基于云數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的感知型智能插座的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

莊麗榕　穆云飛　李松海　全達(dá)暉　張棟

摘要：該文主要介紹一種感知型智能插座的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在硬件設(shè)計(jì)上，將smartlink閃連技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能插座與互聯(lián)網(wǎng)的連接，獲取云端數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能插座。在軟件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)支持P2P的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸，自動(dòng)下載云端實(shí)時(shí)溫度等數(shù)據(jù)，響應(yīng)外部環(huán)境變化，及時(shí)做出智能決策。除云端數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)外，還實(shí)現(xiàn)由手機(jī)APP通過本地局域網(wǎng)或遠(yuǎn)程控制插座的開關(guān)來(lái)控制家電運(yùn)行，推動(dòng)智能家居生活的便捷化。

關(guān)鍵詞：智能插座；云數(shù)據(jù)；WIFI網(wǎng)絡(luò)連接；感知環(huán)境；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）08-0228-04

Abstract： This paper mainly introduces the design and implementation of a perceptual intelligent socket. In hardware design， it combines smartlink flash connection technology with traditional relay controlling technology， implements the connection between intelligent socket with the Internet and obtains the cloud end data driven intelligent socket. In software design， the system supports the remote data collection and transmission of P2P， downloads the real-time reliable air temperature and other data automatically， responds to the changes of external environment and makes the intelligent decisions in time. Except for cloud end data drive， it also realizes the implementation of controlling the operation status of household appliances with mobile APP through local area network or the switch of remote control outlet and promotes the convenience of intelligent household life.

Key words： Intelligent socket； cloud data； WIFI internet connection； perceive the environment； remote control

1 引言

處于信息時(shí)代的洪流中，控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展促使了家庭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。這些高科技改變了人生的生活習(xí)慣，提高了人們的生活質(zhì)量，家庭自動(dòng)化也正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生。家庭自動(dòng)化也已成為人們對(duì)生活品質(zhì)的又一種追求，它的覆蓋日漸廣泛，大到集成控制整個(gè)家庭的電子電器網(wǎng)絡(luò)，小到僅僅是某個(gè)電子產(chǎn)品的智能化。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和移動(dòng)設(shè)備的普及下，出現(xiàn)了越來(lái)越多可以通過手機(jī)或者平板電腦來(lái)控制的產(chǎn)品，極大的推進(jìn)了家庭自動(dòng)化的發(fā)展。

為了使人們可以遠(yuǎn)程控制家里的空調(diào)，讓空調(diào)可以通過服務(wù)器端下載的數(shù)據(jù)感知當(dāng)前溫度，并且根據(jù)所設(shè)置的開啟空調(diào)的限制溫度智能的選擇開啟或者關(guān)閉。因此提出設(shè)計(jì)一種感知型智能插座，通過這個(gè)插座感知當(dāng)前環(huán)境，并且控制空調(diào)的開啟。

如圖1所示，移動(dòng)端通過連接云端服務(wù)器或者直接跟Wi-Fi路由器相連，獲取到相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可選擇本地、遠(yuǎn)程控制智能插座，通過智能插座系統(tǒng)自定義的開關(guān)協(xié)議進(jìn)行環(huán)境切換，從而控制家電的工作狀態(tài)。結(jié)合感知型智能插座所提供的便捷功能使得生活更加人性化，只需指尖輕觸移動(dòng)端，即可開啟。

2 智能插座的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)可以大致分為以下主要部分：電源穩(wěn)壓電路模塊，繼電器控制電路模塊和WIFI模塊。電源穩(wěn)壓電路模塊是將220V轉(zhuǎn)為5V開關(guān)電源和3.3V MCU供電。WIFI模塊是用來(lái)獲取外部信息，然后通過SPI/I2C跟MCU交換信息。繼電器控制電路模塊根據(jù)接受到MCU發(fā)出的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)插座的開與關(guān)。

