基于STM32的智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

申贊偉， 殳國華， 張士文， 張 峰， 劉彥博

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將連接擴(kuò)展和延伸到任何物體之間，并實(shí)現(xiàn)信息交換的互連網(wǎng)絡(luò)［1］。近年來日新月異的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深刻地改變了人們的生產(chǎn)、生活方式［2］。隨著大帶寬、低時(shí)延的第5代移動(dòng)通信技術(shù)的逐步普及商用，“萬物互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)愿景將加速實(shí)現(xiàn)［3］。為培養(yǎng)與蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)相適應(yīng)的工程技術(shù)人才，很多高校都開設(shè)了相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程［4］。目前這些實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)施大致分為以下幾種類型：基于簡單的傳感器物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，如火災(zāi)報(bào)警、光控和聲控電路實(shí)驗(yàn)等［5-6］，這類物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)較為簡單，沒有體現(xiàn)完整的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，不利于學(xué)生理解掌握物聯(lián)網(wǎng)理論知識(shí)；基于封裝實(shí)驗(yàn)箱的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)［7］，此類物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)裝置隱藏了底層原理，不利于學(xué)生理解原理知識(shí)，且難以擴(kuò)展更新；有的高校采用大型物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開展物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)［8-9］，雖然功能齊全，但是價(jià)格昂貴，且占地面積大，不便于安裝維護(hù)。

利用低成本器件設(shè)計(jì)瀏覽器-服務(wù)器模式的耦合度低、功能豐富、架構(gòu)完整的智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。利用常見傳感器采集家居環(huán)境數(shù)據(jù)，低成本32 bit系列微控制器（SGS-THOMSON Microelectronics 32 bit Microcontroller Unit，STM32）單片機(jī)開發(fā)板搭建Web服務(wù)器并同時(shí)充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，使用發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）模擬用電器，同時(shí)構(gòu)建超文本標(biāo)記語言（HyperText Markup Language，HTML）用戶頁面，實(shí)現(xiàn)客戶端監(jiān)視環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送指令以控制家居系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)方案涵蓋了感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等完整的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。方案采用客戶端-服務(wù)器模型，其中客戶端為Web瀏覽器，服務(wù)器為基于STM32搭建的Web服務(wù)器，兩者通過以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信。之所以采用Web瀏覽器-Web服務(wù)器架構(gòu)，是因?yàn)榇蟛糠钟脩魧?duì)于萬維網(wǎng)較為熟悉，且網(wǎng)頁制作在不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)比較規(guī)范［10］，同時(shí)萬維網(wǎng)覆蓋范圍廣，Web瀏覽器-Web服務(wù)器架構(gòu)易于擴(kuò)展。

圖1 智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

在本系統(tǒng)，用戶通過Web瀏覽器向服務(wù)器請(qǐng)求交互頁面，該頁面為存儲(chǔ)在Web服務(wù)器中的HTML文件，用戶通過交互頁面控制家居系統(tǒng)，且頁面可顯示家居環(huán)境數(shù)據(jù)。在感知層，主要是監(jiān)測(cè)家居環(huán)境的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器和細(xì)顆粒物（Fine Particulate Matter，PM2.5）傳感器，以及日常家用電器設(shè)備。

1.2 實(shí)現(xiàn)方案

（1）服務(wù)器。輕量級(jí)網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議（Light weight Internet Protocol，LwIP）是一個(gè)小型開源的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）［11］。LwIP是輕量級(jí)IP協(xié)議，在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上僅需要15KB左右的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）和40KB左右的只讀存儲(chǔ)器（Read-Only Memory，ROM）等硬件資源［12］，這使得LwIP協(xié)議棧適合在低端的嵌入式設(shè)備中使用。LwIP支持地址解析協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議版本4（Internet Protocol version 4，IPv4）和Internet控制報(bào)文協(xié)議，且它實(shí)現(xiàn)了IP數(shù)據(jù)報(bào)分片重組、擁塞控制、數(shù)據(jù)重傳等功能。本實(shí)驗(yàn)方案就是將LwIP移植到STM32單片機(jī)上，以支持以太網(wǎng)通信，并在此基礎(chǔ)上搭建Web服務(wù)器。Web服務(wù)器的核心作用就是接收客戶端用戶指令并控制電器的工作狀態(tài)，還可以獲取傳感器的測(cè)量值并傳輸至網(wǎng)絡(luò)層，進(jìn)而可以被客戶端獲取，所以STM32單片機(jī)也充當(dāng)了網(wǎng)關(guān)的角色。如圖2所示，服務(wù)器主要包含：STM32主芯片（STM32F407ZGT6）、以太網(wǎng)（ENC28J60）、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、定時(shí)器和用電器等模塊。

