基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的寢室智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

洪政 李自豪 王瑜琳 錢(qián)欣麗

摘?要：通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用行業(yè)起到了重要的支撐作用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用不僅改變了人們的生活方式，而且對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)寢室智能化系統(tǒng)，以網(wǎng)關(guān)模塊、傳感器模塊、執(zhí)行器模塊、門(mén)禁模塊4個(gè)硬件模塊作為環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和上報(bào)，MQTT服務(wù)器作為傳感器數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)，前后臺(tái)軟件系統(tǒng)作為服務(wù)，進(jìn)行功能展示驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了寢室的智能化，提升了學(xué)生住宿環(huán)境的智能化水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；硬件模塊；MQTT服務(wù)

1?概述

隨著通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，通信的質(zhì)量和速率都在快速提高，而通信傳輸技術(shù)對(duì)于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用行業(yè)起到了重要的支撐作用，物聯(lián)網(wǎng)不管是對(duì)整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展還是對(duì)個(gè)人的生活，都體現(xiàn)了重要的作用。而物聯(lián)網(wǎng)中的通信技術(shù)眾多，如ZigBee通信、4G通信、NBIOT通信、WiFi通信等，這些都可以應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)行業(yè)。現(xiàn)如今，各高校寢室的智能化水平普遍偏低，寢室中的燈光、門(mén)禁等設(shè)施采用傳統(tǒng)的手動(dòng)開(kāi)啟方式，沒(méi)有智能化的控制功能，基于上述問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的寢室智能化系統(tǒng)，進(jìn)行對(duì)寢室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和上報(bào)，利用WiFi通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)中，用戶(hù)可以通過(guò)APP學(xué)生端實(shí)時(shí)查看寢室的狀況，同時(shí)對(duì)寢室的燈光進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對(duì)寢室的大門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2?系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的寢室智能化系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)層、應(yīng)用層，如圖1所示。

感知層主要是使用MCU通過(guò)各種傳感器對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳至網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)絡(luò)層主要是運(yùn)用多種通信協(xié)議，將感知層所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至后端服務(wù)器，其中主要的協(xié)議為MQTT協(xié)議和HTTP協(xié)議，MQTT適合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，而HTTP協(xié)議適合一般業(yè)務(wù)功能的訪問(wèn)；基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)層主要是后端所運(yùn)用的軟件基礎(chǔ)設(shè)施和微服務(wù)；應(yīng)用層主要是Webpages、Android。管理前臺(tái)運(yùn)用的就是Webpages，而學(xué)生移動(dòng)端使用的是Android。

3?硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)寢室智能化系統(tǒng)硬件設(shè)備分為傳感器模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、執(zhí)行器模塊、門(mén)禁模塊4個(gè)硬件模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)寢室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和上報(bào)。

3.1?傳感器模塊

傳感器模塊啟動(dòng)后會(huì)初始化各個(gè)傳感器，初始化完成后將以每隔1.5秒的間隔采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，每采集一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)就將數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee發(fā)送至網(wǎng)關(guān)模塊，交由網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行處理。傳感器模塊中包括的設(shè)備有MCU（主控為Atmega328P）、HCSR505人體紅外傳感器、BH1750FVI光照度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、CN3052A電源管理IC、CC2530Zigbee模塊。

3.2?網(wǎng)關(guān)模塊

網(wǎng)關(guān)模塊的功能主要是將各個(gè)硬件設(shè)備節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，并且還要能接收服務(wù)器的執(zhí)行器控制指令。網(wǎng)關(guān)模塊啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)連接到預(yù)設(shè)的WiFi，使其具備網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)功能，然后連接到MQTT服務(wù)器。通過(guò)Zigbee實(shí)時(shí)接收傳感器模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的傳感數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)無(wú)誤通過(guò)WiFi模塊發(fā)布傳感器數(shù)據(jù)到MQTT。所以網(wǎng)關(guān)模塊在整個(gè)硬件系統(tǒng)當(dāng)中起一個(gè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用，相當(dāng)于是硬件系統(tǒng)和后臺(tái)軟件系統(tǒng)之間的一座橋梁。網(wǎng)關(guān)模塊中包括的設(shè)備有MCU（主控為Atmega328P）、CN3052A電源管理IC、CC2530Zigbee模塊、ESP01S?WiFi模塊。