2.1 電源穩(wěn)壓電路

智能插座電源模塊由電源適配器接入JP1供電。這個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)不同的模塊組合而成，不同的模塊需要的電源電壓不同，故需要對(duì)源電源引出的電壓進(jìn)行不同的降壓處理，以得到各自符合要求的電源電壓，供不同模塊使用。本電路需要有5V，3.3V電壓， 3.3V主要給MCU（stm32）、WiFi模塊、撥碼開關(guān)、LED燈等供電；5V為繼電器控制供電。

5V直接由適配器輸出的穩(wěn)定電壓提供。經(jīng)過LDO（線性穩(wěn)壓）電路獲得3.3電壓給開發(fā)板其他電路供電。如圖3所示，電源接入時(shí)由SW1開關(guān)控制電源輸入，開關(guān)輸出端BATT電壓還是5V。在BATT端的話接有一個(gè)大電容，起到儲(chǔ)能的作用，以維持電源電壓的穩(wěn)定；還接有一個(gè)LED指示燈，用于指示電源供電與否，之間串聯(lián)一個(gè)限流電阻對(duì)LED燈進(jìn)行保護(hù)。然后從BATT引出一個(gè)輸出到單片機(jī)，作為單片機(jī)的電源供電。電源輸入端并聯(lián)一個(gè)電容起到濾波作用。經(jīng)過穩(wěn)壓芯片AMS117-3.3在輸出端并聯(lián)一大一小的電容，起到濾波作用減少輸出端電壓波動(dòng)，使輸出端電壓穩(wěn)定在3.3V。

AMS117-3.3芯片是一個(gè)正向低電壓穩(wěn)壓器，內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流回路，通過此芯片后輸出3.3V的穩(wěn)定電壓，此芯片廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路解決方案。

2.2 繼電器控制電路

繼電器模塊是智能插座控制的關(guān)鍵部分，繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。此繼電器是一個(gè)單刀雙擲，一個(gè)公共端、一個(gè)常開端、一個(gè)常閉端的開關(guān)。繼電器最大輸出：直流30V/10A，交流250V/10A。此繼電器由兩個(gè)NPN三極管，兩個(gè)K級(jí)電阻。其中一個(gè)NPN三極管控制繼電器，另一個(gè)三極管控制第一個(gè)三極管的B級(jí)。此繼電器的4腳和5腳是線圈，1腳和2腳是常閉開關(guān)，1腳和3腳是常開開關(guān)。

如圖4所示V5為繼電器提供電源，此繼電器工作電壓為5V，PA4為信號(hào)控制端口，PA4為低電平時(shí)繼電器4腳和5腳接通，有電流流過時(shí)，線圈就會(huì)產(chǎn)生磁力，把銜鐵開關(guān)K1克服彈簧拉力吸向鐵芯吸，這時(shí)候公共端COM1和CK1導(dǎo)通通，COM1和CB1斷開；PA4高電平時(shí)繼電器線圈磁力消失，開關(guān)K1彈回此時(shí)COM1與CK1斷開。這樣就可實(shí)現(xiàn)繼電器的控制，從而實(shí)現(xiàn)控制接入繼電器的插座火線的導(dǎo)通與斷開斷。此電路還有個(gè)LED指示燈，當(dāng)繼電器吸合時(shí)狀態(tài)LED指示燈亮，釋放時(shí)狀態(tài)LED指示燈滅，用于查看繼電器工作狀態(tài)。

2.3 WIFI模塊

采用最新的SmartLink閃連技術(shù)，可以輕松極速連到WiFi路由器，然后自動(dòng)定位當(dāng)前所在地點(diǎn)或者手動(dòng)配置當(dāng)前地點(diǎn)，以便自動(dòng)從云端僅僅下載實(shí)時(shí)更新的當(dāng)前位置所需數(shù)據(jù)，節(jié)省流量數(shù)據(jù)，從而感知外部環(huán)境的變化，驅(qū)動(dòng)智能及時(shí)做出人性化的決策，使得家電的工作不依賴其內(nèi)部的傳感器而是從云端下載實(shí)時(shí)最新的權(quán)威數(shù)據(jù)。

