占亞劍，李國兵，朱仕梁

（1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510515；2．廣東順德大派電氣有限公司，廣東 順德528300）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為智能家居提供更為人性化的用戶體驗(yàn)提供了技術(shù)支持，推動(dòng)了智能家居快速發(fā)展，智能家居領(lǐng)域最早的創(chuàng)新產(chǎn)品——互聯(lián)網(wǎng)電視，被海爾、美的、小米等國內(nèi)知名廠商的廣泛關(guān)注。工信部數(shù)據(jù)顯示，2017年全國互聯(lián)網(wǎng)電視產(chǎn)量超過千萬臺(tái)，占彩電總產(chǎn)量63.4%，但用戶互聯(lián)網(wǎng)滲透率不足10%，即不足一成的互聯(lián)網(wǎng)電視用戶使用了互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)應(yīng)用服務(wù)，絕大部分用戶并沒有使用互聯(lián)網(wǎng)電視的網(wǎng)絡(luò)搜索、IP電視、視頻通話和網(wǎng)絡(luò)視頻等信息終端功能。事實(shí)上，在移動(dòng)互聯(lián)對(duì)家居生活傳統(tǒng)模式產(chǎn)生顛覆性影響的時(shí)代背景下，同時(shí)具備使用高頻和生活剛需等特點(diǎn)的傳統(tǒng)家居設(shè)備已為數(shù)不多?；ヂ?lián)網(wǎng)熱水器作為同時(shí)符合上述兩個(gè)條件的家居設(shè)備，已逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。本文提出了一種燃?xì)鉄崴魑锫?lián)網(wǎng)控制模組的設(shè)計(jì)方案，能利用機(jī)智云平臺(tái)，將普通燃?xì)鉄崴鞲脑焐?jí)為互聯(lián)網(wǎng)熱水器。

1 互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)鉄崴鞯恼w設(shè)計(jì)

燃?xì)鉄崴髋c電熱水器相比，具有空間占用小、費(fèi)用低、供熱持續(xù)性強(qiáng)以及免維護(hù)等顯著優(yōu)勢，尤其在二胎政策開放家庭常住人口增長和國內(nèi)居民消費(fèi)水平升級(jí)的背景下，燃?xì)鉄崴魇袌鲆?guī)模將進(jìn)一步超越電熱水器市場規(guī)模。國內(nèi)燃?xì)鉄崴鹘?jīng)過多年迭代式創(chuàng)新，技術(shù)成熟度和性能指標(biāo)在國際上處于先進(jìn)水平，目前市場主流機(jī)型的標(biāo)配功能有恒溫供熱、零秒出熱水以及低水壓點(diǎn)火等，能較好地滿足絕大部分客戶的使用需求。

本方案針對(duì)國內(nèi)燃?xì)鉄崴髦髁鳈C(jī)型，采用嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)M2M技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行升級(jí)改造，增設(shè)用戶與熱水器、熱水器與云端互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息中樞是物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[1]。互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)鉄崴髯鳛橹悄芗揖釉O(shè)備，其物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)必須是具備強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)支撐能力、可擴(kuò)展性強(qiáng)和運(yùn)維成本低等特點(diǎn)的云計(jì)算平臺(tái)，在國內(nèi)較成熟的云平臺(tái)有百度IoT、京東智能云、阿里云、騰訊云、中科智城云和機(jī)智云等。百度IoT提供基于地圖服務(wù)的增值服務(wù)；京東智能云、阿里智能云的特點(diǎn)是可以提供自定義界面的通用APP，支持接入微信平臺(tái)；中科智城云僅面向企業(yè)提供個(gè)性化定制服務(wù)；機(jī)智云是國內(nèi)最早的智能硬件自助開發(fā)和云服務(wù)平臺(tái)，是國內(nèi)最大的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，擁有國內(nèi)最大的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者社區(qū)，不僅能提供自主品牌的智能硬件模組，還支持其他硬件廠家的模組接入，能較好符合智能家居物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。本文提出的整體設(shè)計(jì)方案是以機(jī)智云平臺(tái)為系統(tǒng)控制樞紐，通過物聯(lián)網(wǎng)控制模組與機(jī)智云平臺(tái)利用手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，構(gòu)建性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的燃?xì)鉄崴魑锫?lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，整體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1.