3.3?執(zhí)行器模塊

執(zhí)行器模塊會(huì)通過(guò)Zigbee與網(wǎng)關(guān)模塊建立局域網(wǎng)通信，當(dāng)服務(wù)器下發(fā)執(zhí)行器控制命令到網(wǎng)關(guān)模塊時(shí)，網(wǎng)關(guān)模塊會(huì)立即將執(zhí)行器控制命令發(fā)送到執(zhí)行器模塊，執(zhí)行器模塊會(huì)立即做出相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作。在本系統(tǒng)中，執(zhí)行器模塊設(shè)有一個(gè)5V繼電器，通過(guò)MCU對(duì)繼電器進(jìn)行控制，當(dāng)MCU對(duì)繼電器控制成功后會(huì)隨即發(fā)送一個(gè)控制成功的指令給網(wǎng)關(guān)模塊，當(dāng)網(wǎng)關(guān)模塊收到指令后不再對(duì)執(zhí)行器模塊進(jìn)行控制，此次任務(wù)結(jié)束。如果網(wǎng)關(guān)模塊未收到執(zhí)行器模塊的控制成功指令，那么網(wǎng)關(guān)模塊會(huì)繼續(xù)以每隔1.5秒的間隔發(fā)送控制指令，發(fā)送的次數(shù)限制在5次，5次控制都沒(méi)有收到執(zhí)行器模塊的控制成功指令，強(qiáng)行結(jié)束此輪控制，控制失敗。要是在這期間收到執(zhí)行器模塊的控制成功指令，會(huì)中斷發(fā)送，控制成功。執(zhí)行器模塊中包括的設(shè)備有MCU（主控為Atmega328P）、CN3052A電源管理IC、CC2530Zigbee模塊、繼電器模塊。

3.4?門(mén)禁模塊

門(mén)禁模塊同樣也會(huì)通過(guò)Zigbee局域網(wǎng)通信的方式與網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行組網(wǎng)通信，并且打開(kāi)門(mén)禁的方式有兩種，第一種是通過(guò)實(shí)時(shí)接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)的開(kāi)門(mén)指令，并對(duì)指令進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)成功完成開(kāi)門(mén)動(dòng)作；第二種是通過(guò)門(mén)禁模塊自帶的MFRC522?RFID射頻模塊讀取學(xué)生校園卡進(jìn)行身份識(shí)別開(kāi)門(mén)。

開(kāi)門(mén)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)原理為MCU控制舵機(jī)帶動(dòng)門(mén)鎖的拉栓做橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成開(kāi)門(mén)動(dòng)作。開(kāi)門(mén)動(dòng)作完成后門(mén)禁模塊會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)完成開(kāi)門(mén)的指令到網(wǎng)關(guān)端，當(dāng)網(wǎng)關(guān)模塊收到指令后不再對(duì)門(mén)禁模塊進(jìn)行控制，此次任務(wù)結(jié)束。如果網(wǎng)關(guān)模塊未收到門(mén)禁模塊的控制成功指令，那么網(wǎng)關(guān)模塊會(huì)繼續(xù)以每隔1.5秒的間隔發(fā)送開(kāi)門(mén)指令，發(fā)送的次數(shù)限制在5次，5次控制都沒(méi)有收到門(mén)禁模塊的控制成功指令，就會(huì)強(qiáng)行結(jié)束此輪開(kāi)門(mén)，開(kāi)門(mén)失敗。要是在這期間收到門(mén)禁模塊的開(kāi)門(mén)成功指令，會(huì)中斷開(kāi)門(mén)指令的發(fā)送，此輪控制成功。門(mén)禁模塊中包括設(shè)備有MCU（主控為Atmega328P）、CN3052A電源管理IC、CC2530Zigbee模塊、MFRC522?RFID射頻模塊、SG90?舵機(jī)。

4?軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)寢室智能化系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括微服務(wù)組件的配置與實(shí)現(xiàn)、中間件的部署配置（RabbitMQ和EMQX）、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與主從配置、后臺(tái)軟件系統(tǒng)微服務(wù)具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，后臺(tái)軟件則是通過(guò)Docker容器技術(shù)進(jìn)行部署。

