摘要:寢室安全對于大學生來說是非常重要的，每當學生離開宿舍時，總會有部分學生擔心寢室內用水用電情況，故本文利用機智云esp8266 Wi-Fi模塊和嵌入式平臺技術，結合各類傳感器，設計制作一個宿舍事故預防系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，用戶可以機智云平臺制作的APP讀取寢室用電功率、水流量等數(shù)據(jù)，同時可利用這個APP遠程控制宿舍的用電器開關，從而解決學生對宿舍安全的擔憂問題。經過軟硬件調試編程開發(fā)。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和上報，手機APP遠程查看環(huán)境數(shù)據(jù)和遠程控制用電器開關等功能，在提供安全舒適的生活同時，還為廣大物聯(lián)網開發(fā)者提供一定的參考價值。

引言

物聯(lián)網已經出現(xiàn)在人們視線中十幾年，自從被提出物聯(lián)網這一概念之后，受到的關注越來越多。一些器件通過設備與網絡連接，從而實現(xiàn)一些功能，這種想法改變了人們對于網絡的認知。在這種背景下，各個領域都注入了新的思路來思考與改變，從而在不同程度上推動各個領域的發(fā)展。智能家居的出現(xiàn)其實是比物聯(lián)網的想法出現(xiàn)的時間要早，智能家居到現(xiàn)在已經發(fā)展了很多的理論與成果，而且物聯(lián)網的出現(xiàn)加快了智能家居的發(fā)展，智能家居發(fā)展非常迅速，從移動端如手機操控到根據(jù)環(huán)境自動調控，甚至語音控制，直到今天身邊經常能聽到的人工智能，不得不感嘆技術的高速發(fā)展。

雖然智能家居這一概念最早國外提出的，但近些年，我國在這方面也是投入較多，當然也取得了一些喜人的成績，我國許多企業(yè)結合本身的性質，在智能家居的概念下迅速發(fā)展，其中最有代表性、最令人印象深刻自然是與傳統(tǒng)家電深度結合，使得家庭生活更加便利舒適。本文為在智能家居的概念基礎上設計了一種基于機智云平臺的宿舍事故預防系統(tǒng)。對于機智云平臺，這是一個用于物聯(lián)網開發(fā)的云服務平臺，為開發(fā)者提供了自助式智能硬件開發(fā)工具與開放的云端服務。它可以自動生成MCU和移動終端的代碼，通過傻瓜化的自助工具、完善的SDK與API服務能力最大限度降低了物聯(lián)網硬件開發(fā)的技術門檻，從而幫助我們更好的完善本系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中主控制芯片GD32F103C8T6通過esp8266 Wi-Fi無線通信模塊將傳感器測量到的宿舍內的一些環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給基于機智云平臺開發(fā)的手機APP界面來顯示，從而實現(xiàn)遠程操作控制，構成一個簡易的智能家居系統(tǒng)，從而來達到減少資源浪費及預防宿舍事故的效果，當學生離開宿舍期間，可能憂心的宿舍水電問題，以及電器未斷電的情況。主要是采集與寢室安全息息相關的重要數(shù)據(jù)，其他一些更偏向居住舒適度的環(huán)境參數(shù)不是本項目的重要研究方向，如有機會，在本系統(tǒng)的未來方向進行完善。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 主控模塊GD32F103C8T6

本系統(tǒng)采用的GD32F103C8T6是基于ARM Cortex-M3處理器32位通用微控制器。其存儲器的組織用了哈佛結構，預先定義的存儲器映射和高達4GB的存儲空間，充分保證了系統(tǒng)的靈活性和擴展性。

在功能實現(xiàn)方面，與STM32系列基本一致，故測試時可以先使用比較熟悉的stm32系列進行開發(fā)，然后再將功能逐漸移植到GD32系列，使用國產芯片GD32主要是考慮到stm32系列是畢竟不是我國研發(fā)，而我國的發(fā)展政策注重發(fā)展國產化，目前我國的民用電子軍用電子設備中采用的大多是進口電子元器件，一旦我們遭到外國的技術封鎖，會在芯片設計上受到非常大的打擊，因此電子元器件國產化具有特別重要的現(xiàn)實和軍事意義，故本文使用國產的GD32系列。