圖2 服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖

溫度傳感器、濕度傳感器及PM2.5傳感器測(cè)量得到溫、濕度值、PM2.5值后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器得到傳感器數(shù)據(jù)后，通過服務(wù)器端嵌入技術(shù)將數(shù)據(jù)插入網(wǎng)頁［13］。當(dāng)瀏覽器對(duì)服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器就將網(wǎng)頁發(fā)送至瀏覽器，通過瀏覽器解析顯示數(shù)據(jù)，用戶就可在客戶端的瀏覽器上實(shí)時(shí)監(jiān)視環(huán)境溫度、濕度值及PM2.5值。

當(dāng)服務(wù)器接收到客戶端的定時(shí)開啟請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器首先獲取客戶端所發(fā)送的開啟指令和定時(shí)時(shí)間，利用STM32的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器的定時(shí)開啟。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊擁有一個(gè)連續(xù)計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，在相應(yīng)的軟件配置下，可以提供時(shí)鐘日歷的功能。該模塊還提供了鬧鐘中斷功能［14］，設(shè)置鬧鐘中斷允許位，將用戶提交的定時(shí)開啟時(shí)間值存儲(chǔ)至鬧鐘寄存器，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間與定時(shí)時(shí)間匹配時(shí)，可以產(chǎn)生鬧鐘中斷。在鬧鐘中斷程序中，點(diǎn)亮LED，即執(zhí)行打開用電器的指令。

本方案采取脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。PWM利用微處理器的輸出來調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的占空比［15］。服務(wù)器根據(jù)用戶指令相應(yīng)地改變捕獲/比較寄存器值，通過改變輸出脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)LED的亮度，即改變電器相關(guān)模塊的工作電壓。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)。本方案采用家庭路由器搭建以太網(wǎng)。Web服務(wù)器和客戶端個(gè)人電腦（Personal Computer，PC）分別接入家庭路由器的兩個(gè)局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）口，服務(wù)器和客戶端的IP地址均由路由器的動(dòng)態(tài)IP配置功能分配得到。圖3（a）為客戶端所獲取的IP地址示意圖，可見，PC的IP地址為192.168.1.105，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。圖3（b）為服務(wù)器IP地址示意圖，Web服務(wù)器初始化成功以后，STM32單片機(jī)的LCD顯示其獲得的IP地址為192.168.1.101。所以客戶端與服務(wù)器位于同一個(gè)子網(wǎng)中，無須路由器進(jìn)行IP數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)，兩者即可通信。基于家用路由器搭建以太網(wǎng)，以以太網(wǎng)作為設(shè)備連接的基本形式，便于網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擴(kuò)展，且可使學(xué)生更形象直觀地理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)。

圖3 路由器動(dòng)態(tài)IP地址配置示意圖

（3）客戶端。如圖4所示為客戶端頁面。為使用戶頁面更加優(yōu)雅和形象，采用了jQuery用戶界面（jQuery User Interface，jQuery UI）庫文件和層疊樣式表（Cascading Style Sheets，CSS）技術(shù)［16］。頁面實(shí)現(xiàn)了空調(diào)、加濕器和電燈的控制界面，包含了用電器開啟按鈕、開啟時(shí)間文本框、調(diào)節(jié)電器相關(guān)模塊工作電壓的滑塊和LED亮度視覺反饋的矩形區(qū)域。用戶可在文本框中輸入開啟時(shí)間并點(diǎn)擊開關(guān)按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器的定時(shí)開啟。用戶還可以移動(dòng)滑塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器的相關(guān)模塊工作電壓控制。另外，頁面中還可以顯示傳感器所測(cè)量得到的家居環(huán)境的溫度、濕度及PM2.5值，為用戶決策提供依據(jù)。

