摘要:寢室安全對于大學(xué)生來說是非常重要的，每當(dāng)學(xué)生離開宿舍時(shí)，總會(huì)有部分學(xué)生擔(dān)心寢室內(nèi)用水用電情況，故本文利用機(jī)智云esp8266 Wi-Fi模塊和嵌入式平臺(tái)技術(shù)，結(jié)合各類傳感器，設(shè)計(jì)制作一個(gè)宿舍事故預(yù)防系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，用戶可以機(jī)智云平臺(tái)制作的APP讀取寢室用電功率、水流量等數(shù)據(jù)，同時(shí)可利用這個(gè)APP遠(yuǎn)程控制宿舍的用電器開關(guān)，從而解決學(xué)生對宿舍安全的擔(dān)憂問題。經(jīng)過軟硬件調(diào)試編程開發(fā)。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和上報(bào)，手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看環(huán)境數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制用電器開關(guān)等功能，在提供安全舒適的生活同時(shí)，還為廣大物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者提供一定的參考價(jià)值。

引言

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)在人們視線中十幾年，自從被提出物聯(lián)網(wǎng)這一概念之后，受到的關(guān)注越來越多。一些器件通過設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接，從而實(shí)現(xiàn)一些功能，這種想法改變了人們對于網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知。在這種背景下，各個(gè)領(lǐng)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(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。智能家居的出現(xiàn)其實(shí)是比物聯(lián)網(wǎng)的想法出現(xiàn)的時(shí)間要早，智能家居到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了很多的理論與成果，而且物聯(lián)網(wǎng)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(dòng)端如手機(jī)操控到根據(jù)環(huán)境自動(dòng)調(diào)控，甚至語音控制，直到今天身邊經(jīng)常能聽到的人工智能，不得不感嘆技術(shù)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(dāng)然也取得了一些喜人的成績，我國許多企業(yè)結(jié)合本身的性質(zhì)，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(jié)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(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)智云平臺(tái)的宿舍事故預(yù)防系統(tǒng)。對于機(jī)智云平臺(tái)，這是一個(gè)用于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的云服務(wù)平臺(tái)，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(wù)。它可以自動(dòng)生成MCU和移動(dòng)終端的代碼，通過傻瓜化的自助工具、完善的SDK與API服務(wù)能力最大限度降低了物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)的技術(shù)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(nèi)的一些環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給基于機(jī)智云平臺(tái)開發(fā)的手機(jī)APP界面來顯示，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制，構(gòu)成一個(gè)簡易的智能家居系統(tǒng)，從而來達(dá)到減少資源浪費(fèi)及預(yù)防宿舍事故的效果，當(dāng)學(xué)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(guān)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(xiàng)目的重要研究方向，如有機(jī)會(huì)，在本系統(tǒng)的未來方向進(jìn)行完善。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(chǔ)器的組織用了哈佛結(jié)構(gòu)，預(yù)先定義的存儲(chǔ)器映射和高達(dá)4GB的存儲(chǔ)空間，充分保證了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。

在功能實(shí)現(xiàn)方面，與STM32系列基本一致，故測試時(shí)可以先使用比較熟悉的stm32系列進(jìn)行開發(fā)，然后再將功能逐漸移植到GD32系列，使用國產(chǎn)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(chǎn)化，目前我國的民用電子軍用電子設(shè)備中采用的大多是進(jìn)口電子元器件，一旦我們遭到外國的技術(shù)封鎖，會(huì)在芯片設(shè)計(jì)上受到非常大的打擊，因此電子元器件國產(chǎn)化具有特別重要的現(xiàn)實(shí)和軍事意義，故本文使用國產(chǎn)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(wǎng)專用芯片，其成本低，設(shè)計(jì)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(jìn)行控制，也可使用廠家提供的SDK來進(jìn)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(jī)智云模塊的固件，在燒錄模塊方面，機(jī)智云有提供非常詳細(xì)的方案，如有其它需求也可以根據(jù)其提供的指導(dǎo)進(jìn)行相應(yīng)的固件燒錄。

ESP8266 Wi-Fi模塊采用串口與單片機(jī)通信，內(nèi)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(wǎng)。Airlink模式通過路由器和英特網(wǎng)相連，屬于英特網(wǎng)內(nèi)通信;Ap模式將ESP8266作為一個(gè)熱點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的是Airlink模式配置入網(wǎng)。

1.3 水流量傳感器

本系統(tǒng)采用YF-S201水流量傳感器來進(jìn)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(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成[1]。葉輪內(nèi)部鑲有不銹鋼珠，永遠(yuǎn)耐磨，密封圈采用上，下受力的結(jié)構(gòu)永不漏水，從結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)有水流通過水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速會(huì)隨著水流量增加而增加，使得霍爾水流傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號，其輸出的脈沖個(gè)數(shù)與水流量的大小有關(guān)，水流量越大，其單位時(shí)間產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)越多。單片機(jī)通過統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)，從而得到當(dāng)前水流量的相對值，并通過Wi-Fi模塊發(fā)送到手機(jī)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(jì)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(nèi)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(jī)上，同時(shí)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(shè)計(jì)

