基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與MQTT協(xié)議的智能家居模型通用控制小程序設(shè)計(jì)

成瀾

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215123）

1 引言

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，智能設(shè)備日益普及，日常生活中常見的智能設(shè)備就有空氣凈化器、空調(diào)、熱水器、燈具、烤箱、插座、取暖器等，這些智能硬件與用戶交互的需求越來越多，如果這些硬件是同一家的產(chǎn)品，管理則相對(duì)簡(jiǎn)單，通常下載一個(gè)App就可以連接所有的智能硬件，但如果是不同廠商的產(chǎn)品，往往需要下載多個(gè)不同的APP，此時(shí)傳統(tǒng)的智能硬件+專用App的交互管理方式就顯露出了弊端，不僅占用內(nèi)存，而且使得軟件管理變得繁瑣。而騰訊公司推出的微信小程序只需要掃一掃二維碼或者在小程序界面搜索即可使用，這種“即用即走”特性，正好可以彌補(bǔ)這一缺陷[1]。同時(shí)對(duì)于開發(fā)者，微信小程序的開發(fā)門檻相比App較低。

為此，本文提出了基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）協(xié)議的智能裝置控制小程序設(shè)計(jì)，以一個(gè)智能家居模型的環(huán)境調(diào)控為載體，嘗試將物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件與微信小程序相結(jié)合，虛實(shí)交互、軟硬結(jié)合，解決智能裝置的簡(jiǎn)便控制問題。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 智能交互方式

微信小程序的“軟硬結(jié)合”是指通過微信小程序軟件實(shí)現(xiàn)與本地或遠(yuǎn)程外部硬件設(shè)備的交互，其中智能家居、通用環(huán)境調(diào)控、遠(yuǎn)程門禁、機(jī)器人控制、智能小車控制等都是這類典型應(yīng)用。微信小程序與硬件交互，根據(jù)交互距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行劃分，主要分為本地交互和遠(yuǎn)程交互兩類。

本地交互：微信小程序與本地硬件設(shè)備交互以藍(lán)牙通信最為普及，其中藍(lán)牙透?jìng)鲬?yīng)用最為廣泛，手機(jī)軟件通過藍(lán)牙給硬件發(fā)送字符串?dāng)?shù)據(jù)，硬件接收到信息后會(huì)發(fā)送應(yīng)答信息給手機(jī)軟件，簡(jiǎn)單的軟硬結(jié)合項(xiàng)目（如藍(lán)牙小車），多以藍(lán)牙透?jìng)鞣绞綄?shí)現(xiàn)。微信小程序提供了藍(lán)牙API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口）接口，可供開發(fā)者調(diào)用，開發(fā)者可在此基礎(chǔ)上根據(jù)個(gè)性需求方便地實(shí)現(xiàn)定制化應(yīng)用。

遠(yuǎn)程交互：相較本地交互，其體系架構(gòu)略微復(fù)雜。以通用室內(nèi)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)為例，首先需要傳感器采集室內(nèi)環(huán)境信息如溫濕度、光照、煙霧濃度等，接著將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程平臺(tái)，然后用戶通過微信小程序API調(diào)用查看環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)閾值判斷，調(diào)控室內(nèi)環(huán)境設(shè)備。此類系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)可歸納為：傳感采集終端（如溫濕度傳感器、光照傳感器等）/控制終端（LED燈、門鎖、窗簾等）->微控中心->遠(yuǎn)程平臺(tái)->手機(jī)/平板微信小程序。

2.2 遠(yuǎn)程交互體系架構(gòu)

目前，微信小程序與智能硬件遠(yuǎn)程交互的實(shí)現(xiàn)方式眾多，微控中心實(shí)現(xiàn)可以考慮：微控制器+有線/無線通信模塊、微控制器+PC/工控機(jī)+橋接軟件、樹莓派等。遠(yuǎn)程平臺(tái)可以考慮自己架設(shè)遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)或者使用第三方物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)公眾平臺(tái)（如：OneNET-中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、百度智能云天工物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、微信硬件平臺(tái)等），各種實(shí)現(xiàn)方式各有利弊。

