韓海曉，鐘志明，李蔚瑤，李嘉穎

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，廣東廣州，510640）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及和提速，智能家居行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期。智能客廳是全屋智能家居設(shè)計(jì)的核心部分。本文設(shè)計(jì)了一種基于微信小程序控制的智能客廳系統(tǒng)，主要包括設(shè)備端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和微信小程序三個(gè)部分，運(yùn)用新大陸教育的物聯(lián)網(wǎng)全棧智能應(yīng)用實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬智能客廳，通過微信小程序控制設(shè)備端。設(shè)備端通過IOT 數(shù)據(jù)采集模塊和ZigBee 協(xié)調(diào)器，對(duì)智能家居設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到新大陸云平臺(tái)，最后通過微信小程序進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、家居的遠(yuǎn)程控制、安防的預(yù)警與設(shè)置以及場(chǎng)景的一鍵開啟，滿足了人們對(duì)智能客廳的基本需求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括設(shè)備端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和微信小程序三個(gè)部分。通過IOT 數(shù)據(jù)采集模塊和ZigBee 協(xié)調(diào)器對(duì)智能客廳家居設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以微信小程序?yàn)橛脩艚换ソK端，結(jié)合新大陸云平臺(tái)，指令數(shù)據(jù)通過調(diào)用新大陸API，實(shí)現(xiàn)智能客廳家居的遠(yuǎn)程控制。智能客廳系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 智能客廳系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件是以IOT 數(shù)據(jù)采集模塊和ZigBee 協(xié)調(diào)器為主的環(huán)境采集系統(tǒng)。包括照明燈模塊、風(fēng)扇執(zhí)行器模塊、氛圍燈模塊、微波傳感器模塊、溫濕度采集模塊、可燃?xì)怏w采集模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee 模塊和網(wǎng)關(guān)模塊，硬件設(shè)備連接如圖2 所示。

圖2 硬件設(shè)備連接圖

■2.1 照明燈模塊

（1)照明燈選型

本系統(tǒng)使用86 型明裝螺口燈座以及LED 低壓燈泡代替智能燈泡。86 型明裝螺口燈座以及LED 低壓燈泡具有安裝便捷、安全度高、適用場(chǎng)景較多等優(yōu)點(diǎn)。燈泡為暖白光3000K，利于襯托家庭氛圍，營(yíng)造溫馨浪漫的氛圍。

（2)照明燈模塊設(shè)置

照明燈通過連接IOT 數(shù)據(jù)采集模塊的DO 接口，IOT 數(shù)據(jù)采集模塊以TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)關(guān)的連接，網(wǎng)關(guān)通過TCP協(xié)議連接云平臺(tái)，再到微信小程序的命令傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈的控制。

■2.2 風(fēng)扇執(zhí)行器模塊

（1)風(fēng)扇執(zhí)行器選型

風(fēng)扇執(zhí)行器代替房間溫度調(diào)節(jié)的智能設(shè)備。本系統(tǒng)所使用ARX dc 軸流風(fēng)扇操作安靜、性能高、完全耐熱和防潮。此風(fēng)扇提供經(jīng)濟(jì)高效的冷卻和通風(fēng)解決方案，具有陶瓷軸承內(nèi)部構(gòu)件、可確保使用壽命。

（2)風(fēng)扇執(zhí)行器模塊設(shè)置

風(fēng)扇執(zhí)行器通過連接IOT 數(shù)據(jù)采集模塊的DO 接口，IOT 數(shù)據(jù)采集模塊以TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)關(guān)的連接，網(wǎng)關(guān)通過TCP 協(xié)議連接云平臺(tái)，再到手機(jī)小程序的命令傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇執(zhí)行器的控制。