普通的WIFI模塊，大部分都是WIFI-串口，使用單片機(jī)串口就可以直接控制。本文中的智能插座的WiFi模塊包含所有的WIFI協(xié)議棧、lwip協(xié)議棧、Uip協(xié)議棧、OSI等。使用千兆以太網(wǎng)lwip協(xié)議棧，屬于高速SDIO接口，并且支持多個(gè)接入點(diǎn)。

WIFI模塊主要包括以下核心模塊：WifiService、WifiMonitor、Wifi驅(qū)動(dòng)模塊、Wifi電源管理模塊和Wpa supplicant。如圖5示，SystemServer啟動(dòng)時(shí)候生成的ConnecttivityService創(chuàng)建了WifiService，負(fù)責(zé)啟動(dòng)關(guān)閉wpa_supplicant和WifiMonitor線程，把命令下發(fā)給wpa_supplicant以及更新WIFI新的狀態(tài)；WifiMonitor模塊負(fù)責(zé)從wpa_supplicant接收事件通知；其中，Wifi驅(qū)動(dòng)模塊主要進(jìn)行l(wèi)oad firware和kernel的wireless通信；Wifi電源管理模塊主要控制硬件的GPIO和上下電，讓CPU和Wifi模組之間通過sdio接口通信；Wpa supplicant模塊的工作流程是：先讀取配置文件，初始化配置文件和驅(qū)動(dòng)函數(shù)，接著驅(qū)動(dòng)scan當(dāng)前的所有的bssid，檢查掃描的參數(shù)是否和用戶設(shè)置的相符，如果相符，則通知驅(qū)動(dòng)進(jìn)行權(quán)限和認(rèn)證操作，最后連上AP。

3 云端服務(wù)器的設(shè)計(jì)

云端服務(wù)器使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供的高性能云服務(wù)器作為平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)的收集和數(shù)據(jù)的服務(wù)兩種功能。云端服務(wù)器上搭載24小時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)收集程序和數(shù)據(jù)服務(wù)程序。數(shù)據(jù)收集程序負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)上的開放平臺(tái)收集并存儲(chǔ)信息。數(shù)據(jù)服務(wù)程序會(huì)向網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備提供一個(gè)用于交互的API接口，智能處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)需求并將數(shù)據(jù)查詢結(jié)果提供給發(fā)出請(qǐng)求的設(shè)備。

3.1 數(shù)據(jù)收集程序

3.1.1 數(shù)據(jù)收集模塊

云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)收集程序24小時(shí)不間斷運(yùn)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集操作。為保證數(shù)據(jù)的多樣性，數(shù)據(jù)收集程序以網(wǎng)絡(luò)上的多種開放API（ 如：百度LBS開放平臺(tái)，新浪SAE，Google App Engine等）獲得權(quán)威的天氣數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)的獲取頻率由統(tǒng)一管理調(diào)度系統(tǒng)視服務(wù)器情況和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的數(shù)據(jù)獲取頻率限制進(jìn)行調(diào)整，理論上越高的獲取頻率越能保證獲得數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析模塊

由于從不同API獲取的數(shù)據(jù)格式不盡相同，數(shù)據(jù)收集程序會(huì)對(duì)獲取的天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，僅獲取系統(tǒng)規(guī)定要進(jìn)行收集的數(shù)據(jù)項(xiàng)（如：當(dāng)前氣溫，當(dāng)前濕度，當(dāng)前天氣狀況等，數(shù)據(jù)項(xiàng)由統(tǒng)一管理調(diào)度系統(tǒng)控制），將與收集條件無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行丟棄，并將從每個(gè)平臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)都以相同的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行封裝，以減少數(shù)據(jù)之間的差異性。

