統依據用戶可視時間節點作出智能控制判斷，實現節電與安全管理，監控過程的查詢、統計。通過硬件控制教室里的多個用電器開關等操作，實現教室智能化控制系統設計。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

由圖1可知，該系統包括移動終端，設備控制端兩個子系統。其中，移動終端包含智能課表控制，課表錄入，節電查詢等功能，移動端app從使用者的角度設計，任何管理員只要擁有安卓手機都能輕松上手使用，操作界面簡潔易用。設備控制端的一個端口跟用電器總開關連接，端口使用的是電磁繼電器開控制開關，這樣就可以達到以小電流驅動大電流的效果，設備的電源跟用電器的電源完全隔離，保證設備運行的安全[5]。

2 系統硬件結構設計

硬件設備端的端口使用電磁繼電器控制開關并與用電器總開關連接，實現以小電流驅動大電流的效果。通過人體紅外感應模塊，能夠智能識別教室有無人[6]。設備端的電源跟用電器的電源完全隔離，保證設備端運行安全。系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

由圖2可知，通過采集實訓室的數據上傳到管理平臺，平臺發出控制指令；后臺服務器讀取已經設定好的配置數據(如實訓室使用安排信息)自動控制或者手動產生控制流信號，再通過中國移動OneNET物聯網云平臺基于MQTT協議與工控板完成網絡通訊，最后通過設備端控制教室的多個用電器的開、關操作，從而實現實訓室智能化控制[7]。

2.1 OneNET物聯網云平臺

基于物聯網技術和產業特點打造的OneNET物聯網云平臺和生態環境，適配各種網絡環境和協議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數據服務，提供豐富的API和應用模板以支持各類行業應用和智能硬件的開發，能夠有效降低物聯網應用開發和部署成本，滿足物聯網領域設備連接、協議適配、數據存儲、數據安全、大數據分析等平臺級服務需求。

2.2 HTML5-20工控板

工業控制板HTML5-20主控板采用HTML5-20主控模式，支持 WIFI無線網絡連接模式，同時也支持 MQTT協議與發布訂閱模式[8]。該工控板能夠實時接收控制指令，通過 WebSocket協議與MQTT進行快速透明通信。控制板內部含有紅外遙控模塊，可連接攝像機、溫濕度傳感器等多種傳感器模塊，通過程序連接 OneNET云平臺，實現與工業板的通信。

工控板跟用電器連接整體結構圖如圖3所示。

圖3 工控板跟用電器接整體結構圖

工控板在-20 ℃和20 ℃間可以穩定、無故障運行，其除了可以提供類似遠程管理外，還可以實現無人值守自動開關機工作，通過嵌入的IPMB模塊，可以實現系統實時運行信息的記錄與管理作用[9-10]。在遇到系統突然無法工作情況時，工控板相當于看門狗，實現自動重啟工作，保證系統在復雜環境下達到穩定性要求。

2.3 傳感器

使用MLX90614型號紅外溫度傳感器，在器件接收到輻射能源之后，溫度隨之升高，使傳感器中某一組件與溫度發生改變，通過檢測出某一組件發生改變，就可探測出輻射。MLX90614 是一款無接觸式的紅外線溫度感應芯片，它在同一TO-39封裝內整合了紅外熱電堆感應器與一款定制的信號調節芯片。在信號調節芯片中使用了先進的低噪音放大器，實現高精度溫度測量。

2.4 HC-SR501人體紅外感應模塊

HC-SR501人體紅外感應模塊是基于紅外線技術的自動控制模塊，廣泛應用于自動感應電器設備之中，功效小且用干電池也能為其供電。當其檢測到移動中人的時候，可將輸出端轉變為高電平，而當人離開后，延時一段時間后，輸出端恢復成低電平形式。一旦拆開透視鏡，就能看到熱釋電紅外傳感器，對人體發射的紅外線敏感，其長方形黑色玻璃就是人體紅外感受區，該區域主要是由兩個探頭元件組成的，當兩個元件接收到較大紅外強度差時，該模塊就會在輸出端轉變為高電平形式。利用平臺監控實訓室是否按時開關門，同時通過人體紅外感應模塊HC-SR501自動感應實訓室內是否有人，智能開啟與關閉教室用電器，給管理員發出預警信號，從而在實訓室、辦公場所等應用上起到節能和安全防患的作用。

2.5 后臺服務器

后臺服務器通常用作數據備份，并與前臺交換數據，通過注冊的安全賬號，保存有用數據。通過該服務器，即使前臺被攻擊，后臺數據還是相對安全的。后臺服務器隨著PC技術提高，配置也升級，通常采用SCSI接口硬盤，采用SATA串行接口，支持16 GB數據存儲，充分滿足教案共享、數據處理和簡單數據庫應用標準。

后臺服務器除了可以跟學校的官網互相聯通，還可以根據課表后臺系統對設備進行智能控制。服務器根據學校官網提供的課程表信息，分析出不同時間段不同教室需要使用，對需要使用的教室及時打開教室設備，給學生營造一個舒適的上課環境。對不需要使用的教室及時關閉用電器的電源，避免造成電能的浪費。