■2.3 氛圍燈模塊

（1)燈條、調(diào)光控制器選型

本系統(tǒng)中燈條模擬室內(nèi)的氛圍燈，調(diào)光控制器用以改變燈條顏色。24VLED 燈條可顯示紅、綠、藍(lán)3 種顏色，接頭為耐高溫軟線，燈珠亮度高、發(fā)熱小、顯色好。DAMO4-LAMP4 路調(diào)光控制器采用MOS 管形式進(jìn)行輸出不同占空比的周期信號(hào)以實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)速功能。本系統(tǒng)選擇使用24VLED 燈條以及DAMO4-LAMP4路調(diào)光控制器。

（2)氛圍燈模塊配置

燈條通過連接調(diào)光控制器實(shí)現(xiàn)燈條顏色的變化，調(diào)光控制器以USB 通信連接網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過TCP 協(xié)議連接云平臺(tái)，再到手機(jī)小程序的命令傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈條顏色的變化。

■2.4 微波傳感器模塊

（1)微波傳感器選型

微波傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)是否有人，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給網(wǎng)關(guān)。微波（雷達(dá))感應(yīng)開關(guān)可穿透部分非金屬材質(zhì)感應(yīng)，比如玻璃、石膏板、木板、塑料等，低于15cm 的墻體可能會(huì)穿透感應(yīng)。特別適合隱藏安裝，不影響外觀。本系統(tǒng)選擇使用微波（雷達(dá))感應(yīng)開關(guān)。

（2)微波傳感器模塊設(shè)置

微波傳感器通過連接IOT 數(shù)據(jù)采集模塊的DI 接口，IOT 數(shù)據(jù)采集模塊以TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)關(guān)的連接，網(wǎng)關(guān)通過TCP 協(xié)議連接云平臺(tái)，再到微信小程序數(shù)據(jù)的傳輸。

■2.5 溫濕度采集模塊

（1)溫濕度傳感器選型

本系統(tǒng)采用DHT11 溫濕度傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)。DHT11 溫濕度傳感器具有封裝靈活、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。它的信號(hào)傳輸距離可用杜邦線延長(zhǎng)至20 米以上而仍具有高可靠性?？紤]到實(shí)用性、可編程和可靠性，本文選擇使用 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器。

（2)溫度傳感器模塊設(shè)置

DHT11 溫度模塊每隔3s 采集一次溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以無線通信的方式傳輸給網(wǎng)關(guān)。

■2.6 可燃?xì)怏w采集模塊

（1)可燃?xì)怏w傳感器選型

本系統(tǒng)采用MQ2 氣體傳感器采集空氣中的氣體。MQ2 傳感器能感測(cè)LPG、煙霧、酒精、甲烷、氫氣、丙烷和一氧化碳在空氣中的濃度。其檢測(cè)濃度的范圍從200～10000PPM。

（2)可燃?xì)怏w采集模塊設(shè)置

MQ2 氣體傳感器每隔3s 采集一次空氣中的各種氣體濃度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以無線通信的方式傳輸給網(wǎng)關(guān)。

■2.7 數(shù)據(jù)采集模塊

（1)數(shù)據(jù)采集模塊選型

本系統(tǒng)采用新大陸IOT 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊。IOT 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊擁有8 路DI 開關(guān)量輸入、8 路DO 開關(guān)量輸出、3 路AI 模擬量輸入、TCP 通信方式，支持9～36V 寬電壓輸入。

（2)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)置

IOT 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊通過TCP 通信的方式將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)中。

■2.8 ZigBee 模塊

（1)ZigBee 模塊選型

本系統(tǒng)使用新大陸的ZigBee 智能節(jié)點(diǎn)盒以及ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee 智能節(jié)點(diǎn)盒具有2 路串口通信接口：1 路RS485、1 路串口USB，5 路開關(guān)量輸入，5 路數(shù)字量輸出。

（2)ZigBee 模塊設(shè)置

對(duì)ZigBee 協(xié)調(diào)器以及ZigBee 路由進(jìn)行組網(wǎng)，ZigBee協(xié)調(diào)器通過USB 通信與網(wǎng)關(guān)相連，將ZigBee 路由中采集到的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)。