3.1.3 校驗(yàn)?zāi)K

在對(duì)從網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程中，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，排除損壞的數(shù)據(jù)和不正常的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性。如果從某平臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)通過了分析校驗(yàn)，那么系統(tǒng)會(huì)在數(shù)據(jù)后添加一個(gè)通過標(biāo)識(shí)，以表示此數(shù)據(jù)可以被用來(lái)維持系統(tǒng)的正常運(yùn)作；一旦遇到無(wú)法讀取的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即重試獲取數(shù)據(jù)的操作，用來(lái)獲得新的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析步驟，如在規(guī)定次數(shù)內(nèi)（由統(tǒng)一管理調(diào)度系統(tǒng)調(diào)整）依舊無(wú)法獲取正常的數(shù)據(jù)，則放棄對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以一個(gè)不通過標(biāo)識(shí)覆蓋數(shù)據(jù)內(nèi)容，以表示此數(shù)據(jù)不能使用；若在分析過程中發(fā)現(xiàn)不正常的數(shù)據(jù)（例如溫度高過現(xiàn)實(shí)變化水平）則立即重試獲取數(shù)據(jù)的操作，并將新數(shù)據(jù)與舊數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果依舊不正常則在數(shù)據(jù)后添加一個(gè)警告標(biāo)識(shí)，以表示此數(shù)據(jù)可能存在問題。

3.1.4 統(tǒng)一管理調(diào)度系統(tǒng)

統(tǒng)一管理調(diào)度系統(tǒng)作為程序的主要控制系統(tǒng)，起到調(diào)整系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)、調(diào)度系統(tǒng)各個(gè)模塊以及收集并反饋模塊錯(cuò)誤信息的功能。統(tǒng)一調(diào)度管理系統(tǒng)全面控制數(shù)據(jù)收集程序各個(gè)模塊的性能參數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并且提供一個(gè)管理界面供系統(tǒng)管理員來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)收集程序的各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)整，以適合實(shí)際運(yùn)行中的需求。同時(shí)記錄各個(gè)模塊反饋的錯(cuò)誤日志，供系統(tǒng)維護(hù)所用。

3.1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

在數(shù)據(jù)分析階段結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)向封裝好的數(shù)據(jù)添加當(dāng)前時(shí)間的UNIX時(shí)間戳，并將數(shù)據(jù)全部寫入云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，如出現(xiàn)存取故障，程序會(huì)記錄錯(cuò)誤日志并發(fā)出警告。

以上為云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)的收集程序的功能。

3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)程序

3.2.1 數(shù)據(jù)通信模塊

云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)服務(wù)程序會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備提供一個(gè)用于交互的API，用來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和客戶端設(shè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)API使用且總是使用HTTP協(xié)議作為與用戶進(jìn)行通信的協(xié)議，部署在專用域名之下，采用固定的POST操作方式（安全級(jí)別較高）作為資源的操作方式，在數(shù)據(jù)服務(wù)API與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和客戶端進(jìn)行交互式采用JSON數(shù)據(jù)格式作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，且不接受其他數(shù)據(jù)格式請(qǐng)求。

3.2.2 用戶統(tǒng)一驗(yàn)證模塊

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，每次發(fā)出請(qǐng)求時(shí)需要附帶設(shè)備的唯一識(shí)別ID，當(dāng)前時(shí)間戳，請(qǐng)求參數(shù)作為請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器在收到請(qǐng)求以后首先會(huì)對(duì)設(shè)備的ID進(jìn)行校驗(yàn)，若通過校驗(yàn)則開始分析請(qǐng)求參數(shù)，并依照參數(shù)要求予以服務(wù)。

對(duì)于客戶端，每次發(fā)出請(qǐng)求時(shí)需要附帶操控設(shè)備的唯一識(shí)別ID，客戶端賬號(hào)，當(dāng)前時(shí)間戳，請(qǐng)求參數(shù)作為請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器在收到請(qǐng)求以后首先會(huì)對(duì)設(shè)備的ID和客戶端賬號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)，若通過校驗(yàn)則開始分析請(qǐng)求參數(shù)，并依照參數(shù)要求予以服務(wù)。

