武 磊，張正炳，胡蓉華

(1. 長江大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023; 2. 長江大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

基于Web的家居設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

武 磊1，張正炳1，胡蓉華2

(1. 長江大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023; 2. 長江大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

為了方便用戶遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備以及提高設(shè)備可靠性，設(shè)計了一套基于Web的遠(yuǎn)程家居設(shè)備控制系統(tǒng)，可以讓用戶只需要登錄手機(jī)或者PC瀏覽器就可以監(jiān)控相隔千里的家居設(shè)備。此系統(tǒng)包含節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺和物聯(lián)網(wǎng)平臺，其中，節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺采用控制芯片STM32F407、PHY芯片Lan8720、LwIP協(xié)議棧，實現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)設(shè)備入網(wǎng)、控制及狀態(tài)檢測；物聯(lián)網(wǎng)平臺采用Web技術(shù)，響應(yīng)來自用戶瀏覽器的控制命令及監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能可靠、使用方便，可以滿足家居設(shè)備控制需要，有著廣泛的應(yīng)用前景。

STM32；LwIP；Lan8720；Web控制

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能硬件的快速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程設(shè)備控制系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用在家居、農(nóng)業(yè)[1]和工業(yè)[2]中，最初大多采用C/S模式，需要交互雙方分別安裝客戶端和服務(wù)端，使用起來比較復(fù)雜；繼而梁鐵等[3]提出基于Web服務(wù)器的方式，不需要安裝服務(wù)端程序，只需在設(shè)備中嵌入Web網(wǎng)頁，利用現(xiàn)有瀏覽器就可以控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備，但該設(shè)計工作在局域網(wǎng)中，控制距離短；結(jié)合Yeelink物聯(lián)網(wǎng)平臺，杜一騰等[4]提出了基于Arduino與Yeelink平臺的遠(yuǎn)程設(shè)備控制系統(tǒng)，這種方式使用簡單，但是依賴于Yeelink平臺，可擴(kuò)展性差，同時無法實時觀察當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致安全隱患。針對這些問題，本文采用STM32F407芯片、Lan8720芯片以及Web技術(shù)，設(shè)計了基于Web技術(shù)的遠(yuǎn)程家居設(shè)備控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以使用戶不受限于時間和地點(diǎn)，只需要打開隨身攜帶的手機(jī)或PC瀏覽器登錄位于云服務(wù)器的物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過控制平臺網(wǎng)頁中與節(jié)點(diǎn)設(shè)備平臺綁定的虛擬開關(guān)，就可以控制家居設(shè)備，使用方便，同時可以在物聯(lián)網(wǎng)平臺上實時了解當(dāng)前家居設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時消除故障設(shè)備隱患。該系統(tǒng)成本低、實時性強(qiáng)、使用簡單，在農(nóng)田灌溉、大棚溫調(diào)等智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，家居設(shè)備開關(guān)控制等智能家居領(lǐng)域以及工業(yè)中危險設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等智能工業(yè)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是基于Web技術(shù)的遠(yuǎn)程家居設(shè)備控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)包含兩部分，一部分是位于云服務(wù)器的物聯(lián)網(wǎng)平臺，另一部分是接入了因特網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺，此部分連接了多個家居節(jié)點(diǎn)設(shè)備，這兩部分與用戶的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(如手機(jī)、PC)構(gòu)成了整個遠(yuǎn)程家居設(shè)備控制運(yùn)行環(huán)境。工作時，用戶只需要打開自身攜帶的計算機(jī)或手機(jī)瀏覽器登錄到物聯(lián)網(wǎng)平臺中，通過控制與家居節(jié)點(diǎn)設(shè)備對應(yīng)的虛擬開關(guān)，就可以打開家里所對應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備，同時在物聯(lián)網(wǎng)平臺上可以實時查看當(dāng)前家居設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺包括了串口模塊、電源模塊、 STM32主控模塊、多路被控節(jié)點(diǎn)模塊、PHY模塊以及網(wǎng)口模塊6個部分，如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計框圖

各模塊具體實現(xiàn)如下：

(1)PHY模塊由PHY芯片Lan8720[5]完成，Lan8720是一款低功耗的10/100M的以太網(wǎng)PHY層芯片，支持RMII接口與以太網(wǎng)MAC層通信，并可以通過自協(xié)商的方式與目的主機(jī)建立最佳的工作方式(速度和雙工模式)。在此系統(tǒng)中主要完成物理層的功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換、同步等；

