基于華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺的部分智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例3.1背景與需求分析3.2功能設(shè)計3.3系統(tǒng)實現(xiàn)3.4總結(jié)與展望目錄隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸強大和不斷發(fā)展，智能家居在日常生活中的應(yīng)用也日漸廣泛。作為物聯(lián)化的重要體現(xiàn)，智能家居系統(tǒng)通過各種網(wǎng)絡(luò)方式的交互和控制，將家中的一系列設(shè)備聯(lián)系在一起，使用戶能夠通過終端輕易地對家中的各類環(huán)境因素或各種設(shè)備的工作狀態(tài)進行實時的監(jiān)視、探測或控制。這種科技性與人性化的結(jié)合，適應(yīng)了現(xiàn)代社會發(fā)展的需要，為人們的生活和工作創(chuàng)造了舒適的體驗，提供了很大的便利。智能門禁作為智能家居系統(tǒng)中非常重要的幾個部分之一，對人們居住環(huán)境的安全性和出入的便利性有著重要意義。而智能燈控對于智能家居系統(tǒng)來說，更是不可或缺的一個部分。本案例將不僅實現(xiàn)單獨的門禁系統(tǒng)與燈控系統(tǒng)，也將兩者通過云端進行互聯(lián)，使得用戶在開門后可以繼續(xù)享受燈控系統(tǒng)的服務(wù)。通過不同系統(tǒng)的交叉控制，人們不僅可以享受單獨的服務(wù)體驗，也可以感受到更加人性化的服務(wù)，這是創(chuàng)造生活方式多樣性與便利性的重要體現(xiàn)。3.1.1案例背景傳統(tǒng)門禁一般僅僅采用鑰匙來解鎖，當(dāng)鑰匙遺失時，如何開門就會變成一個很大的問題，同時，傳統(tǒng)門禁缺乏對門鎖狀態(tài)的監(jiān)控，安全程度較低，常常會發(fā)生門被撬導(dǎo)致家中失竊等不安全事件。而基于物聯(lián)網(wǎng)的智能門禁系統(tǒng)則可以解決這個問題。通過手機微信登錄小程序之后，用戶即可用程序?qū)﹂T鎖的開關(guān)進行控制，即便自身手機遺失，也可通過同伴的手機進行登錄控制。同時，由于可以進行遠程解鎖，也可讓家人遠程幫我們解鎖或者我們遠程幫家人解鎖。此外，由于可以實時監(jiān)測門鎖的狀態(tài)，門禁的安全性將大大提高，一旦發(fā)現(xiàn)有非法開門等情況發(fā)生，即可快速采取報警的措施，以減小損失。因此，智能門禁對傳統(tǒng)門禁的替代可以說是趨勢所在。3.1.2需求分析而對于燈光，現(xiàn)階段人們在家里進行的活動越來越多樣，不同的生活場景對燈光效果，尤其是亮度等有著不同的要求，傳統(tǒng)裝修方案中單一的燈光布局已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代家庭生活的需求。當(dāng)然，也有一些新興的裝修策略來滿足這一需求，如在客廳四周安裝多個射燈，以燈陣來滿足照明需求，或者在臥室弱化頂燈，強化床頭閱讀燈的布局設(shè)計等。這些雖然在一定程度上滿足了用戶根據(jù)生活場景不同來選擇不同的照明效果的需求，但是裝修初期布線吊頂較為復(fù)雜，且需要多個開關(guān)單獨控制才能滿足這種需求。因此，智能燈光系統(tǒng)的運用可謂勢在必行。所有燈光的控制用手機集中完成，并且小程序內(nèi)自帶的燈光數(shù)據(jù)分析與推薦模式，可以自動為用戶匹配個性化的燈光照明方案，從而免去調(diào)節(jié)燈光的麻煩。在進行家居裝修時，只需留有集成控制面板而不需要大量開關(guān)，就可以在為人們的生活帶來便利的同時，也用科技提升了人們的生活質(zhì)量。3.1.2需求分析本案例是一個針對家居生活智能化及網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)化的設(shè)計方案，方案針對的群體是現(xiàn)代化社會中追求高品質(zhì)、人性化、個性化生活的家庭，希望能夠通過向運營者推廣我們的方案來支持案例的開發(fā)與運營。本案例以物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，以華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為技術(shù)骨架，以期通過對于傳統(tǒng)門禁和燈光系統(tǒng)的物聯(lián)化改造，在實現(xiàn)智能門禁和智能燈控的同時做到兩者的互聯(lián)。門禁系統(tǒng)采用手機控制，安全性由手機的安全性來保證；燈控系統(tǒng)可以實現(xiàn)燈光亮滅、亮度、色溫等調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同場景的需要。同時門禁和燈控系統(tǒng)的互聯(lián)可以做到用戶開門后，燈光自動調(diào)節(jié)到用戶習(xí)慣使用的效果。本案例基于智能家居設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)建一個移動客戶端，讓用戶可以通過手機實現(xiàn)一體化控制，也可以通過網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控家居情況和操控家居設(shè)備。本案例的目標(biāo)成果展現(xiàn)形式是改造后的門禁和燈光設(shè)備，以及后臺運營平臺和移動客戶端實例，基本功能包括用戶的智能解門禁，燈光調(diào)控和門禁、燈光互聯(lián)等。3.1.3案例內(nèi)容本案例的開發(fā)工具包括：微信Web開發(fā)者工具、PyCharm、華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺。本案例的運行環(huán)境：Windows10，64-bit。3.1.4軟件開發(fā)環(huán)境本案例中涉及以下專業(yè)名詞的縮略語。3.1.5名詞解釋1324

