基于物联网三层架构的家居设备控制系统设计

邱金波 邱旭华 张秋晶 吴洁华

(广东石油化工学院 电子信息工程学院,广东 茂名525000)

1 概述

随着5G 的快速发展、基站等基础设施的全面建设、新基建概念的出现,都会促使世界发生翻天覆地的变化,所有的物体都连接上互联网,建立起物与物、人与物的通讯无处不在的物联网,这样的物联网会影响到生活的方方面面,会渗透到智能家居、自动驾驶、智能物流、环境监控、自适应电力、远程医疗、智能农业等领域。智能家居系统主要具备安防和控制两大功能。安防包括防火、防盗窃、防有害气体泄漏等对财产安全、环境安全的保护措施,对家居设备进行近程或者远程控制[1]。

2 总体设计方案

本系统主要由温度采集模块、光强采集模块、控制终端、STM32F103c8t6 微处理器模块、ESP8266 物联网模组、路由器、消息服务器、Web 服务器和手机客户端组成,研究设计具有感知控制层、网络通信层和应用服务层这三层结构的家居设备控制系统[2]。

由图1 和物联网三层架构的定义可以看出,在本系统中,温度采集模块、光强采集模块、控制终端、STM32F103c8t6 微处理器模块属于系统的感知控制层,ESP8266 物联网模块作为连接感知控制层和网络通信层的网关,路由器、MQTT 消息服务器属于系统的网络通信层,Web 服务器和手机客户端属于系统的应用服务层。

3 三层架构之感知控制层设计

感知控制层设计方案：

在整个系统设计中,感知控制层负责温度、光强数据的采集和灯光、风扇的控制,为了模拟实际应用的复杂环境,将设计三个独立的硬件设备节点分别实现不同的功能。

图1 系统结构图

图2 设备节点1 框架图

图3 设备节点2 框架图

设备节点1 实现光强的采集和灯光的控制,由于光强采集和灯光控制都受同一个微处理器控制,所以微处理器能够直接通过光强采集模块获取光强数据并分析后,便可直接调节灯光亮度,而不需要将光强数据发给服务器再等待服务器的操作指令,因为微处理器在本地就能自己获取数据并且有一定的运算能力,设备节点1 调节速度更快、而且不受外界网络影响,但相对也设备结构也更复杂设备节点1 框架如图2 所示。

设备节点2 实现温度数据的采集与上传,主要包括温度采集模块和ESP8266 物联网模组,温度采集模块将采集的温度数据通过串口发送给ESP8266 物联网模组,ESP8266 再通过MQTT 协议发布温度数据到MQTT 消息服务器上,数据最终会转发到订阅了该发布主题的设备上,设备节点2 框架如图3 所示。

设备节点3 实现风扇的控制,设备三主要包括一个ESP8266 物联网模组和一个小风扇,ESP8266 连接MQTT 消息服务器后,向服务器订阅相关主题,手机客户端想要控制风扇只需要向相关主题发布相关指令就可以远程控制风扇,Web 服务器收到温度数据,如需智能调节风扇也能够向消息服务器发布相关指令,从而达到调节风扇的目的设备节点3 架构如图4所示。

图4 设备节点3 架构图

4 三层架构设计

应用服务主要包括Web 服务器和手机客户端,Web 服务器通过消息服务器的HTTP 接口创建订阅,实时接收设备发送的相关数据,在Web 服务器中能够方便地将数据保存到数据库中,能够对大量的历史数据进行管理,也能够实时对接收的数据进行处理、判断,通过对数据的分析实时调节相应设备,Web服务器通过消息服务器的HTTP 接口也可以实时发布消息。Web 服务器可以自动地分析数据然后调节设备,并不需要人为的控制,如果希望人工打开设备和关闭设备,可以在应用服务层加入手机客户端,手机客户端不但可以实现远程控制设备,还能够显示设备上传的最新数据,手机客户端可以直接连接消息服务器进行订阅发布操作而无需通过Web 服务器[5]。

5 系统验证

系统整体调试阶段,基于物联网三层架构设计的系统在调试中相比无架构分明设计的系统而言,调试的效率更具有优势。系统调试中,可先将系统清晰分为感知控制层、网络通信层、应用服务层分别进行调试,各层分别调试完成后结合成一个整体便可完成调试工作,降低系统整体调试难度。

6 结论

本设计主要分为三层,分别为感知控制层、网络通信层和应用服务层。感知控制层负责感知与控制,利用光强采集模块与温度采集模块采集环境的光强数据与温度数据,并通过驱动模块控制灯光与风扇设备；网络通信层负责感知控制层与应用服务层的通信,利用MQTT 消息服务器实现消息的发布/订阅功能；应用服务层负责客户端和云端应用服务的提供,包括了Web 服务器的场景控制和手机客户端的实时监控与远程控制,在相关领域的项目设计中,起到一定的工程借鉴意义。