圖1 互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)鉄崴髡w結(jié)構(gòu)框圖

本方案選擇機(jī)智云作為物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)平臺(tái)基于三個(gè)考慮。一是機(jī)智云為開發(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)，能通過模塊化的工具、不斷增強(qiáng)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，降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)投產(chǎn)周期；二是機(jī)智云能提供穩(wěn)定的、豐富的SDK應(yīng)用開發(fā)包可供免費(fèi)開源的APP調(diào)用，控制運(yùn)維成本；三是機(jī)智云打造的開發(fā)者社區(qū)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能推動(dòng)產(chǎn)品快速迭代提升用戶體驗(yàn)，有利于物聯(lián)網(wǎng)智能家居產(chǎn)品互聯(lián)網(wǎng)滲透率。綜上所述，本方案產(chǎn)品選用機(jī)智云平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)平臺(tái)，利用技術(shù)成熟性價(jià)比高的stm32作為主控芯片，采用技術(shù)成熟的ESP8266作為WiFi通訊芯片，構(gòu)建性能強(qiáng)大、運(yùn)維便捷可靠和拓展功能豐富的燃?xì)鉄崴魑锫?lián)網(wǎng)控制模組。

2 物聯(lián)網(wǎng)控制模組的設(shè)計(jì)

本方案以STM32F407ZGT6為主控模塊，結(jié)合水溫信號(hào)、水流量信號(hào)、一氧化碳檢測信號(hào)等信號(hào)數(shù)據(jù)，通過ESP8266 WIFI模塊與機(jī)智云平臺(tái)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可使用手機(jī)APP設(shè)定熱水器控制與設(shè)置參數(shù)，設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 燃?xì)鉄崴魑锫?lián)網(wǎng)控制模組設(shè)計(jì)框圖

2.1 WIFI模塊

WiFi模塊采用低功耗、高集成度的ESP8266，該模塊高度集成8M存儲(chǔ)器、射頻balun、天線開關(guān)、過濾器和功率放大器，時(shí)鐘速度最高達(dá)160 MHz，具有超低功耗的16位RSIC[2]。ESP8266支持實(shí)時(shí)RTOS操作系統(tǒng)，WiFi協(xié)議棧只占用20%的MIPS，剩余的80%可用于開發(fā)與編程。燒寫GAgent固件后，可以提供上層應(yīng)用（手機(jī)APP等控制端、云端）與互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊，其電路原理圖3所示。ESP8266廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備、移動(dòng)通信終端等領(lǐng)域，通過串口與MCU連接，可實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用場景的超低功耗運(yùn)行，能滿足本方案對(duì)功耗控制的嚴(yán)格要求。本設(shè)計(jì)中，WiFi模塊和STM32通過串口通信，在手機(jī)APP上可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)鉄崴鞯某鏊疁囟?、出水量等參?shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，將數(shù)據(jù)上傳至機(jī)智云平臺(tái)，并能從機(jī)智云平臺(tái)服務(wù)器獲取相應(yīng)的控制信息。WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)所調(diào)用STM32函數(shù)的主要內(nèi)容如下：