圖4 客戶端頁面

客戶端頁面的核心是利用JavaScript代碼程序偵測(cè)HTML頁面事件，該事件可以接受用戶輸入并發(fā)送至服務(wù)器［17］。以定時(shí)開啟用電器為例，頁面部分關(guān)鍵代碼如圖5所示，代碼中定義了clickSwitch（）函數(shù)，在這個(gè)函數(shù)里指定了硬件統(tǒng)一資源定位符（Uniform Resource Locator，URL）地址，并讀取表單數(shù)據(jù)（定時(shí)開啟指令及時(shí)間值），將其打包為JavaScript對(duì)象簡譜（JavaScript Object Notation，JSON）格式，method屬性指定請(qǐng)求方式為超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）GET請(qǐng)求，并將clickSwitch（）函數(shù)注冊(cè)為鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件。當(dāng)用戶點(diǎn)擊按鈕時(shí)，clickSwitch（）函數(shù)會(huì)被觸發(fā)運(yùn)行，讀取用戶動(dòng)作內(nèi)容，并發(fā)送至Web服務(wù)器。采用異步JavaScript和XML（Asynchronous JavaScript And XML，AJAX）技術(shù)提交用戶請(qǐng)求，以實(shí)現(xiàn)向服務(wù)器發(fā)送異步請(qǐng)求，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器資源，這對(duì)以STM32單片機(jī)作為低成本服務(wù)器的智能家居系統(tǒng)，具有重要意義。以控制家用空調(diào)（以LED1進(jìn)行模擬）為例，在頁面的“開啟時(shí)間”文本框里輸入“17”“36”（17：36），點(diǎn)擊開啟按鈕，此時(shí)會(huì)觸發(fā)clickSwitch（）函數(shù)，將“17”“36”時(shí)間值和開關(guān)指示“1”（代表要開啟電器）3個(gè)參數(shù)通過HTTP 1.1協(xié)議向Web服務(wù)器提交GET請(qǐng)求，假設(shè)服務(wù)器IP地址為192.168.1.101，則請(qǐng)求鏈接格式為http：//192.168.1.101/led1？switch=1&hour=17&minute=36，學(xué)生可以通過瀏覽器調(diào)試工具直觀、形象地觀察到該用戶請(qǐng)求鏈接。當(dāng)用戶移動(dòng)滑塊進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時(shí)，程序讀取滑塊所指示的PWM值，同時(shí)觸發(fā)clickSwitch（）函數(shù)執(zhí)行，函數(shù)將PWM值以GET請(qǐng)求方式提交至服務(wù)器，假如PWM值為240，則請(qǐng)求鏈接格式為http：//192.168.1.101/led1？PWM=240。

圖5 客戶端頁面關(guān)鍵代碼

2 系統(tǒng)部署及測(cè)試

基于教學(xué)成本和場地考慮，方案采用紅色LED模擬空調(diào)，綠色LED模擬加濕器，藍(lán)色LED模擬電燈，LED的亮滅和亮度變化可以很好地模擬用電器的開關(guān)和相關(guān)模塊的工作電壓調(diào)節(jié)場景。同時(shí)，使用PC、家用路由器、STM32單片機(jī)、DHT11濕度傳感器、DS18B20溫度傳感器、GP2Y1014AU PM2.5傳感器等器件搭建如圖6、7所示的系統(tǒng)裝置?？蛻舳薖C和單片機(jī)服務(wù)器通過網(wǎng)線接入路由器LAN口，傳感器和LED置于“通用”電路板上，通過杜邦線與單片機(jī)輸入、輸出（Input Output，I/O）口連接?？梢?，該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含了完整感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3層架構(gòu)，并且架構(gòu)各層之間實(shí)現(xiàn)了松耦合。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試時(shí)，首先用瀏覽器打開HTML用戶頁面，在“空調(diào)開關(guān)”的區(qū)域的文本框輸入時(shí)間（17：36），并開啟開關(guān)按鈕。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間達(dá)到所預(yù)約的定時(shí)時(shí)間后，可以觀察到，如圖7（a）所示，空調(diào)成功開啟（紅色LED點(diǎn)亮）。當(dāng)用戶在瀏覽器上向右移動(dòng)滑塊，調(diào)節(jié)空調(diào)制冷模塊的工作電壓，紅色LED亮度增加。在服務(wù)器端，空調(diào)的工作狀態(tài)還可以由LCD顯示。如圖7（b）所示，空調(diào)（Air Conditioner，AC）的開關(guān)狀態(tài)為“On”，Power（制冷功率）狀態(tài)為“High”。LCD也正確顯示了當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度和PM2.5值，表明傳感器也都處于正常工作狀態(tài)。溫度、濕度和PM2.5值等數(shù)據(jù)還可以傳輸至客戶端，由瀏覽器解析并顯示，實(shí)現(xiàn)客戶端監(jiān)視。

