黃戌霞，陳小利

(寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)與工程系，福建寧德355000)

0 引言

近年來(lái)，人們對(duì)于居住質(zhì)量的要求逐漸提升，家居行業(yè)的智能化已然成為一種趨勢(shì)，多種智能化家居設(shè)備的出現(xiàn)，為人們提供了更為便利、舒適的生活模式.智能家居是以常規(guī)家居為基礎(chǔ)，輔以智能技術(shù)，在保留常規(guī)家居功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了人與家居環(huán)境的交互和控制，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：(1)家用電器及燃?xì)獾墓ぷ鳡顟B(tài)會(huì)借助傳感裝置發(fā)送至控制終端設(shè)備，以提醒用戶關(guān)閉不用的設(shè)備，消除安全隱患；(2)智能設(shè)備連接相應(yīng)的程序軟件，用戶可通過終端設(shè)備查看各個(gè)設(shè)備的工作情況，以根據(jù)自身的需求進(jìn)行遠(yuǎn)程操控；(3)用戶可以通過一個(gè)終端設(shè)備控制全部的智能設(shè)備，提高生活的便利性.本文基于微信小程序設(shè)計(jì)一款智能家居控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)家居智能化，提升用戶生活體驗(yàn).

1 智能家居控制系統(tǒng)涉及的相關(guān)技術(shù)

1.1 微信小程序

微信小程序于2017年初推出，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面：(1)與傳統(tǒng)的軟件相比較，它無(wú)需下載，不占內(nèi)存，提高了用戶體驗(yàn)感，也節(jié)省了開發(fā)商開發(fā)軟件的資金投入；(2)可通過掃描程序碼直接進(jìn)入程序并應(yīng)用，突顯小程序的便利性；(3)運(yùn)營(yíng)成本相較于其他形式更為便捷，宣傳投入低且易推廣；(4)小程序的出現(xiàn)促使線上與線下融合、貫通，彌補(bǔ)了公眾號(hào)用戶粘度提升難的瓶頸，解決了服務(wù)號(hào)僅能推送信息的尷尬；(5)和常規(guī)的廣告鏈接及公眾號(hào)文章末端的廣告相比較，小程序用戶的使用頻率更高；(6)單就微信本身而言，公眾號(hào)對(duì)應(yīng)“內(nèi)容”，朋友圈對(duì)應(yīng)“社交”，小程序則對(duì)應(yīng)“服務(wù)”，三者共同構(gòu)建了電商運(yùn)行新模式.小程序是基于MINA框架實(shí)現(xiàn)的，能夠完成基本的數(shù)據(jù)傳輸[1]，框架如圖1(見 58頁(yè))所示.

1.2 Arduino

控制系統(tǒng)的核心使用Arduino，可以解決不同服務(wù)平臺(tái)轉(zhuǎn)換的問題.由于Arduino屬于開源平臺(tái)，既能降低智能家居開發(fā)成本，同時(shí)也會(huì)縮短開發(fā)周期，相連系統(tǒng)的升級(jí)及容量拓展能直接通過改動(dòng)核心單元實(shí)現(xiàn).此外，由于Arduino具備較好的兼容性，支持多種模塊配件的連接，使編程簡(jiǎn)便、易上手，用戶熟悉控制系統(tǒng)后，便可根據(jù)個(gè)人需要調(diào)整相關(guān)設(shè)置.

1.3 無(wú)線傳輸

無(wú)線傳輸模式以其不占空間和使用便捷的優(yōu)勢(shì)，使智能家居由有線連接方式向無(wú)線連接方式遷移.目前，幾種主流的無(wú)線通訊方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中WIFI的應(yīng)用范圍較廣，技術(shù)相對(duì)完善；ZigBee技術(shù)的功耗較少，資金投入量相對(duì)偏低；藍(lán)牙功能在終端設(shè)備的覆蓋面較廣.綜合以上幾種常用無(wú)線技術(shù)，本文選用性價(jià)比較高的ZigBee技術(shù).