■2.9 網(wǎng)關(guān)模塊

（1)網(wǎng)關(guān)選型

NEW-CG網(wǎng)關(guān)擁有4路USB接口，以及1路RS485接口。以TCP 通信的方式進(jìn)行連接。本系統(tǒng)采用NEW-CG 網(wǎng)關(guān)。

（2)網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)置

網(wǎng)關(guān)模塊通過TCP 通信或USB 通信的方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收或發(fā)送，再通過TCP 通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)至云平臺(tái)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能客廳通過微信小程序調(diào)用新大陸平臺(tái)的API，通過微信小程序控件的開關(guān)控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開關(guān)。能夠控制單一設(shè)備，也能聯(lián)動(dòng)控制設(shè)備。系統(tǒng)使用Taro 框架開發(fā)微信小程序，實(shí)現(xiàn)微信小程序控制智能客廳的相關(guān)設(shè)備。軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

■3.1 前端設(shè)計(jì)

（1)前端框架

頁面視圖層使用WXML 文件來搭建頁面的基本視圖結(jié)構(gòu)，使用WXSS 文件來控制頁面的表現(xiàn)樣式。AppService應(yīng)用邏輯層是MINA 框架的服務(wù)中心，通過微信客戶端啟動(dòng)異步線程單獨(dú)加載運(yùn)行，頁面渲染所需的數(shù)據(jù)、頁面交互處理邏輯都在其中實(shí)現(xiàn)。MINA 框架中的AppService 使用JavaScript 來編寫交互邏輯、網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)處理。小程序中的各個(gè)頁面可以通過AppService 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信、生命周期管理和頁面路由。如圖4所示。

圖4 微信小程序設(shè)計(jì)框架圖

（2)客戶端UI 設(shè)計(jì)

微信小程序客戶端 UI 主要包括首頁、設(shè)備控制、環(huán)境檢測(cè)和安防系統(tǒng)四個(gè)頁面，首頁包含當(dāng)前環(huán)境溫濕度狀態(tài)、回家和離家兩種場(chǎng)景、設(shè)備控制及自定義場(chǎng)景。設(shè)備控制包含對(duì)主燈、副燈、風(fēng)扇和氛圍燈的控制，打開按鈕，對(duì)應(yīng)的設(shè)備圖標(biāo)會(huì)產(chǎn)生變化，設(shè)備也會(huì)打開。環(huán)境監(jiān)測(cè)能夠?qū)崟r(shí)顯示室內(nèi)的溫度與濕度，提醒用戶控制風(fēng)扇等設(shè)備來改善室內(nèi)溫濕度，保持最佳生活環(huán)境。安防系統(tǒng)具有人體紅外傳感系統(tǒng)與可燃?xì)怏w探測(cè)警示功能，能夠?yàn)橛脩籼峁┌踩Ｕ?，人體紅外傳感系統(tǒng)當(dāng)有人員經(jīng)過會(huì)自動(dòng)提醒用戶，“人體”圖標(biāo)變成藍(lán)色；當(dāng)感應(yīng)到可燃?xì)怏w會(huì)自動(dòng)警報(bào)，“可燃?xì)怏w”圖標(biāo)變成紅色，用戶以保障生命安全，具體效果如圖5 所示。

圖5 客戶端UI 設(shè)計(jì)

■3.2 后端設(shè)計(jì)

小程序運(yùn)用了云技術(shù)，通過獲取新大陸云平臺(tái)的API，接收和發(fā)放數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行對(duì)設(shè)備的控制。云開發(fā)框架示意圖如圖6 所示。

圖6 云開發(fā)框架示意圖

4 微信小程序功能設(shè)計(jì)

借助新大陸物聯(lián)網(wǎng)全棧實(shí)訓(xùn)平臺(tái)將智能客廳相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行接線，使用新大陸云平臺(tái)進(jìn)行配置，讓設(shè)備連上網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)通所有智能客廳的設(shè)備。借助微信小程序進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)微信小程序的功能，使其和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連通，實(shí)現(xiàn)微信小程序控制智能客廳的設(shè)備。