1.2 ESP8266模塊

系統(tǒng)采用ESP8266 Wi-Fi模塊為樂鑫公司開發(fā)的一種物聯(lián)網專用芯片，其成本低，設計周期短，并且非常適合做小量數(shù)據(jù)的無線傳輸，該模塊既可以通過串口用AT指令進行控制，也可使用廠家提供的SDK來進行開發(fā)。在工作前，該模塊需要燒錄固件，本系統(tǒng)燒錄的是機智云模塊的固件，在燒錄模塊方面，機智云有提供非常詳細的方案，如有其它需求也可以根據(jù)其提供的指導進行相應的固件燒錄。

ESP8266 Wi-Fi模塊采用串口與單片機通信，內置TCP/IP協(xié)議棧，ESP8266WFi模塊有兩種工作模式Soft Ap和Airlink兩種方式配置入網。Airlink模式通過路由器和英特網相連，屬于英特網內通信;Ap模式將ESP8266作為一個熱點。本系統(tǒng)采用的是Airlink模式配置入網。

1.3 水流量傳感器

本系統(tǒng)采用YF-S201水流量傳感器來進行水流量的檢測，最低額定工作電壓DC4.5 5V-24V，該水流量傳感器主要由塑料閥體、水流轉子組件和霍爾傳感器組成[1]。葉輪內部鑲有不銹鋼珠，永遠耐磨，密封圈采用上，下受力的結構永不漏水，從結構上而言，非常適合長期的水流量檢測，且制作該模塊使用的所有材料都符合ROHS檢測標準。

當有水流通過水流轉子組件時，磁性轉子開始轉動，其轉速會隨著水流量增加而增加，使得霍爾水流傳感器輸出相應脈沖信號，其輸出的脈沖個數(shù)與水流量的大小有關，水流量越大，其單位時間產生的脈沖個數(shù)越多。單片機通過統(tǒng)計單位時間內脈沖的個數(shù)，從而得到當前水流量的相對值，并通過Wi-Fi模塊發(fā)送到手機APP的顯示界面上。

1.4 用電功率檢測模塊

本系統(tǒng)采用CL1N交流單相電流模塊來采集電流電壓等所需要的電參數(shù)，通過電流互感器采集電流參數(shù)，電壓互感器采集電壓參數(shù)，并由此計算所以需要的參數(shù)，其電壓測量范圍為5V到500V，電流測量范圍為0.04A到50A，其頻率范圍為45HZ～65HZ，由此可得出有功功率，視在功率，無功功率，功率因素等參數(shù)，本系統(tǒng)主要通過此模塊來采集宿舍內的電流電壓參數(shù)，從而得到功率參數(shù)，通過其串口協(xié)議發(fā)送到單片機上，同時該模塊可為本系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展測量其他電參數(shù)作鋪墊。（總體硬件電路如圖1所示）

圖1 硬件電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 機智云AIoT平臺應用開發(fā)

在注冊登錄后進入開發(fā)者界面，選擇創(chuàng)建新產品，并設置產品名稱，選擇產品分類和技術方案、通信方式、數(shù)據(jù)傳輸方式等參數(shù)。如圖所示，本系統(tǒng)設計的產品分類根據(jù)情況選擇智能家居的生活小家電的其他類，其產品名稱為遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)，方案為Wi-Fi/移動網絡方案，通信方式為Wi-Fi，數(shù)據(jù)定長，功耗正常。詳情如圖2所示[2-3]。

圖2 機智云產品開發(fā)界面

接下來便是根據(jù)系統(tǒng)所需要的具體情況定義相應的數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點即設備產品的功能的抽象，用于描述產品功能及其參數(shù)。本系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)點包括只讀：表示該數(shù)據(jù)點非控制，數(shù)據(jù)只支持從設備上報；可寫：表示該數(shù)據(jù)點可控制。設備端可上報該數(shù)據(jù)點數(shù)據(jù)；云端/客戶端可對該數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)做出控制。通過這兩類數(shù)據(jù)的設立，達成遠程控制宿舍電器的開關，對宿舍具體環(huán)境參數(shù)的測量上報，從而實現(xiàn)代碼總體布局，本系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)點的設立如圖3所示選用了兩個可寫且數(shù)據(jù)類型為布爾值的數(shù)據(jù)點、兩個只讀且數(shù)據(jù)類型為數(shù)值的數(shù)據(jù)點來實現(xiàn)對應的功能。