4.1?Nacos部署配置

Nacos部署在CentOS版本的Linux服務(wù)器上，采用Docker容器技術(shù)進(jìn)行部署和管理，安裝部署完成后，Nacos服務(wù)就可以啟動(dòng)了。

4.2?Gateway配置

Gateway是整個(gè)系統(tǒng)請(qǐng)求的唯一入口，請(qǐng)求鑒權(quán)和轉(zhuǎn)發(fā)，所以它是一個(gè)單獨(dú)的模塊，第一步就是新建一個(gè)模塊，并且添加Gateway的pom依賴(lài)，引入依賴(lài)后接著在該模塊中的application.yml中進(jìn)行配置，對(duì)Gateway配置完成后，由于gateway也需要注冊(cè)到Nacos中，還需要對(duì)Nacos進(jìn)行配置。可以看到，網(wǎng)關(guān)模塊的名稱(chēng)為servicegateway，這樣后續(xù)可以通過(guò)這個(gè)微服務(wù)的名稱(chēng)在Nacos中直接引用。

4.3?OpenFeign配置

在模塊中的pom中引入OpenFeign的依賴(lài)，除此之外，由于Feign底層默認(rèn)使用的URLConnection發(fā)起HTTP請(qǐng)求，不支持連接池，所以為了達(dá)到高性能，在OpenFeign中使用feignhttpclient連接池覆蓋默認(rèn)實(shí)現(xiàn)，接著就是對(duì)模塊的application.yml?進(jìn)行配置，加入openfeign和httpclient的配置，通過(guò)對(duì)依賴(lài)的引入和對(duì)模塊的配置，基本的操作已經(jīng)完成。

4.4?RabbitMQ的部署和?EMQX?的部署

RabbitMQ和EMQX?MQTT服務(wù)器都是基于Docker部署，首先拉取RabbitMQ和EMQX的docker鏡像，使用docker?run命令啟動(dòng)rabbitMQ和emqx容器，到此，RabbitMQ和EMQX的安裝部署已經(jīng)完成了。RabbitMQ就可以訪問(wèn)RabbitMQ的管理頁(yè)面進(jìn)行配置。在頁(yè)面中引入RabbitMQ的pom依賴(lài)，對(duì)模塊的application.yml進(jìn)行配置，添加RabbitMQ的配置。EMQX?SpringBoot工程模塊中引入MQTT的相關(guān)pom依賴(lài)，對(duì)模塊的application.yml進(jìn)行配置，添加mqtt配置。

4.5?數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)使用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，采用主從模式，主寫(xiě)從讀，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為兩個(gè)，dormitory_biz用于存儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，dormitory_data用于存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行器操作記錄。

4.6?主從搭建

拉取Mysql的docker鏡像，使用docker?run命令啟動(dòng)鏡像，因?yàn)槭侵鲝慕Y(jié)構(gòu)，所以至少要啟動(dòng)兩個(gè)Mysql實(shí)例，一個(gè)Master，一個(gè)Slave。接著修改Master和Slave?配置文件，使用docker?cp命令，將mysql_master和mysql_slave容器里面Mysql的配置文件my.cnf復(fù)制到宿主機(jī)，通過(guò)vim命令添加配置內(nèi)容，最后重啟mysql_slave容器。

4.7?后臺(tái)軟件系統(tǒng)微服務(wù)具體實(shí)現(xiàn)

寢室智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一個(gè)微服務(wù)項(xiàng)目，整個(gè)微服務(wù)可分為權(quán)限校驗(yàn)微服務(wù)、業(yè)務(wù)微服務(wù)、網(wǎng)關(guān)微服務(wù)、數(shù)據(jù)收發(fā)微服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)微服務(wù)、搜索微服務(wù)。除了以上微服務(wù)，還有一個(gè)SD_Common模塊提供一些通用的工具和實(shí)體類(lèi)。