■4.1 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能

（1)“智能客廳”的兩個(gè)場(chǎng)景模式一鍵控制?；丶夷Ｊ剑簾艄饩従徱来未蜷_，風(fēng)扇打開調(diào)到最舒適的溫度。聯(lián)動(dòng)主燈、副燈和氛圍燈三種燈光，以及風(fēng)扇功能模擬回家模式的溫馨氛圍。離家模式：一鍵開啟“離家模式”，家中燈光全部關(guān)閉，以及其他打開的智能設(shè)備一并關(guān)閉，模擬無憂出門，省時(shí)節(jié)能。

（2)查看功能。可查看被控制設(shè)備的“開關(guān)狀態(tài)”，和溫濕度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)情況。

（3)遠(yuǎn)程遙控功能。打開小程序，無論多遠(yuǎn)都可控制智能設(shè)備狀態(tài)。

（4)軟啟功能。燈光的漸亮漸暗功能，能讓眼睛免受燈光驟亮驟暗的刺激，同時(shí)還可以延長(zhǎng)氛圍燈燈的使用壽命。

（5)調(diào)光功能。燈光的調(diào)亮調(diào)暗功能，能讓使用者根據(jù)需要調(diào)節(jié)燈光亮度，還能起到節(jié)能環(huán)保的作用。

（6)亮度記憶。燈光亮度具有記憶功能。

（7)全開全關(guān)。輕松實(shí)現(xiàn)燈和電器的一鍵全關(guān)和所有燈的一鍵緊急全開功能。

此外，智能客廳還會(huì)根據(jù)顧客的需求來設(shè)計(jì)電動(dòng)窗簾、背景音響、智能安防等功能，整體具有極強(qiáng)的可塑性。

■4.2 燈泡、風(fēng)扇遠(yuǎn)程控制功能實(shí)現(xiàn)

通過檢測(cè)當(dāng)前云平臺(tái)數(shù)據(jù)的初始化狀態(tài)，來檢測(cè)LED燈的初始化狀態(tài)，用戶通過微信小程序界面的虛擬按鈕來控制燈泡等的開關(guān)。

先在控制臺(tái)創(chuàng)建名稱如主燈，初始化燈泡的狀態(tài)默認(rèn)為關(guān)的狀態(tài)，再將燈的狀態(tài)傳至MQTT 協(xié)議中，MQTT 協(xié)議可使用簡(jiǎn)單的0/1 交互，0 為關(guān)的狀態(tài)，1 為開的狀態(tài)，再將數(shù)據(jù)傳至云平臺(tái)，云平臺(tái)通過TCP 協(xié)議將數(shù)據(jù)下發(fā)給微信小程序，最終由微信小程序界面中的按鈕來控制燈的狀態(tài)，當(dāng)用戶將關(guān)的狀態(tài)撥到開的狀態(tài)時(shí)，微信小程序會(huì)先判斷是否連接到云平臺(tái)，至燈的數(shù)據(jù)上傳后，即刻執(zhí)行打開燈的命令，開燈；關(guān)閉燈泡時(shí)，將上傳0 字符，執(zhí)行關(guān)燈命令，滅燈。燈泡的遠(yuǎn)程控制流程如圖7 所示。

圖7 燈泡的遠(yuǎn)程控制流程圖

■4.3 溫濕度傳感器獲取數(shù)據(jù)功能實(shí)現(xiàn)

溫濕度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)上，云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與微信小程序的數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)上傳到微信小程序中顯示。在代碼中，用temp 函數(shù)接收從云平臺(tái)上獲取溫度的數(shù)據(jù)，當(dāng)打開微信小程序時(shí)，微信小程序通過Taro.request 函數(shù)連接云平臺(tái)，若連接成功則通過函數(shù)method:GET 查看云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)信息，并將溫度的數(shù)據(jù)賦值給temp，若連接失敗，則函數(shù)res 調(diào)用失敗，返回異常信息。默認(rèn)其接收數(shù)據(jù)時(shí)間為3s，當(dāng)時(shí)間達(dá)到默認(rèn)值后，將當(dāng)前在云平臺(tái)數(shù)據(jù)上傳至微信小程序。

