基于4G的云端智能物聯應用系統設計

梁順可 牙舉輝 徐奕森 黃志明

（1.廣州城市理工學院 機械工程學院，廣州 510800；2.廣州城市理工學院 機器人工程學院，廣州 510800）

1 系統整體設計思路

系統整體結構圖如圖1所示。它以中央協調器為控制中心，結合多個子終端和云端服務，實現終端數據上傳云端。同時，在小程序端獲取控制指令并下發至各個終端，實現遠程物聯系統。以終端數據上傳云端為例，說明數據的流向。終端ZigBee模塊通過傳感器采集數據后，會在其內部進行相關的邏輯處理，之后會采用ZigBee協議無線傳輸給中央協調器上的ZigBee模塊。它收到數據后會通過串口轉發至STM32F405RGT6進行處理，完成后將數據通過物聯網（Internet of Things，IoT）模塊上傳至云端。小程序從云端服務器的數據庫中可以讀取到相應的數據，隨后在小程序上更新顯示。它的中央協調器和云端交互采用的物聯網模塊是型號為EC20CEHCLG MINIPCIE-C的4G模塊或者型號為ESP8266的Wi-Fi模塊，兩者通過消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議實現數據交互[1]。中央協調器和各個終端之間采用ZigBee協議實現數據的交互，其中終端可以靈活添加不同的類型。本文采用氣體檢測終端、燈光控制終端以及寵物管理終端為例進行設計分析。

圖1 基于4G的云端智能物聯應用系統的整體結構

2 系統硬件設計

2.1 中央協調器硬件設計

中央協調器模塊整體如圖2所示，主要包含ESP8266模 塊、EC20CEHLG模 塊、STM32F405RGT6、ZigBee模塊、供電模塊以及外圍電路模塊。其中，ESP8266模塊、EC20CEHLG模塊以及ZigBee模塊都是通過通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）和STM32F405RGT6連接，給這些模塊提供工作電壓和SSS電流，同時保障協調器正常工作的必要外圍電路模塊[2]。

圖2 中央協調器硬件電路整體結構

協調器在電路設計上，信號交互的模塊之間引腳連接的對應關系如表1所示[4]。按這個關系連接每個模塊，就可以完成數據的物理交互基礎。

表1 主控芯片與主要模塊引腳對應關系

其中，協調器的供電部分是設計重點。圖3是設計的供電流程圖，采用12 V外部輸入電源，通過型號為MIC29302的DC-DC芯片，提供3.8 V/3 A的供電環境給EC20CEHLG模塊，同時通過XL2596 S-5.0E1的DC-DC芯片提供5 V/3 A的供電給后級電路。最后，通過示波器測量得到本供電結構的設計可行性。測量中，的為XL2596S-5.0E1提供的5 V電壓部分為14.2 mV，紋波最大。實際測量結果如圖4所示。

圖4 示波器測量紋波結果

圖2-23 系統供電流程圖

2.2 終端硬件設計

終端類型較多，但是所有終端的電路設計都是在相同的架構上完成的，如圖5所示。終端電路包含的主要模塊有供電模塊、ZigBee模塊、傳感器模塊和相應的執行器[5]。以燈光控制器為例分析，燈光控制器供電電壓是220 V交流電（Alternating Current，AC），此時需要使用供電模塊將其轉化為3.3 V電源給ZigBee模塊提供工作電源。傳感器模塊是使用光傳感器實時采集環境的光亮度。執行器是控制燈具電路通斷的雙向可控硅。

圖5 終端電路設計架構

3 系統程序設計

協調器的程序設計思路如圖6所示。開始時，先通知指令控制通信模塊連接到EMQ服務器。連接成功后，完成主題的訂閱和發布，獲取到服務器存儲的初始數據，通過STM32F405進行數據解析，最后重新打包處理對應終端的數據，并按規則發送到指定終端，完成終端數據的更新。此時，判斷是否有小程序數據的更新。如果有，重復以上步驟完成數據下發；如果沒有，小程序數據的更新會判斷是否有終端數據上傳。若有數據上傳，則轉化到STM32F405解析后上傳云端實現數據同步。經過測試可知，設計的程序運行可靠。

圖6 程序整體邏輯關系

ZigBee模塊通過傳感器采集數據后按指定的協議格式打包處理，通過無線模式中的點播發送至協調器。如果終端收到數據，會在模塊上處理，并驅動相應的執行器進行工作。

4 結語

本文從電路設計和程序設計兩方面介紹設計的細節，開展了長時間、多環境的實際運行測試，證明該設計方案可以達到預期目標和使用效果。結果表明，該方案能解決智能物聯系統成本與使用門檻的問題，同時實現了系統化實現智能家居的產品開發，彌補了目前智能家居單一模式的產品設計與方案，可為更多的智能家居設計提供參考方案。與市面上的部分智能家居產品相比，本設計具有更大的靈活性和拓展性。