2.2 Wi-Fi模塊

　　Wi-Fi模塊選用上海漢楓公司的低功耗嵌入式模塊，其內置嵌入式固件和收發天線，可通過此模塊與傳統家電的低端串口通訊，以實現對家電物聯網的接入。Wi-Fi模塊的制作原理圖如圖4所示。

　　Wi-Fi模塊通過串口(UART)來把其接收到的編碼數據傳輸到MCU內部數據寄存器，家電的反饋狀態通過信息處理傳輸給串口，并通過Wi-Fi模塊反饋給智能手機或平板電腦顯示。模塊實物圖如圖5所示。

3 系統的軟件設計

　　整個系統設計的重點是軟件平臺，帶遠程控制和APP交互的設備系統由電控板系統、Wi-Fi模塊、后臺云端服務器和手機APP構成。程序運行邏輯為電控板把采集到的溫度、本機狀態、報警數據和用戶習慣等數據，通過Wi-Fi模塊上傳至云端服務器，同時發送到局域網內已連接的手機上，用戶打開手機APP可以通過云端或者內網連接和設備取得人機交互資料，并可以通過手機APP控制設定設備參數。

3.1 系統的通訊基本信息

　　本系統通訊拓撲結構為三角形，即在設備、云端、手機三個通訊節點間交換數據，如圖6所示。設備與手機之間數據格式的定義基于具體數據幀，增加數據幀頭(Header + Payload)，同時引入IBM開發的即時通訊協議MQTT作為大循環封包傳輸用。

　　MQTT協議是為大量計算能力受限且工作在低帶寬及不可靠網絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協議，具有成熟而豐富的多平臺代碼以供快速開發。除了MQTT提供的優點外，機智云還定義了設備通訊的快速配置(Air Link)、產品識別(Product Key)、大小循環透明(WAN/LAN)、鑒權特性(Passcode)、云端加密(SSL)、服務器集群等物聯網獨有的特性。

3.2 系統通訊過程及數據格式定義

　　系統通訊包括與設備相關的兩個方向，共五種通訊過程：

　　(1)設備與云端外網方向(大循環通訊)：①設備上傳云端數據幀過程;②設備接收云端轉發手機數據幀過程;

　　(2)設備與手機內網方向(小循環通訊)：①設備接收及響應內網發現幀過程;②設備接收內網數據幀過程;③設備發送內網數據幀過程。

　　首先設備主動與外網云端保持連接，并等待響應內網的發現幀廣播包(UDP)與數據幀(TCP)。如果經發現設備與手機同處相同局域網內，則優先建立TCP直接連接，其中設備控制指令及設備狀態信息包全部使用XPG通用數據協議進行封包。當設備與手機內網連接時，通訊過程使用XPG通用數據協議封包并通過TCP傳送數據。當設備與云端之間進行遠程通訊時，封包格式為MQTT標準消息類型，其Payload為XPG通用數據協議封包。

3.3 系統總體流程約定

　　系統總體流程如圖7所示：(1) MCU 先上電，初始化完成后，給Wi-Fi模塊上電;(2) 模塊初始化;(3) 模塊向 MCU 詢問必要信息， MCU 返回信息;(4) 進入正常工作循環，其中包括：

　　1) 模塊給 MCU 下發控制命令;

　　2) MCU 返回確認，表示收到命令，正在執行;

　　3) 執行完新控制命令后，無論狀態是否發生變化， MCU 都需要通知模塊最新狀態;

　　4) 若 MCU 檢測到環境屬性變化或者用戶在設備上按鍵引起的狀態變化， MCU 需要通知模塊最新狀態，但是其發送的頻率不能快于每次2 秒;

　　5) 若環境狀態一直不變化， MCU 需要每隔 10 分鐘定期主動上報當前狀態;

　　6) 模塊會向 MCU 發送心跳， MCU 收到后按照格式返回即可;MCU 連續 180 秒收不到模塊的數據，即可認為模塊異常，可以給模塊重新上電。

4 系統樣機

　　該系統用于家里各種家電設備，如圖8所示為用于凈飲機的云服務Wi-Fi物聯網應用系統控制板，圖9為用于控制凈飲機的機智云提供IOE DEMO版本APP界面。

5 結語

　　本設計的優點在于利用大眾比較認可和統一的Wi-Fi模塊，通過串口接入各種家用電器控制板實現家電物聯網。實驗表明，在各家用電器上集成云服務Wi-Fi模塊，通過手機APP、家庭路由器和云服務器，能成功構造一套基于云服務Wi-Fi的家電物聯網應用系統。該系統性能穩定、控制方便、性價比高，非常適合在物聯網智能家居中應用推廣。

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第9期第45頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。