權(quán)限校驗(yàn)微服務(wù)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的權(quán)限驗(yàn)證，主要負(fù)責(zé)登錄功能，并且生成JWT?Token，為后面的請(qǐng)求提供令牌。數(shù)據(jù)收發(fā)微服務(wù)在本系統(tǒng)中承擔(dān)著重要作用，它連接到MQTT代理服務(wù)器，獲取硬件設(shè)備上報(bào)的傳感器數(shù)據(jù)，并且還會(huì)下發(fā)控制數(shù)據(jù)到硬件設(shè)備，所以數(shù)據(jù)收發(fā)微服務(wù)是連接硬件設(shè)備和后臺(tái)軟件系統(tǒng)的橋梁。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)微服務(wù)同樣是本系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)收發(fā)微服務(wù)發(fā)布到RabbitMQ消息隊(duì)列中的傳感數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)立即消費(fèi)并且存儲(chǔ)到主（Master）數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)硬件設(shè)備接入量大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收發(fā)微服務(wù)接收的傳感器數(shù)據(jù)多時(shí)，可以部署多個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)微服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。搜索微服務(wù)在本系統(tǒng)中，承擔(dān)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的檢索業(yè)務(wù)，根據(jù)之前對(duì)性能的設(shè)計(jì)，搜索微服務(wù)連接使用從（Slave）數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行SELECT操作，在搜索微服務(wù)業(yè)務(wù)中，提供兩個(gè)業(yè)務(wù)模塊，分別是傳感器信息檢索業(yè)務(wù)、傳感數(shù)據(jù)報(bào)表業(yè)務(wù)。

5?功能展示驗(yàn)證

5.1?管理員前臺(tái)功能驗(yàn)證

管理員前臺(tái)的使用者是寢室樓棟的管理人員，每棟寢室樓有不同的管理人員，所以需要對(duì)管理人員進(jìn)行身份驗(yàn)證。本系統(tǒng)采用的方式為傳統(tǒng)的用戶(hù)名和密碼登錄的方式，登錄成功后，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到首頁(yè)的數(shù)據(jù)報(bào)表展示頁(yè)，該頁(yè)面可對(duì)所有的網(wǎng)關(guān)設(shè)備、傳感器設(shè)備和執(zhí)行器設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查看，以及對(duì)一周的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，包括基本的傳感器值的最大值、平均值、最小值的展示，還能對(duì)當(dāng)天的傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)按小時(shí)進(jìn)行展示。

5.2?學(xué)生移動(dòng)端功能驗(yàn)證

學(xué)生移動(dòng)端定義為學(xué)生用戶(hù)使用，每個(gè)宿舍有多個(gè)學(xué)生，所以也涉及用戶(hù)的身份校驗(yàn)，身份校驗(yàn)采用用戶(hù)名和密碼的傳統(tǒng)的形式進(jìn)行。在登錄頁(yè)之前會(huì)有一個(gè)閃屏頁(yè)，閃屏頁(yè)會(huì)對(duì)軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，以及對(duì)軟件的版本更新進(jìn)行檢測(cè)，閃屏頁(yè)過(guò)后，將跳轉(zhuǎn)到用戶(hù)登錄界面，如圖2所示。用戶(hù)輸入正確的用戶(hù)名和密碼后跳轉(zhuǎn)到移動(dòng)端主頁(yè)，主頁(yè)可對(duì)該寢室下的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，采用環(huán)狀圖的形式展示數(shù)據(jù)，還可對(duì)該寢室下的執(zhí)行器進(jìn)行控制，如圖3所示。

結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代信息技術(shù)產(chǎn)物，是科技發(fā)展的趨勢(shì)。未來(lái)巨大的市場(chǎng)需求一定會(huì)為物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)難得的發(fā)展機(jī)遇和廣闊的發(fā)展空間。本設(shè)計(jì)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在設(shè)備硬件端，使用Zigbee通信技術(shù)、WiFi通信技術(shù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)通信，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠性，設(shè)備端運(yùn)用MQTT協(xié)議和微服務(wù)后臺(tái)軟件系統(tǒng)進(jìn)行通信交互。在用戶(hù)應(yīng)用端，對(duì)管理人員使用前臺(tái)技術(shù)，學(xué)生用戶(hù)使用前臺(tái)技術(shù)，最后進(jìn)行各個(gè)模塊的功能展示。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：洪政（1994—?），男，本科，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、傳感器技術(shù)。