(2)被控節(jié)點(diǎn)模塊由繼電器控制及開關(guān)檢測電路組成，一是用于執(zhí)行主控模塊傳遞過來的節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制命令，二是檢測當(dāng)前被控節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；

(3)串口模塊由RS232及外圍電路組成，主要用于網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示等；

(4)電源模塊主要是為 STM32主控模塊、節(jié)點(diǎn)模塊及其他硬件設(shè)備供電；

(5)STM32主控模塊由STM32F407[6]及外圍電路組成，STM32F407是基于Cortex M4內(nèi)核的一款嵌入式芯片，相對于STM32F1，具備更高的性能，更低的功耗，同時自帶以太網(wǎng)模塊，該模塊支持介質(zhì)獨(dú)立接口(MII)和簡化介質(zhì)獨(dú)立接口(RMII)。在本系統(tǒng)中配合軟件設(shè)計實現(xiàn)了MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及應(yīng)用層的功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)軟件工作流程

本系統(tǒng)初始化后，節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺與物聯(lián)網(wǎng)平臺建立TCP連接，雙方進(jìn)入連接建立狀態(tài)；當(dāng)用戶通過計算機(jī)或手機(jī)上的瀏覽器登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺，發(fā)出打開或者關(guān)閉家居節(jié)點(diǎn)設(shè)備的命令后，命令會寫入到網(wǎng)站后臺文件中等待節(jié)點(diǎn)設(shè)備獲??；節(jié)點(diǎn)設(shè)備平臺會以60 s的周期，不斷發(fā)出開關(guān)控制狀態(tài)請求命令，物聯(lián)網(wǎng)平臺收到請求后將網(wǎng)站后臺文件中的用戶控制命令以HTTP響應(yīng)包的格式發(fā)送給節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺，節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺提取出HTTP包中的控制信息，告知被控節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)設(shè)備的打開或者關(guān)閉；同時節(jié)點(diǎn)設(shè)備平臺設(shè)置30 s定時器，待定時到后檢測當(dāng)前所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)給物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺收到請求后更新html頁面，用戶根據(jù)頁面中設(shè)定的開關(guān)狀態(tài)及節(jié)點(diǎn)設(shè)備返回的狀態(tài)監(jiān)控信息就可以判斷控制是否起作用，同時也可以了解其他設(shè)備是否運(yùn)行正常，系統(tǒng)軟件工作流程如圖3中①～⑨所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程圖

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括LwIP協(xié)議棧的移植、節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺軟件設(shè)計以及物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件設(shè)計三個部分，介紹如下。

3.2LwIP協(xié)議棧移植

基于802標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，如果運(yùn)行在嵌入式芯片STM32F407上，會由于RAM和ROM容量的限制無法運(yùn)行，因此，瑞典計算機(jī)科學(xué)院(SICS)開發(fā)了一個小型開源的TCP/IP協(xié)議棧，在保持了TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少了對RAM 的占用，它只需十幾KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以運(yùn)行，付曉軍[7]、張齊[8]等人也提出了LwIP協(xié)議棧的改進(jìn)辦法，這使LwIP協(xié)議棧[9]更加適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用。

在本系統(tǒng)中，主控芯片采用了ST公司的STM32F407芯片，其自帶以太網(wǎng)MAC模塊以及以太網(wǎng)庫，移植1.4.1版本的LwIP源碼過程如圖4所示。

圖4 LwIP移植框圖

LwIP協(xié)議棧的移植過程如下：

(1)通過硬件配置文件對該P(yáng)HY芯片的工作狀態(tài)、速率等信息進(jìn)行配置，使其工作在正常的數(shù)據(jù)收發(fā)模式下。

(2)驅(qū)動完成硬件設(shè)備加載，使 STM32主控模塊可以與PHY芯片正常通信，主要完成以下的工作：①Lan8720的初始化；②配置以太網(wǎng)DMA中斷優(yōu)先級；③獲取當(dāng)前連接速度和雙工狀態(tài)；④配置以太網(wǎng)MAC和DMA；⑤定義網(wǎng)卡收發(fā)數(shù)據(jù)包函數(shù)；⑥為收發(fā)數(shù)據(jù)緩存和描述符申請、釋放緩存等。