圖3 ESP8266 WiFi模塊電路原理圖

2.2 機(jī)智云平臺(tái)設(shè)置

機(jī)智云平臺(tái)面向網(wǎng)頁控制端及手機(jī)APP提供的應(yīng)用程序編程接口API具備代碼自動(dòng)生成功能。云平臺(tái)會(huì)根據(jù)本設(shè)計(jì)方案定義的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)生成對(duì)應(yīng)的設(shè)備端代碼，降低了開發(fā)者的開發(fā)門檻和開發(fā)資源調(diào)用，縮短開發(fā)周期。設(shè)備端代碼實(shí)現(xiàn)了機(jī)智云通信協(xié)議的解析與封包、傳感器數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換邏輯，并封裝成了簡單的API。當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)鉄崴鱓IFI模塊收到云端或APP端的數(shù)據(jù)后，程序會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的事件并通知到應(yīng)用層，開發(fā)者只需要在對(duì)應(yīng)的事件處理邏輯中添加對(duì)應(yīng)設(shè)備的控制函數(shù)，就可以完成產(chǎn)品的開發(fā)。機(jī)智云官網(wǎng)的開發(fā)者中心為本設(shè)計(jì)方案提供虛擬的互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)鉄崴魑锫?lián)網(wǎng)控制模組，可模擬設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)和快速校驗(yàn)接口功能開發(fā)情況。同時(shí)，利用機(jī)智云平臺(tái)提供的手機(jī)APP掃描該虛擬設(shè)備自動(dòng)生成的二維碼后，可在手機(jī)上對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行控制仿真，檢查虛擬設(shè)備與云平臺(tái)數(shù)據(jù)通信可靠性，本設(shè)計(jì)方案開發(fā)過程中的控制仿真界面如圖4所示。

圖4 互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)鉄崴骺刂品抡娼缑?/p>

2.3 主控模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案主控模塊采用的是STM32F407ZGT6微控制器的內(nèi)核為ARMCortex-M4F，與燃?xì)鉄崴髦骺匕弪?qū)動(dòng)模塊的通訊方式為串口，負(fù)責(zé)與燃?xì)鉄崴髦骺匕弪?qū)動(dòng)模塊通訊，實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉄崴鞲黜?xiàng)功能。STM32F407ZGT6微控制器是當(dāng)前智能家居設(shè)備的主流微控制器，兼容性好，具有較高的性價(jià)比且維護(hù)成本低。在本設(shè)計(jì)中僅用到了微控制器部分子模塊，包括串口看門狗ADC定時(shí)器和IO口等模塊[3]。在確定通過采集出水溫度和水流壓力等傳感器傳回的信號(hào)，并與預(yù)設(shè)的溫度和進(jìn)水量進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)串口發(fā)送執(zhí)行命令給燃?xì)鉄崴髦骺匕弪?qū)動(dòng)模塊，通過控制燃?xì)鈿忾y、水閥開度，形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)水溫的快速調(diào)節(jié)。機(jī)智云與STM32數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)的部分核心代碼如下：

3 手機(jī)APP測試

利用機(jī)智云平臺(tái)提供的SDK開發(fā)包，完成Active修改后即可對(duì)手機(jī)APP進(jìn)行多次開發(fā)，添加或修正互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)鉄崴鬟h(yuǎn)程控制功能項(xiàng)目。本設(shè)計(jì)方案給出的第一個(gè)版本的手機(jī)APP應(yīng)用包含遠(yuǎn)程啟動(dòng)、沐浴模式選擇、目標(biāo)水溫預(yù)設(shè)和浴缸放水時(shí)間設(shè)定等功能，用戶界面如圖5所示。在后續(xù)的手機(jī)APP版本中，還將添加沐浴時(shí)間回報(bào)、燃?xì)夂哪芙y(tǒng)計(jì)和CO濃度監(jiān)測報(bào)警推送等功能，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)和與其他智能家居設(shè)備的兼容性。

4 結(jié)束語

本文基于普通的燃?xì)鉄崴?，利用wifi模塊、stm32控制模塊和機(jī)智云平臺(tái)組成物聯(lián)網(wǎng)控制模組，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)鉄崴魑锫?lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)燃?xì)鉄崴鞯倪h(yuǎn)程控制和監(jiān)測。本文設(shè)計(jì)方案提出的物聯(lián)網(wǎng)控制模組二次開發(fā)成本低，開源開發(fā)環(huán)境兼容性強(qiáng)，能通過家庭網(wǎng)絡(luò)與其他智能家居設(shè)備連接起來，并遵循特定的控制策略協(xié)調(diào)各設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備互通互聯(lián)，具有廣泛的應(yīng)用前景。