為充分利用我院現(xiàn)有硬件資源，降低開發(fā)難度，在實(shí)施過程中，選擇了Arduino微控制器+PC橋接軟件（串口-TCP/IP透?jìng)鬈浖?中國(guó)移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)云開發(fā)平臺(tái)這種模式。如果要實(shí)現(xiàn)無線橋接搭配無線模塊如ESP8266即可。該模式中涉及的所有核心技術(shù)均對(duì)初學(xué)者友好、簡(jiǎn)單易上手，因此得到了廣泛應(yīng)用。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程交互體系架構(gòu)

從圖1中可以看出，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括了可以利用開發(fā)的微信小程序查看環(huán)境和設(shè)備工作狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的移動(dòng)終端和由主控板、通信模塊、各類傳感器及環(huán)境設(shè)備組成的設(shè)備控制端。設(shè)備控制端的各類傳感器終端，采集環(huán)境數(shù)據(jù)通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)上傳到OneNET云平臺(tái)。在OneNET云平臺(tái)的應(yīng)用管理中可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)可視界面，實(shí)時(shí)查看環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)閾值比對(duì)或移動(dòng)終端指令向主控板發(fā)送指令。移動(dòng)終端通過Wifi或者陸地移動(dòng)通信網(wǎng)接入中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)，借助云平臺(tái)的MQTT協(xié)議與主控板通信[2]，將移動(dòng)終端發(fā)出的控制指令下發(fā)給LED燈、風(fēng)扇等環(huán)境設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)實(shí)施

3.1 智能家居模型設(shè)計(jì)制作

借助Rhinoceros（犀牛）軟件進(jìn)行智能家居模型3D圖的設(shè)計(jì)與繪制，如圖2所示。并按設(shè)計(jì)尺寸裁切亞克力板進(jìn)行實(shí)物制作。空間設(shè)計(jì)考慮美觀，在北側(cè)和西側(cè)窗外及底部設(shè)計(jì)了裝置空間，放置主控板、傳感器及走線。

圖2 智能家居模型3D設(shè)計(jì)

3.2 智能硬件部署

搭建簡(jiǎn)易的硬件環(huán)境：Arduino UNO+傳感器+PC（串口-TCP/IP）透?jìng)鬈浖?/p>

Arduino是一款集成AVR單片機(jī)的軟硬件相結(jié)合的開源平臺(tái)，它跨平臺(tái)、簡(jiǎn)單清晰、開放性好，廣受好評(píng)，其中Arduino UNO RV3開發(fā)板應(yīng)用最為廣泛，衍生產(chǎn)品也非常多。選擇mBot主板作為微控制器。mBot主板是一個(gè)基于Arduino UNO針對(duì)教學(xué)用途升級(jí)改進(jìn)的主控板，屬于Arduino衍生品，可方便通過圖形化積木式編程或Arduino代碼編程完成硬件編程。

光線傳感器，利用光電晶體管電阻隨外界光強(qiáng)的增加而減小的特性，通過電阻分壓值將光信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，輸出值為：日常光照下輸出值為大于500的整數(shù)，夜晚或黑暗空間輸出值為0到100之間的整數(shù)，普通室內(nèi)照明情況下輸出值為100到500之間的整數(shù)，此參考值用于控制程序的閾值設(shè)置，在實(shí)際環(huán)境下需要編寫測(cè)試程序觀察輸出值來校準(zhǔn)閾值。傳感器有三個(gè)引腳，GND（接地）、VCC（接電源）和AO（模擬輸出），連接到Arduino UNO主控板時(shí)，用杜邦線分別接到GND、5V和ANALOGIN 6個(gè)模擬輸入引腳中的一個(gè)，如圖3所示。

圖3 光線傳感器與Arduino UNO連線示意圖

溫度傳感器為DS18B20數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-10℃～+85℃，測(cè)量數(shù)據(jù)以16位二進(jìn)制形式從SIG引腳輸出。連接到Arduino UNO主控板時(shí)，用杜邦線分別接傳感器的GND引腳到主控板的GND、傳感器的VCC引腳到主控板的5V、傳感器的SIG引腳到主控板的DIGITAL引腳，如圖4所示。