1.4 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)OneNET

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)OneNET與常規(guī)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相比，其優(yōu)勢(shì)在于能選用不同類型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連入所需的傳感裝置和硬件系統(tǒng)，同時(shí)支持大數(shù)據(jù)，普通用戶及企業(yè)組織能借此開展專屬應(yīng)用.此外，可連接多種硬件設(shè)施，滿足多種終端設(shè)備應(yīng)用需要，同時(shí)可連接不同類型的無(wú)線通訊，用戶可根據(jù)個(gè)人情況進(jìn)行選擇.該平臺(tái)的兼容性較好，并能保護(hù)用戶隱私，應(yīng)用范圍較廣.

2 智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)程控制端設(shè)計(jì)

2.1.1 Arduino開源電子原型平臺(tái)

該控制系統(tǒng)各單元程序的設(shè)計(jì)是借助Arduino開源電子原型平臺(tái)集成測(cè)試環(huán)境實(shí)現(xiàn)的.void set up為初始函數(shù)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的設(shè)置，涉及到數(shù)據(jù)輸送端口、波特率等方面，vodi loop是主循環(huán)函數(shù)，控制系統(tǒng)中的大部分循環(huán)指令.各個(gè)節(jié)點(diǎn)的差異僅體現(xiàn)在提供的功能服務(wù)上，函數(shù)和設(shè)置大致相同.

2.1.2 無(wú)線傳輸模塊

智能家居控制系統(tǒng)需要應(yīng)用無(wú)線傳輸，以保證應(yīng)用的便利性，并達(dá)到低耗能、遠(yuǎn)程操控的目的.ZigBee模塊較為符合設(shè)計(jì)要求，該模塊包括路由、協(xié)調(diào)和終端三個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中路由節(jié)點(diǎn)屬于數(shù)據(jù)輸送中繼站，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)傳輸，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)通訊.其網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)如圖2所示.

2.1.3 傳感系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過傳感裝置掌握家居情況，并借助Arduino加以分析，將數(shù)據(jù)傳輸給用戶及控制設(shè)備，達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的.Arduino需連接各個(gè)家居傳感裝置，之后由ZigBee將獲取的數(shù)據(jù)傳送至相關(guān)的節(jié)點(diǎn).首先，光照傳感裝置，負(fù)責(zé)采集光照信號(hào)，通過光照小球獲取室內(nèi)亮度數(shù)據(jù)，與核心控制相連，顯示當(dāng)前室內(nèi)的光照情況，通過控制核心發(fā)送至其他節(jié)點(diǎn)，分析當(dāng)前亮度是否合適，由此調(diào)節(jié)燈具及窗簾.其次，溫、濕度傳感裝置，借助DHT11實(shí)現(xiàn)，其功耗不高，且監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和可靠性較好，其中溫度的測(cè)量范圍在0～50 ℃，誤差范圍為±2 ℃，濕度的測(cè)量范圍為20%～95%，誤差范圍為±5%.最后，煙霧氣敏選擇MQ-2，其對(duì)于煙霧的敏感程度較高，并且不會(huì)產(chǎn)生過多的能耗[2].

2.1.4 控制系統(tǒng)

本家居控制系統(tǒng)借助紅外設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的控制，如空調(diào)、冰箱等，并由室內(nèi)相關(guān)傳感裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，借此控制此類設(shè)備，協(xié)同作業(yè)，提高室內(nèi)的舒適度.以空調(diào)系統(tǒng)為例，用戶通過操作小程序及網(wǎng)關(guān)，向控制模塊下達(dá)命令，之后由紅外設(shè)備將信號(hào)傳輸?shù)娇照{(diào)，設(shè)備接收裝置通過分析信號(hào)，完成相應(yīng)的操作.

2.1.5 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，是各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定連接的橋梁.無(wú)線傳輸模塊ZigBee可將命令和所獲取的信息傳輸至相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，由此達(dá)到對(duì)各節(jié)點(diǎn)的把控.網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用的硬件為WH-NB73，使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)之間形成穩(wěn)定的連接.此設(shè)備具有較強(qiáng)的兼容性，應(yīng)用性能較好，成本投入及能耗較少.同時(shí)，應(yīng)用此芯片無(wú)需考量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，僅需準(zhǔn)確設(shè)置對(duì)應(yīng)的端口.