3 系統軟件部分設計

物聯網協議之一MQTT協議，根據手動或是自動利用MQTT協議發送信息。使用 TCP/IP 提供網絡連接，提供有序、無損、雙向連接；MQTT 是一種連接協議，它指定了如何組織數據字節并通過 TCP/IP 網絡傳輸它們。對負載內容屏蔽的消息傳輸；可以對消息訂閱者所接收到的內容有所屏蔽。

系統軟件部分功能模塊設計如圖4所示。

圖4 系統軟件部分功能模塊

由圖4可知，擁有該學校教室管理權限的教室管理員登錄手機App，把教室的使用時間節點(或課表)信息錄入系統，系統便會根據課表信息自動化按時管理教室用電器，同時教室管理員還可以直接登錄手機App控制教室的用電器，管理哪些用電器需要根據課表情況定時開關，即個性化選擇。比如冬天不需要開空調，管理員則可關閉空調的智能控制。

3.1 移動控制功能

通過手機app端等移動設備進行控制，獲取教室設備(如空調)的信息并控制其運行。本功能是通過物聯網設備提供的，也是由互聯網網絡傳輸控制信息的。教師可以通過手機應用程序隨時隨地獲取學校內各教室的用電器信息，如果教室需要臨時使用，教師可以通過手機應用程序查詢到該教室所需的時間段，讓教室的用電器在規定的時間段內開啟，不在規定的時間段內的指定用電器將保持關閉狀態，打開指定用電器后通過應用程序通知教師該教室的用電器已經打開，教師無需走進教室就能輕松管理教室的用電器，拿著手機就能輕而易舉地管理各教室的設備狀態。

3.2 遠程智能控制功能

在遠程智能控制中接入OneNET平臺，接入流程為：通過登錄注冊，創建新產品，并新增電子設備和數據流，通過該功能查看數據，并建立新功能。

1)機構管理員的管理功能:

學校機構的管理員可以在后臺對各個教室的信息進行管理，管理后臺數據庫信息，其管理流程如圖5所示。

圖5 管理流程

2)設備運行報表功能:

用電器的每次開啟和關閉，都會對設備名稱、年月日時分秒、對設備的操作作記錄，形成一個報表提供給管理員校對教室設備的運行情況。

3)自動檢修功能:

當管理員使用APP發送的指令沒有及時得到相應的返回結果，我們的平臺就會判斷這臺教室設備出了故障，便會自動通過后臺服務器返回信息，然后管理員可以通過查看信息及時檢查各個設備的情況，進而作出相應維護。

綜上所述，基于OneNET云平臺與物聯網MQTT協議的智慧節能控制系統軟件流程如圖6所示。

圖6 智慧節能控制系統軟件流程圖

如圖6所示，在C++平臺實現軟件編程，通過手機端app控制電器設備，并接入OneNET平臺，分別設計遠程智能控制功能的機構管理員管理功能、設備運行報表功能及自動檢修功能，實現智慧節能控制系統軟件設計。

4 實驗分析

系統開發的目的就是實際使用于工作場景中，所以對開發的每項功能和性能都進行反復測試。主要從功能測試、物聯網的聯通測試、數據庫測試等方面進行，不斷排查bug，編輯測試用例，提交問題反饋給開發人員，循環檢測，最終完美實現功能運用。

4.1 電能浪費檢測

分別使用基于云端平臺的智慧節能控制系統、基于物聯網智慧節能控制系統和基于OneNET云平臺與物聯網MQTT協議控制系統，檢測電能浪費情況，對比結果如表1所示。

表1 不同系統電能浪費對比結果

由表1可知，使用OneNET云平臺與物聯網MQTT協議系統的風扇耗電量比兩種傳統方法要少，最少耗電為40 W。而電燈耗電也比兩種傳統方法少，最少耗電為0.1度。由此可見，基于OneNET云平臺與物聯網MQTT協議的智慧節能控制系統能夠實現電器節能控制。

4.2 實訓室安全管理檢測

分別使用基于云端平臺的智慧節能控制系統、基于物聯網智慧節能控制系統和基于OneNET云平臺與物聯網MQTT協議控制系統，檢測實訓室安全管理情況，對比結果如表2所示。

表2 不同系統實訓室安全管理檢測對比結果

由表2可知，使用文獻[3]系統和文獻[4]系統的溫度高、濕度低，說明實訓室出現了不安全情況，而使用OneNET云平臺與物聯網MQTT協議系統在溫度和濕度均在正常監管范圍內，說明實訓室處于安全狀態。通過上述分析可知，所設計系統的安全管理效果較好。

5 結束語

設計的基于OneNET云平臺與物聯網MQTT協議的智慧節能控制系統，從實現工控板與用電器的連接，再到編寫移動客戶端程序及后臺程序，應用物聯網、基于OneNET云平臺、移動互聯網等技術，實現手機設備端、網絡服務器、教室用電設備的互聯互通，從而實現對教室用電器的控制。通過進行多次測試證明，本系統運行正常，功耗低，實用性強，可大力推廣運用。