(3)加載LwIP源碼，并通過中間接口文件與驅(qū)動連接起來。中間文件完成了協(xié)議棧內(nèi)部數(shù)據(jù)類型、CPU的大小端模式、MAC地址及源端IP地址等信息的定義，完成內(nèi)存的申請和分配、內(nèi)核初始化、默認(rèn)網(wǎng)卡的設(shè)置，定義了lwip_pkt_handle()函數(shù)來中斷接收數(shù)據(jù)，定義了定時處理函數(shù)完成TCP、ARP等定時器的更新等。

(4)LwIP協(xié)議通過數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體與應(yīng)用程序連接起來，數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體pbuf[10]用來描述協(xié)議棧使用的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體netif[10]用來定義網(wǎng)絡(luò)接口的IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、收發(fā)數(shù)據(jù)報函數(shù)及接口狀態(tài)等信息。

3.3節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺軟件設(shè)計

節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺在與被控節(jié)點(diǎn)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)平臺以及計算機(jī)交互處理中完成了網(wǎng)絡(luò)的初始化、與物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器的TCP連接、HTTP數(shù)據(jù)包的解析、封裝及節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制等工作，節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺工作流程如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)端設(shè)備控制平臺工作流程圖

該系統(tǒng)在物理接入網(wǎng)絡(luò)后：(1)完成網(wǎng)絡(luò)的初始化，包括使用DHCP協(xié)議分配IP地址、IP地址到物理地址映射，以及通過DNS協(xié)議解析物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器的IP地址等；(2)與物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器建立TCP連接后，以60 s為周期向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)出開關(guān)狀態(tài)請求數(shù)據(jù)包；(3)物聯(lián)網(wǎng)平臺返回開關(guān)狀態(tài)響應(yīng)HTTP包后進(jìn)行包解析工作，根據(jù)解析出來的結(jié)果發(fā)出設(shè)備控制命令完成被控節(jié)點(diǎn)設(shè)備的開關(guān)控制；(4)啟動30 s定時器，待定時到后檢測所有被控節(jié)點(diǎn)設(shè)備開關(guān)狀態(tài)，將檢測出的結(jié)果發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3.4物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)平臺響應(yīng)來自用戶瀏覽器的控制請求及監(jiān)控當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行的開關(guān)狀態(tài)。工作時，(1)用戶通過瀏覽器登錄到物聯(lián)網(wǎng)平臺，平臺所在的服務(wù)器會返回開關(guān)控制及監(jiān)控頁面，用戶通過打開或者關(guān)閉頁面上的開關(guān)按鈕，發(fā)出設(shè)備控制命令，命令寫入網(wǎng)站后臺文件中；(2)待節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺發(fā)出狀態(tài)請求命令后將文件中的命令通過網(wǎng)絡(luò)以HTTP包格式發(fā)送給節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺；(3)物聯(lián)網(wǎng)平臺實時監(jiān)控遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)控制平臺發(fā)回的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，完成頁面中監(jiān)控開關(guān)的狀態(tài)更新，以便用戶實時查看當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行情況。物聯(lián)網(wǎng)平臺工作流程如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)平臺工作流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試時，通過串口助手觀察節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺收到的HTTP包來驗證節(jié)點(diǎn)設(shè)備是否能正確響應(yīng)來自物聯(lián)網(wǎng)平臺的控制命令，同時通過觀察物聯(lián)網(wǎng)平臺上的監(jiān)控開關(guān)來驗證是否能夠正確監(jiān)控被控節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

首先用戶通過計算機(jī)瀏覽器登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺，并將熱水器開關(guān)、洗衣機(jī)開關(guān)的開關(guān)控制按鈕設(shè)置為“開”狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)平臺

此時通過串口助手獲取節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺收到的HTTP響應(yīng)報文信息，如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)端設(shè)備控制平臺