2.1 機(jī)智云AIoT平臺(tái)應(yīng)用開發(fā)

在注冊登錄后進(jìn)入開發(fā)者界面，選擇創(chuàng)建新產(chǎn)品，并設(shè)置產(chǎn)品名稱，選擇產(chǎn)品分類和技術(shù)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(shè)計(jì)的產(chǎn)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(chǎn)品名稱為遠(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)，方案為Wi-Fi/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)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(jī)智云產(chǎn)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(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)即設(shè)備產(chǎn)品的功能的抽象，用于描述產(chǎn)品功能及其參數(shù)。本系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)點(diǎn)包括只讀：表示該數(shù)據(jù)點(diǎn)非控制，數(shù)據(jù)只支持從設(shè)備上報(bào)；可寫：表示該數(shù)據(jù)點(diǎn)可控制。設(shè)備端可上報(bào)該數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)；云端/客戶端可對該數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)做出控制。通過這兩類數(shù)據(jù)的設(shè)立，達(dá)成遠(yuǎn)程控制宿舍電器的開關(guān)，對宿舍具體環(huán)境參數(shù)的測量上報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)代碼總體布局，本系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)點(diǎn)的設(shè)立如圖3所示選用了兩個(gè)可寫且數(shù)據(jù)類型為布爾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)、兩個(gè)只讀且數(shù)據(jù)類型為數(shù)值的數(shù)據(jù)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。

圖3 數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)立界面

在MCU開發(fā)界面選擇相應(yīng)的硬件平臺(tái)，并輸入機(jī)智云平臺(tái)對應(yīng)的安全密鑰，然后生成代碼包，機(jī)智云平臺(tái)會(huì)根據(jù)自身選擇的硬件方案，自動(dòng)生成MCU開發(fā)中必要的代碼，加快應(yīng)用程序開發(fā)流程。本次設(shè)計(jì)按照圖4選擇生成獨(dú)立MCU方案，其硬件平臺(tái)選擇stm32F103C8x，后續(xù)代碼調(diào)試完成可移植到相應(yīng)的GD32F103C8T6模塊，使得項(xiàng)目更加順利的完成。

圖4 硬件方案生成界面

圖5 手機(jī)APP界面

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

2.2 嵌入式平臺(tái)開發(fā)

本文基于機(jī)智云平臺(tái)生成的SDK進(jìn)行開發(fā)。用戶程序入口為user＿init()，完成應(yīng)用的初始化功能：I/O口初始化、機(jī)智云服務(wù)初始化。初始化完成后進(jìn)入空循環(huán)模式，等待連接Wi-Fi并設(shè)置按鍵回調(diào)函數(shù)，Wi-Fi定時(shí)連接中斷，傳感器定時(shí)檢測中斷。一旦中斷到達(dá)，CPU跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)行中斷處理。

用電功率模塊通過電壓電流互感器測量對應(yīng)的電參數(shù)，根據(jù)P=UI計(jì)算出對應(yīng)的電功率，然后通過串口協(xié)議發(fā)送給單片機(jī)。霍爾水流量傳感器內(nèi)部有水流經(jīng)過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對應(yīng)個(gè)數(shù)的脈沖，我們使用GD32單片機(jī)外部觸發(fā)定時(shí)器計(jì)數(shù)，得到單位時(shí)間里霍爾元件產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，從而計(jì)算出對應(yīng)的水流量，單片機(jī)獲取到參數(shù)后，發(fā)送到ESP8266Wi-Fi模塊，然后傳輸?shù)绞謾C(jī)APP。

當(dāng)檢測Wi-Fi到連接成功后，設(shè)置數(shù)據(jù)更新定時(shí)器。定時(shí)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(jī)智云服務(wù)器[4-5]。當(dāng)初次使用需配置Wi-Fi信息，可長按按鍵啟動(dòng)一鍵配置模式，使用手機(jī)APP進(jìn)行配置，配置完成后設(shè)備連接Wi-Fi，連接成功后進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

3 結(jié)語

本文基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了宿舍事故預(yù)防系統(tǒng)，主要有傳感信息的采集，基于Wi-Fi的信號傳輸。經(jīng)過調(diào)試，能夠在通過手機(jī)APP查看宿舍內(nèi)用電功率和水流量的情況，同時(shí)還可以遠(yuǎn)程操控宿舍的電器的開關(guān)，當(dāng)宿舍用電過載時(shí)，還可以自動(dòng)關(guān)閉電器，來達(dá)到減少資源浪費(fèi)及預(yù)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(guān)的作用，不能對電器進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)在后續(xù)應(yīng)與更多的電器進(jìn)行連接，例如空調(diào)，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(guān)。同時(shí)，環(huán)境參數(shù)只采取了與安全相關(guān)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(jìn)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(guān)的光照、溫濕度、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)。