3.2.3 指令分析與數(shù)據(jù)庫(kù)交互模塊

數(shù)據(jù)服務(wù)程序會(huì)識(shí)別請(qǐng)求中的附帶參數(shù)，以確定請(qǐng)求的具體操作和需求的數(shù)據(jù)，如只有數(shù)據(jù)獲取請(qǐng)求，則程序進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢操作，篩選數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)僅為可用的數(shù)據(jù)，提取要求的數(shù)據(jù)并進(jìn)行封裝，在數(shù)據(jù)中添加請(qǐng)求成功的狀態(tài)標(biāo)識(shí)并發(fā)回給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備/客戶端；若在查詢過程中遇到標(biāo)識(shí)為無(wú)法使用/可能存在問題的數(shù)據(jù)，則向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備/客戶端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求失敗的狀態(tài)標(biāo)識(shí)。

如請(qǐng)求中包含客戶端部分的用戶的設(shè)定操作（溫控，定時(shí)），則將用戶設(shè)定的時(shí)間溫度等條件封裝成特定格式，并在首部添加當(dāng)前系統(tǒng)UNIX時(shí)間戳作為唯一標(biāo)識(shí)，將封裝好的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，若寫入成功，則向客戶端發(fā)送一條執(zhí)行成功的狀態(tài)標(biāo)識(shí)，若寫入失敗，向客戶端發(fā)送一條執(zhí)行失敗的狀態(tài)標(biāo)識(shí)。用戶可多次進(jìn)行定時(shí)和溫控操作，并且允許用戶隨時(shí)取消設(shè)定好的溫控/定時(shí)操作。

以上為云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)服務(wù)程序的功能。

4 手機(jī)端設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端與云端服務(wù)器上的數(shù)據(jù)服務(wù)程序通過專用的API進(jìn)行通訊。手機(jī)端共包括6個(gè)部分的功能，包括用戶注冊(cè)新的客戶端賬號(hào)，登陸賬號(hào)，綁定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備ID，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)操作，進(jìn)行溫控開關(guān)操作，進(jìn)行定時(shí)開關(guān)操作，修改客戶端密碼。

手機(jī)客戶端的運(yùn)作流程為：注冊(cè)客戶端賬號(hào)→登陸賬號(hào)→綁定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備ID（賬號(hào)首次使用或新添加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）→對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)操作，進(jìn)行溫控開關(guān)操作，

進(jìn)行定時(shí)開關(guān)操作，修改客戶端密碼。

定時(shí)和控溫操作在手機(jī)上設(shè)定，手機(jī)上的設(shè)定僅做到一個(gè)發(fā)送設(shè)定給服務(wù)器的操作，具體的條件判斷及開關(guān)控制都由服務(wù)器進(jìn)行記錄并且在觸發(fā)條件符合時(shí)對(duì)需要控制的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行控制。

在直接控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開關(guān)操作中，客戶端會(huì)在進(jìn)入設(shè)定頁(yè)面時(shí)查詢當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)并在設(shè)定頁(yè)面上顯示，設(shè)定頁(yè)面提供兩個(gè)按鈕（開和關(guān)）給用戶進(jìn)行開關(guān)的遠(yuǎn)程控制操作。

在定時(shí)操作中，用戶可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間和一個(gè)開關(guān)狀態(tài)，在設(shè)定好后客戶端會(huì)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，若服務(wù)器發(fā)送成功標(biāo)識(shí)，則將設(shè)定的條件加入客戶端的已設(shè)定列表中，供用戶對(duì)當(dāng)前設(shè)定進(jìn)行瀏覽。

5 總結(jié)

本文介紹了智能插座的整體實(shí)現(xiàn)過程。移動(dòng)端通過連接云端服務(wù)器或者直接跟Wi-Fi路由器相連，獲取到相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，本地、遠(yuǎn)程控制插座的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制家用電器的運(yùn)行狀態(tài)或者在多電器的場(chǎng)景下切換不同的模式。采用SmartLink閃連技術(shù)，不需要長(zhǎng)時(shí)間工作或待機(jī)。同時(shí)云端的數(shù)據(jù)具有強(qiáng)大的可拓展性，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)都具有良好的擴(kuò)充性。

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