圖8顯示了節(jié)點(diǎn)設(shè)備收到的HTTP包，對包進(jìn)行解析后提取出數(shù)據(jù)部分，其中{dev_1_1}、{dev_2_0}、{dev_3_1}、{dev_4_0}分別代表熱水器、客廳燈、洗衣機(jī)、空調(diào)接收的開關(guān)命令，其中每個命令最后一位代表開關(guān)狀態(tài)，如此時熱水器和洗衣機(jī)對應(yīng)的命令{dev_1_1}、{dev_3_1}最后一位為“1”,代表為開，其中客廳燈、空調(diào)對應(yīng)的{dev_2_0}、{dev_4_0}最后一位為“0”，代表為關(guān)，與圖7中所設(shè)定的開關(guān)狀態(tài)是一致的，驗證了此時節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺正確收到了來自物聯(lián)網(wǎng)平臺的控制命令，同時觀察圖7中各個設(shè)備的開關(guān)監(jiān)控按鈕，對應(yīng)的熱水器、洗衣機(jī)為“開”狀態(tài)，客廳燈、空調(diào)為“關(guān)”狀態(tài)，驗證了物聯(lián)網(wǎng)平臺能夠正確收到來自節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺發(fā)回的檢測信息，并能完成頁面的更新，以方便用戶實時了解當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行情況。

通過以上測試完成了節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制平臺與物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器的通信測試，用戶無論何時何地登錄本系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)平臺網(wǎng)站，都可以遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備的打開或關(guān)閉，簡單快捷，并能夠觀察節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況，及時排除設(shè)備故障隱患。

5 結(jié)束語

此遠(yuǎn)程家居設(shè)備控制系統(tǒng)只需一臺帶有瀏覽器的手機(jī)或者PC，而不需要安裝復(fù)雜的服務(wù)器軟件，就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)端家居設(shè)備的控制，使用方便快捷，同時還能通過瀏覽器實時觀察家中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時排查故障設(shè)備，保障設(shè)備的可靠運(yùn)行。該系統(tǒng)在測試及應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定，并可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行節(jié)點(diǎn)擴(kuò)增，在智能家居、智能農(nóng)業(yè)以及智能工業(yè)中都有很好的應(yīng)用前景。

[1] 王丹丹, 宗振海, 陳慧珊,等. 基于STM32的智能溫室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2014, 26(3): 791-796.

[2] 王暉, 周巧娣, 章雪挺,等. 基于LwIP的海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2012, 38(8): 26-29.

[3] 梁鐵, 李凱, 王付強(qiáng),等. 基于STM32和LwIP協(xié)議棧的Web網(wǎng)頁控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 測控技術(shù), 2015, 34(9): 134-137.

[4] 杜一騰, 遲宗濤. 基于Arduino與yeelink平臺的實時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2014(10): 26-29.

[5] SMSC. LAN8720A/LAN8720Ai Datasheet 1.2.LAN 8720A-CP[S]. 2011.

[6] ST.Stm32f407 Datasheet. stm32f407[S] . 2011.

[7] 付曉軍, 夏應(yīng)清, 何軒. 嵌入式LwIP協(xié)議棧的內(nèi)存管理[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2006, 32(3):56-58.

[8] 張齊, 勞熾元. 輕量級協(xié)議棧LWIP的分析與改進(jìn)[J]. 計算機(jī)工程與設(shè)計, 2010, 31(10): 2169-2171.

[9] DUNKELS A. Design and implementation of the LwIP TCP/IP stack[D]. Stockholm, Sweden: Swedish Institute of Computer Science,2001.

[10] 朱升林.歐陽駿.楊晶. 嵌入式網(wǎng)絡(luò)那些事：LwIP協(xié)議深度剖析與實戰(zhàn)演練[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2012.

Design and implementation of remote home device control system based on Web

Wu Lei1, Zhang Zhengbing1, Hu Ronghua2

(1. Electronics and Information School, Yangtze University, Jingzhou 434023, China;2. School of Computer Science, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

In order to facilitate the remote control of home devices and improve equipment reliability, a remote home equipment control system based on Web was designed. This system allows users to control home devices from thousands of miles away only by logging on to the browser of the phone or PC. It includes the node equipment control platform and the Internet of things platform. The former which used MCU Stm32f407, PHY chip Lan8720 and LwIP protocol stack provides functions such as log in the network, control and state detection for node devices. The latter is based on Web technology to respond to the control commands from the user browser and monitor the running state of devices. The test results show that the system is stable and perfect in functions. It can meet the needs of home equipment control and will have broad application prospects.

STM32; LwIP; Lan8720; Web control

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.019

武磊，張正炳，胡蓉華.基于Web的家居設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：66-69.

2017-05-08)

武磊(1990-)，男，碩士，助教，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全。張正炳(1961-)，男，博士，教授，主要研究方向：圖像與視頻編碼、數(shù)據(jù)壓縮、物聯(lián)網(wǎng)。胡蓉華(1985-)，男，博士，講師，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、信息安全。