圖6 智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)裝置圖

圖7 智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層設(shè)備及狀態(tài)顯示

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)完整，有助于知識(shí)融會(huì)貫通

本實(shí)驗(yàn)構(gòu)造了涵蓋感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等完整架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，學(xué)生不僅鍛煉了傳感電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)等基本的電工電子技能素養(yǎng)，并且基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理和前后端開發(fā)技術(shù)搭建起完整的客戶端-服務(wù)器架構(gòu)，形成了專業(yè)理論的有效銜接，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科背景知識(shí)的融會(huì)貫通。同時(shí)，通過編寫簡單的前后端代碼、調(diào)試觀察瀏覽器請(qǐng)求信息，可深刻理解物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層與感知層的信息傳輸過程，觸摸物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)本質(zhì)。

3.2 多層次教學(xué)，注重自我驅(qū)動(dòng)

本實(shí)驗(yàn)功能需求豐富多樣，采取了層次遞進(jìn)、靈活要求的設(shè)計(jì)方式，以實(shí)現(xiàn)因才施教、區(qū)分教學(xué)。設(shè)定了多層次任務(wù)目標(biāo)供學(xué)生靈活選擇。

基本任務(wù)：使用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，搭建用電器控制電路。

進(jìn)階任務(wù)：搭建完整的Web瀏覽器-Web服務(wù)器模型，并且編寫HTML用戶頁面，以實(shí)現(xiàn)客戶端控制和監(jiān)視家居系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)融合較多學(xué)科背景的綜合實(shí)踐，涉及知識(shí)面較廣，教學(xué)實(shí)施過程中注重詳略得當(dāng)，著重加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的啟發(fā)引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)知識(shí)、自主解決問題的能力。比如實(shí)驗(yàn)中所涉及必需但非核心知識(shí)點(diǎn)，比如前端設(shè)計(jì)中的HTTP協(xié)議、URL、HTML、CSS、jQueryUI庫等知識(shí)，教師會(huì)向?qū)W生推薦相關(guān)的參考書籍、網(wǎng)課等，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；對(duì)于路由器的設(shè)置、LwIP協(xié)議移植等操作方法，向?qū)W生提供技術(shù)手冊(cè)或者開源網(wǎng)址供學(xué)生查閱參考，以鍛煉學(xué)生自主實(shí)踐動(dòng)手能力。

3.3 系統(tǒng)耦合度低，便于靈活擴(kuò)展

本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)各層之間的松耦合，安裝有支持HTML標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器的個(gè)人電腦、平板電腦或手機(jī)均可以作為客戶端，服務(wù)器為STM32單片機(jī)，通過家用路由器或小型交換機(jī)就可以搭建以太網(wǎng)。有效降低了系統(tǒng)的搭建、測(cè)試、聯(lián)調(diào)的場地和設(shè)備要求，便于裝置的靈活部署，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室、自習(xí)室甚至宿舍均可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究與操作。松耦合性還有助于學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，通過發(fā)散思維，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。例如，學(xué)生嘗試將以太網(wǎng)通信方式改為Wifi無線通信方式時(shí)，僅需要在“通用”板上添加一個(gè)ESP8266模塊，并與STM32串口相連，再通過發(fā)送AT指令與路由器實(shí)現(xiàn)連接即可。本實(shí)驗(yàn)所需要的器件成本較低、易于獲取，有利于推廣教學(xué)。

3.4 場景貼近生活，激發(fā)創(chuàng)造熱情

本實(shí)驗(yàn)以日常家居場景為切入點(diǎn)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了客戶端監(jiān)視家居溫度、濕度、PM2.5值和定時(shí)開啟用電器并調(diào)節(jié)相關(guān)模塊的工作電壓，其功能需求貼近生活實(shí)際，可以很好地激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手興趣。由于學(xué)生對(duì)該情景比較熟悉，所以更利于學(xué)生迸發(fā)創(chuàng)新思維、實(shí)現(xiàn)功能拓展。

4 結(jié) 語

本文以智能家居為背景，設(shè)計(jì)了涵蓋感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)科背景知識(shí)綜合度高、覆蓋知識(shí)面廣，有助于學(xué)生專業(yè)知識(shí)的融會(huì)貫通，深刻理解掌握物聯(lián)網(wǎng)理論知識(shí)；采用層次遞進(jìn)的教學(xué)方式，注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐的能力；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部分耦合性弱，有利于實(shí)驗(yàn)的靈活擴(kuò)展，各部分所采用的分立器件成本較低，利于實(shí)驗(yàn)的推廣教學(xué)；實(shí)驗(yàn)場景貼近生活實(shí)際，可以很好激發(fā)學(xué)生動(dòng)手興趣。