2.2 客戶端設(shè)計(jì)

2.2.1 云平臺(tái)

云平臺(tái)可與多種設(shè)備連接，能在不同應(yīng)用情況下，提供對(duì)應(yīng)的服務(wù)功能，以滿足基本的設(shè)備管理需要.該平臺(tái)下的各類資源模型為用戶名下產(chǎn)品，且種類多樣，發(fā)揮的功能及作用也有所差異.若想達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果，用戶需在特定官網(wǎng)上注冊(cè)賬號(hào)，登錄后借助云平臺(tái)與相應(yīng)的硬件連接，選擇產(chǎn)品，填入產(chǎn)品名稱及基本介紹等，之后選擇網(wǎng)絡(luò)模式、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等有關(guān)參數(shù).完成基本設(shè)置后，云平臺(tái)會(huì)為用戶提供虛擬名稱，用戶之前選擇的設(shè)備會(huì)自動(dòng)劃分至對(duì)應(yīng)的云空間.開發(fā)人員可在此空間內(nèi)創(chuàng)建遠(yuǎn)程控制界面.在用戶注冊(cè)時(shí)，會(huì)提供獨(dú)有的APIKeg，用戶借此可對(duì)名下的各個(gè)產(chǎn)品擁有既定的訪問權(quán)限.在此平臺(tái)上，可添加多項(xiàng)硬件，并由數(shù)據(jù)流構(gòu)建儲(chǔ)存空間，每次信號(hào)傳輸便會(huì)形成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn).數(shù)據(jù)流內(nèi)的各個(gè)數(shù)據(jù)都為具體的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)其儲(chǔ)存采取鍵值對(duì)的模式，Keg字段內(nèi)涉及到創(chuàng)建各類ID的數(shù)據(jù).另外，觸發(fā)裝置也會(huì)與多項(xiàng)數(shù)據(jù)流相連[3].

2.2.2 小程序端

通過小程序控制該系統(tǒng)，掌握當(dāng)前的室內(nèi)環(huán)境，除上文提到的MINA框架外，還應(yīng)確保應(yīng)用終端獲得服務(wù)器及API接口的支持，并將室內(nèi)環(huán)境、設(shè)備及有關(guān)數(shù)據(jù)信息保存至對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi).具體而言，一方面，用戶終端若想獲得所需的功能，應(yīng)當(dāng)通過周期函數(shù)及對(duì)應(yīng)項(xiàng)目處理函數(shù)，向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，并以特定的格式加以定義，最終的請(qǐng)求結(jié)果分為“成功”及“失敗”兩類.用戶在連接的終端設(shè)備獲取所需的數(shù)據(jù)信息，并顯示在特定的頁(yè)面上；另一方面，此類小程序的開發(fā)應(yīng)在特定工具內(nèi)，通過新建系統(tǒng)進(jìn)行頁(yè)面編寫，編寫的內(nèi)容需處于Pages路徑下，完成后會(huì)自動(dòng)生成目錄.

小程序首頁(yè)中包括的功能有新設(shè)備接入、現(xiàn)有設(shè)備控制、設(shè)備查看及環(huán)境信息.進(jìn)入新設(shè)備接入功能模塊后要填寫添加設(shè)備的基本信息，之后選擇室內(nèi)空間，由此完成設(shè)置.而對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的控制，用戶需在相應(yīng)的功能界面選擇設(shè)備，系統(tǒng)會(huì)將信號(hào)傳送至對(duì)應(yīng)的服務(wù)器，完成連接后便可操控設(shè)備.設(shè)備查看需要先選擇設(shè)備所在的空間，之后選擇設(shè)備，系統(tǒng)會(huì)顯示所選設(shè)備當(dāng)前的相關(guān)信息.環(huán)境信息功能為用戶選擇室內(nèi)空間后，直接獲取有關(guān)信息.頁(yè)面邏輯層借助文件完成，該層負(fù)責(zé)分析處理視圖層的內(nèi)容，處理結(jié)果會(huì)自動(dòng)傳輸至視圖層.系統(tǒng)層內(nèi)能短期儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、文件及網(wǎng)絡(luò)信息等，通過setData使信息由邏輯層傳輸至視圖層，并緩存涉及到的信息，而儲(chǔ)存文件及信息網(wǎng)絡(luò)方面的操作需借助特定的接口完成[4].