圖4 溫度傳感器與Arduino UNO連線示意圖

3.3 移動(dòng)OneNET云平臺(tái)配置

OneNET是中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，支持MQTT、HTTP（Hyper Text Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議）、EDP（Enhanced Device Protocol，增強(qiáng)設(shè)備協(xié)議）、Modbus、TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）透?jìng)?、RGMP（Cisco Router Port Group Management Protocol，思科路由器端口組管理協(xié)議）多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接入。選擇的MQTT協(xié)議提供發(fā)布和訂閱兩種消息模式，屬于OSI參考模型的傳輸層協(xié)議。MQTT報(bào)文格式精簡(jiǎn)，可以高效地傳輸數(shù)據(jù)；三種級(jí)別的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）支持不同消息的傳輸要求，在保證可靠性的前提下減小開銷；帶Topic的訂閱模式，可以實(shí)現(xiàn)消息的一對(duì)多發(fā)布。MQTT的設(shè)計(jì)規(guī)范使得它更適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗、網(wǎng)絡(luò)帶寬小、延時(shí)高、不穩(wěn)定等局限的需求，目前廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

同時(shí)，OneNET云平臺(tái)提供開放、豐富的API接口，用戶可以使用API進(jìn)行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備命令交互等操作[3,4]，微信小程序可方便調(diào)用API接口。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的創(chuàng)建和應(yīng)用原本是個(gè)復(fù)雜的過程，但OneNET云平臺(tái)屏蔽了諸多復(fù)雜的技術(shù)細(xì)節(jié)，可適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類智能硬件的快速接入，其操作流程概述為：在官網(wǎng)注冊(cè)賬號(hào)并登錄->進(jìn)入控制臺(tái)，在控制臺(tái)首頁全部產(chǎn)品服務(wù)中選擇MQTT物聯(lián)網(wǎng)套件->添加產(chǎn)品->添加設(shè)備->創(chuàng)建數(shù)據(jù)流->添加APIKEY->創(chuàng)建應(yīng)用。當(dāng)硬件終端上傳數(shù)據(jù)至OneNET后，將在平臺(tái)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流中新增數(shù)據(jù)點(diǎn)，多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可構(gòu)成數(shù)據(jù)變化曲線，數(shù)據(jù)曲線可通過各類終端進(jìn)行查看，例如溫度數(shù)據(jù)變化的OneNET圖表展示如圖5所示。

圖5 OneNET平臺(tái)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

3.4 小程序UI界面制作

首先調(diào)研智能家居環(huán)境調(diào)控項(xiàng)目需求，根據(jù)需求搭建微信小程序UI界面[5]，通過UI制作提升組件應(yīng)用熟練度，部分參考界面如圖6，左圖為整體頁面參考，右圖為空調(diào)子頁面參考。

圖6 通用環(huán)境調(diào)控項(xiàng)目UI界面

微信小程序是用JavaScript開發(fā)的，采用MQTT傳輸就需要安裝MQTT.js作為MQTT客戶端庫，并在index.js頁面import。

3.5 微信小程序API調(diào)用

微信小程序API調(diào)用：微信小程序通過wx.request調(diào)用OneNET API。首先確認(rèn)并測(cè)試新增數(shù)據(jù)、查看數(shù)據(jù)的API接口，查看數(shù)據(jù)需符合GET請(qǐng)求規(guī)范，新增數(shù)據(jù)需符合POST請(qǐng)求規(guī)范[6]。GET請(qǐng)求溫度數(shù)據(jù)格式如下：

4 結(jié)語

在“互聯(lián)網(wǎng)+”對(duì)智能交互需求的背景下，在微信小程序與智能硬件的交互方式分析的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一款基于中國(guó)移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)云開發(fā)平臺(tái)和MQTT傳輸協(xié)議與控制端微信小程序相結(jié)合的智能家居模型的環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。通過測(cè)試證明，本系統(tǒng)運(yùn)行正常，能部署到實(shí)際的智能家居環(huán)境中，且可擴(kuò)展到除環(huán)境調(diào)控外的其他電器智能控制改造應(yīng)用。