圖3 數(shù)據(jù)點設立界面

在MCU開發(fā)界面選擇相應的硬件平臺，并輸入機智云平臺對應的安全密鑰，然后生成代碼包，機智云平臺會根據(jù)自身選擇的硬件方案，自動生成MCU開發(fā)中必要的代碼，加快應用程序開發(fā)流程。本次設計按照圖4選擇生成獨立MCU方案，其硬件平臺選擇stm32F103C8x，后續(xù)代碼調試完成可移植到相應的GD32F103C8T6模塊，使得項目更加順利的完成。

圖4 硬件方案生成界面

圖5 手機APP界面

MCU工程弄好后，編譯并下載，接下來可以通過機智云平臺官網的提供APP測試，進入機智云APP，注冊賬號登錄或者點擊跳過，點擊添加設備，輸入手機連接的路由器的ssid名稱和密碼，點擊下一步，接下來長按KEY2 2S，觸發(fā)Air Link方式配置入網，此時APP會發(fā)出配置包，并提示正在搜索設備，連接好后APP會返回設備列表界面并顯示出該設備。在檢查單片機聯(lián)網無問題后，可重新打開機智云生成的代碼，進行系統(tǒng)所需對應功能實現(xiàn)的具體代碼的編寫，單片機聯(lián)網后手機APP界面如圖5所示。//Gizwits協(xié)議初始化

2.2 嵌入式平臺開發(fā)

本文基于機智云平臺生成的SDK進行開發(fā)。用戶程序入口為user＿init()，完成應用的初始化功能：I/O口初始化、機智云服務初始化。初始化完成后進入空循環(huán)模式，等待連接Wi-Fi并設置按鍵回調函數(shù)，Wi-Fi定時連接中斷，傳感器定時檢測中斷。一旦中斷到達，CPU跳轉到中斷服務函數(shù)進行中斷處理。

用電功率模塊通過電壓電流互感器測量對應的電參數(shù)，根據(jù)P=UI計算出對應的電功率，然后通過串口協(xié)議發(fā)送給單片機。霍爾水流量傳感器內部有水流經過時，會產生對應個數(shù)的脈沖，我們使用GD32單片機外部觸發(fā)定時器計數(shù)，得到單位時間里霍爾元件產生的脈沖個數(shù)，從而計算出對應的水流量，單片機獲取到參數(shù)后，發(fā)送到ESP8266Wi-Fi模塊，然后傳輸?shù)绞謾CAPP。

當檢測Wi-Fi到連接成功后，設置數(shù)據(jù)更新定時器。定時檢測用電功率和用水量等環(huán)境數(shù)據(jù)，并將檢測數(shù)據(jù)上傳至機智云服務器[4-5]。當初次使用需配置Wi-Fi信息，可長按按鍵啟動一鍵配置模式，使用手機APP進行配置，配置完成后設備連接Wi-Fi，連接成功后進行數(shù)據(jù)更新。

3 結語

本文基于機智云物聯(lián)網平臺設計開發(fā)了宿舍事故預防系統(tǒng)，主要有傳感信息的采集，基于Wi-Fi的信號傳輸。經過調試，能夠在通過手機APP查看宿舍內用電功率和水流量的情況，同時還可以遠程操控宿舍的電器的開關，當宿舍用電過載時，還可以自動關閉電器，來達到減少資源浪費及預防宿舍事故的目的。

但在與宿舍電器接洽方面不夠深入，只能起到開關的作用，不能對電器進行更精細的調節(jié)，該系統(tǒng)在后續(xù)應與更多的電器進行連接，例如空調，熱水器，并與這些較為精密的電器有跟深入的聯(lián)系，不局限于單純的開關。同時，環(huán)境參數(shù)只采取了與安全相關最重要的部分，在接下來的開發(fā)中可以加入更多的環(huán)境參數(shù)，可根據(jù)功率傳感器模塊進行更深入的電參數(shù)測量，也可以加入與宿舍環(huán)境息息相關的光照、溫濕度、空氣質量等環(huán)境參數(shù)。