基于云服务Wi-Fi的家电物联网应用系统设计
摘要：为了更加快速、便捷、廉价地实现家电物联网，本文介绍了一款基于嵌入式微处理器，采用Wi-Fi模块，配合机智云服务平台，可以接入互联网并对家电设备进行远程控制的家电物联网应用系统的设计。该系统通过Wi-Fi模块来接收由智能手机上家电控制软件APP下发的控制命令，经过数据处理，通过局域网或者远程方式来对家电进行控制。经过实验测试，该系统达到性能稳定、简便、高性价比等预期。关键词：STM8S003；HF-LPB100；Wi-Fi模块；机智云；APP
引言
当今对家电设备的无线智能网络化控制已成为智能家居发展的潮流，也是各大家电厂家摆脱利润逐渐下降，寻求转型升级的一种路径。然而，受限于各厂家之间传感器不一致，高成本等因素影响，比较统一的物联网方式至此还没有大范围推广。为此，本文提出一种基于云服务Wi-Fi的家电物
联网应用系统，只需要通过一块小型Wi-Fi模块就能将日常家电组建成一个无线网络，使得家电联网更加简便且具有高性价比。使家用电器中的Wi-Fi模块经过路由器或者云服务器与智能手机或者平板电脑进行通信，才能真正实现智能家居。
1 系统总体设计和工作机理
1.1 总体设计
基于云服务Wi-Fi的家电物联网应用系统主要分为四个模块，分别是家电控制器模块、Wi-Fi模块、应用控制软件APP模块和云服务模块，其结构如图1所示。
1.2 工作机理
Wi-Fi模块通过串口与串口设备或家电间进行通讯，如图2所示。在家里，手机可以选择Wi-Fi的AP模式直接连接Wi-Fi模块控制，或者可以选择连接家庭路由器，再由家庭路由器使用Wi-Fi的STA模式连接Wi-Fi模式控制家电。而不在Wi-Fi覆盖范围内时，手机可以通过蜂窝网络连接云服务器，服务器再通过互联网传输数据给家庭路由器，路由器经过无线Wi-Fi信号传输给无线模块控制家电。用手机或者平板电脑打开APP，输入密码验证后进入家电控制界面，配置好家电的信息后，以后每次打开手机软件，即可直接操控家电，从而真正实现家电物联网和智能家居的功能。
2 系统的硬件设计
基于云服 务 W i - Fi的家电物联网应用系统所涉及到的硬件部分主要 包 括 以S T 公 司 的STM8S003为主控处理器的家电主控模块和Wi-Fi模块两大部分，如图3所示。
2.1 主控微处理器
选用的STM8S003是高性价比8位微处理器（MCU），封装有LQFP32、TSSOP20和UFQFPN20可选择，最高主频达16MHz，8K的FLSAH，最多100000次可擦写的128字节EEPROM。外设种类齐全，包含1个高级定时器、2个通用定时器、1个串行外设接口（SPI）、1个通用同步异步收发器
（USART）和模拟/数字转换（ADC）等，功能强大，性价比高，完全满足本系统设计及普通家用电器控制系统实际需要。
2.2 Wi-Fi模块
Wi-Fi模块选用上海汉枫公司的低功耗嵌入式模块，其内置嵌入式固件和收发天线，可通过此模块与传统家电的低端串口通讯，以实现对家电物联网的接入。Wi-Fi模块的制作原理图如图4所示。
Wi-Fi模块通过串口（UART）来把其接收到的编码数据传输到MCU内部数据寄存器，家电的反馈状态通过信息处理传输给串口，并通过Wi-Fi模块反馈给智能手机或平板电脑显示。模块实物图如图5所示。
3 系统的软件设计
整个系统设计的重点是软件平台，带远程控制和APP交互的设备系统由电控板系统、Wi-Fi模块、后台云端服务器和手机APP构成。程序运行逻辑为电控板把采集到的温度、本机状态、报警数据和用户习惯等数据，通过Wi-Fi模块上传至云端服务器，同时发送到局域网内已连接的手机上，用户打开手机APP可以通过云端或者内网连接和设备取得人机交互资料，并可以通过手机APP控制设定设备参数。
3.1 系统的通讯基本信息
本系统通讯拓扑结构为三角形，即在设备、云端、手机三个通讯节点间交换数据，如图6所示。
设备与手机之间数据格式的定义基于具体数据帧，增加数据帧头（Header +Payload），同时引入IBM开发的即时通讯协议MQTT作为大循环封包传输用。MQTT协议是为大量计算能力受限且工作在低带宽及不可靠网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，具有成熟而丰富的多平台代码以供快速开发。除了MQTT提供的优点外，机智云还定义了设备通讯的快速配置（Air Link）、产品识别（Product Key）、大小循环透明（WAN/LAN）、鉴权特性（Passcode)、云端加密（SSL)、服务器集群等物联网独有的特性。
3.2 系统通讯过程及
数据格式定义系统通讯包括与设备相关的两个方向，共五种通讯过程：
(1)设备与云端外网方向（大循环通讯）：
①设备上传云端数据帧过程；
②设备接收云端转发手机数据帧过程；
(2)设备与手机内网方向（小循环通讯）：
①设备接收及响应内网发现帧过程；
②设备接收内网数据帧过程；
③设备发送内网数据帧过程。
首先设备主动与外网云端保持连接，并等待响应内网的发现帧广播包(UDP)与数据帧(TCP)。如果经发现设备与手机同处相同局域网内，则优先建立TCP直接连接，其中设备控制指令及设备状态信息包全部使用XPG通用数据协议进行封包。当设备与手机内网连接时，通讯过程使用XPG通用数据协议封包并通过TCP传送数据。当设备与云端之间进行远程通讯时，封包格式为MQTT标准消息类型，其Payload为XPG通用数据协议封包。
3.3 系统总体流程约定
系统总体流程如图7所示：
(1) MCU 先上电，初始化完成后，给Wi-Fi模块上电；
(2) 模块初始化；
(3) 模块向 MCU 询问必要信息， MCU 返回信息；
(4) 进入正常工作循环，其中包括：
1) 模块给 MCU 下发控制命令；
2) MCU 返回确认，表示收到命令，正在执行；
3) 执行完新控制命令后，无论状态是否发生变化， MCU都需要通知模块最新状态；
4) 若 MCU 检测到环境属性变化或者用户在设备上按键引起的状态变化， MCU 需要通知模块最新状态，但是其发送的频率不能快于每次2 秒；
5) 若环境状态一直不变化， MCU 需要每隔 10 分钟定期主动上报当前状态；
6) 模块会向 MCU 发送心跳， MCU 收到后按照格式返回即可；MCU 连续 180 秒收不到模块的数据，即可认为模块异常，可以给模块重新上电。
4 系统样机
该系统用于家里各种家电设备，如图8所示为用于净饮机的云服务Wi-Fi物联网应用系统控制板，图9为用于控制净饮机的机智云提供IOE DEMO版本APP界面。
5 结语
本设计的优点在于利用大众比较认可和统一的Wi-Fi模块，通过串口接入各种家用电器控制板实现家电物联网。实验表明，在各家用电器上集成云服务Wi-Fi模块，通过手机APP、家庭路由器和云服务器，能成功构造一套基于云服务Wi-Fi的家电物联网应用系统。该系统性能稳定、控制方便、性价比高，非常适合在物联网智能家居中应用推广。
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