■4.4 設(shè)備聯(lián)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)目前具有人體檢測(cè)功能，微信小程序通過云平臺(tái)獲取人體傳感器的數(shù)據(jù)，控制燈泡的開關(guān)。當(dāng)人體傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為1 時(shí)，云平臺(tái)會(huì)對(duì)燈泡發(fā)送1 字符，使燈泡打開。若人體傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為0 時(shí)，則云平臺(tái)會(huì)對(duì)燈泡發(fā)送0字符，使燈泡關(guān)閉。人體傳感器聯(lián)動(dòng)燈泡流程如圖8 所示。

圖8 人體傳感器聯(lián)動(dòng)燈泡流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

■5.1 單個(gè)設(shè)備測(cè)試

使用微信開發(fā)者工具進(jìn)行測(cè)試，調(diào)用新大陸物聯(lián)網(wǎng)的API，在微信小程序的調(diào)試器上獲取到單個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。如圖9 所示。

圖9 獲取云端數(shù)據(jù)圖

使用微信開發(fā)者工具進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)控制設(shè)備時(shí)，微信小程序的調(diào)試器上放回是否成功的信息。如圖10 所示。

圖10 操作數(shù)據(jù)返回圖

實(shí)物測(cè)試：當(dāng)小程序中的按鈕打開時(shí)，實(shí)物中的設(shè)備也會(huì)對(duì)應(yīng)打開。如圖11 所示。

圖11 控制燈光亮起

■5.2 聯(lián)動(dòng)測(cè)試

在獲取和控制單個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。將主燈、副燈和風(fēng)扇連接到回家、離家控件上。點(diǎn)擊回家可以打開主燈、副燈和風(fēng)扇。點(diǎn)擊離家可以關(guān)閉主燈、副燈和風(fēng)扇。測(cè)試兩個(gè)控件能否使用。

回家模式開啟時(shí)，微信小程序調(diào)試器會(huì)顯示來自云平臺(tái)放回的數(shù)據(jù)，以便檢查云平臺(tái)是否接受到數(shù)據(jù)，檢測(cè)設(shè)備是否開啟。如圖12 所示。

圖12 “回家”命令數(shù)據(jù)返回圖

離家模式開啟時(shí)，微信小程序調(diào)試器會(huì)顯示來自云平臺(tái)放回的數(shù)據(jù)，以便檢查云平臺(tái)是否接受到數(shù)據(jù)，檢測(cè)設(shè)備是否全部關(guān)閉。如圖13 所示。

圖13 離家命令數(shù)據(jù)返回圖

實(shí)物測(cè)試：當(dāng)點(diǎn)擊“回家”場(chǎng)景時(shí)，圖標(biāo)會(huì)進(jìn)行變化，現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備也會(huì)相應(yīng)的進(jìn)行打開。如圖14 所示。

圖14 聯(lián)動(dòng)控制設(shè)備

6 結(jié)語

本系統(tǒng)以新大陸教育的物聯(lián)網(wǎng)全棧智能應(yīng)用實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能客廳，通過新大陸云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和微信小程序?qū)崿F(xiàn)了智能家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，解決了用戶難以集中管理智能家居設(shè)備的問題，使用戶與家居設(shè)備能夠更便捷地交互。針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功耗高、維護(hù)成本高、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的弊端，以及App 更新迭代速度快、版本多等用戶痛點(diǎn)問題，設(shè)計(jì)通過微信小程序?qū)蛷d家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，后續(xù)可增加智能監(jiān)控模塊、門禁模塊等，增加智能客廳系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，提高系統(tǒng)的適用性。