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)開發(fā)中最為基本的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各類數(shù)據(jù)的操作及管理屬于控制系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)性技術(shù)，關(guān)乎系統(tǒng)的穩(wěn)定性.若系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)引發(fā)一系列的后續(xù)問題，甚至為系統(tǒng)埋下運(yùn)行隱患，不利于系統(tǒng)的后續(xù)運(yùn)行、維護(hù)工作的開展.因此，若想保證控制系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性及流暢性，需保證數(shù)據(jù)庫(kù)的質(zhì)量.目前，選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)較為適宜，該數(shù)據(jù)庫(kù)所需資金投入較少，且占用空間較小，對(duì)于指令的反應(yīng)靈敏度處于常規(guī)水平，擁有專門的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)法，在連接服務(wù)器期間，可進(jìn)行數(shù)據(jù)加密處理，與其他管理工具相比有較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì).對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的概念設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分：其一，家居設(shè)備的基本信息，包括ID、所在位置、數(shù)量、類別等；其二，用戶數(shù)據(jù)，包括ID、昵稱、刪除時(shí)間等；其三，環(huán)境數(shù)據(jù)，包括ID、溫濕度等；其四，房間信息，數(shù)據(jù)包括到ID、位置、戶主、設(shè)備ID等.通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型加以設(shè)計(jì)，能直觀看出各信息之間的聯(lián)系，用戶和設(shè)備屬于“一對(duì)多”的關(guān)系.其中設(shè)備數(shù)據(jù)包括房間數(shù)據(jù)，而房間數(shù)據(jù)又包括環(huán)境數(shù)據(jù)，屬于層層遞進(jìn)的關(guān)系.

數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)應(yīng)基于概念結(jié)構(gòu)，進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，以用戶數(shù)據(jù)為例，具體如表1所示.

表1 用戶數(shù)據(jù)表

2.3 服務(wù)器搭建與程序測(cè)試調(diào)試

系統(tǒng)采取阿里云服務(wù)器，并安設(shè)相應(yīng)的控制模塊，其中包括CPU、內(nèi)存(2 GB)、公網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)以及硬盤(40 GB)、操作系統(tǒng)等.

軟件環(huán)境采用Linux作為控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)及編程語(yǔ)言等.開發(fā)的小程序應(yīng)完成相關(guān)域名的設(shè)置，同時(shí)，連接的域名需事先完成備案，備案信息包括備案號(hào)、名稱及域名等.微信官方對(duì)備案的域名進(jìn)行校驗(yàn)審核，待通過后方可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的請(qǐng)求.最后將備案成功后獲取的相關(guān)證書上傳到服務(wù)器上，之后便可配置Nginx.進(jìn)入目錄后，新建文件，并將其復(fù)制在本地進(jìn)行編輯，將編輯完成的文件傳至服務(wù)器，完成基本設(shè)置后，輸入“Nginx”，點(diǎn)擊回車便完成系統(tǒng)啟動(dòng)[5].

至此，完成了從云服務(wù)器和域名兩個(gè)方面入手構(gòu)建的適合微信小程序運(yùn)行的服務(wù)器端的搭建.

最后，在微信小程序上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分功能、分模塊的測(cè)試.本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)新使用設(shè)備的接入、已入網(wǎng)設(shè)備的查看、在線設(shè)備的控制和設(shè)備環(huán)境的監(jiān)測(cè).系統(tǒng)依據(jù)搭建好的服務(wù)器上的設(shè)備信息，從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在移動(dòng)端頁(yè)面上，以實(shí)現(xiàn)用戶在通過身份驗(yàn)證后，利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程對(duì)家居設(shè)備的添加、選擇、移除、控制(如設(shè)備開關(guān)狀態(tài)、定時(shí)控制、風(fēng)向控制等)，及對(duì)設(shè)備環(huán)境的監(jiān)測(cè)(如室內(nèi)光度、溫度等).

3 結(jié)語(yǔ)

近幾年，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟，對(duì)常規(guī)家居領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.本文所研究的智能家居系統(tǒng)以微信小程序?yàn)榛A(chǔ)，借助物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)OneNET構(gòu)建客戶端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備查看、控制等功能，使用便捷，但仍存在諸多不足，如系統(tǒng)需求分析應(yīng)更貼近實(shí)際生活，程序功能升級(jí)更新緩慢，操作頁(yè)面仍有待優(yōu)化，后續(xù)將對(duì)這些不足進(jìn)行研究、改進(jìn)，以提升生活的便利性和用戶體驗(yàn)感.