NB-IoT：NarrowBandInternetofThings窄帶物聯(lián)網(wǎng)。API：ApplicationProgrammingInterface應(yīng)用程序編程接口。RFID：RadioFrequencyIdentification無線射頻識別技術(shù)。IoT：InternetofThings物聯(lián)網(wǎng)。3.2.1系統(tǒng)架構(gòu)NB-IoT正在全球飛速發(fā)展，華為作為行業(yè)領(lǐng)先者，率先發(fā)布了商用芯片和網(wǎng)絡(luò)版本，并已經(jīng)在全球建成了超過30萬張NB-IoT的商用網(wǎng)絡(luò)，擁有比較成熟的技術(shù)，因此，我們選擇采用華為“1+2+1”的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，南向設(shè)備為以單片機為核心的智能門鎖、智能燈光及NB-IoT模組組成的系統(tǒng)，北向應(yīng)用為當(dāng)前比較流行的微信小程序，并通過華為云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)南北向數(shù)據(jù)互通互聯(lián)，以實現(xiàn)整個智能家居中的智能門鎖與燈光的功能。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高的設(shè)備的高效連接。據(jù)估測NB-IoT設(shè)備電池壽命可以提高至少10年，同時NB-IoT還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。解決方案01OPTION3.2.1系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)02OPTION本案例采用華為的“1+2+1”物聯(lián)網(wǎng)解決方案，如圖3-1所示。南向設(shè)備由單片機加上電磁門鎖、程控陣列燈光、溫度傳感器及濕度傳感器，加上NB-IoT模組構(gòu)成。其中，電磁門鎖、程控陣列燈光的狀態(tài)實時受到單片機的檢測與控制，溫、濕度傳感器可以監(jiān)測當(dāng)前房屋內(nèi)的溫、濕度情況。而NB-IoT模組則用于與基站連接，從而向華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺上報數(shù)據(jù)，或者接收平臺下發(fā)的命令。北向應(yīng)用使用微信Web開發(fā)者工具實現(xiàn)小程序的開發(fā)，結(jié)合騰訊云平臺進行開發(fā)者服務(wù)器和環(huán)境依賴部署，申請新浪云服務(wù)器作為華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺調(diào)用的代理服務(wù)器。而華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺則充當(dāng)中間連接的作用，將南向設(shè)備上報的數(shù)據(jù)儲存起來，并為北向應(yīng)用提供API來調(diào)用和使用；同時將北向應(yīng)用下發(fā)的命令儲存起來，然后適時地發(fā)送給南向設(shè)備。圖3-1華為“1+2+1”物聯(lián)網(wǎng)解決方案3.2.2硬件架構(gòu)（南向）2.BC95模組BC95模組是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊。其尺寸僅為23.6mm×19.9mm×2.2mm，能最大限度地滿足終端設(shè)備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，有效幫助客戶減小產(chǎn)品尺寸，并降低產(chǎn)品成本。BC95模組在設(shè)計上兼容移遠通信GSM/GPRS系列的M35模塊，方便客戶快速、靈活地進行產(chǎn)品設(shè)計和升級。

1.NB476開發(fā)板本案例選用了NB476開發(fā)板作為核心硬件。NB476開發(fā)板是基于ST（意法半導(dǎo)體）低功耗系列STM32L476RGT6微控制器、物聯(lián)網(wǎng)模塊NB-IoT、華為LiteOS操作系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)板，包含多種傳感器等外設(shè)資源。3.2.2硬件架構(gòu)（南向）電磁門鎖03OPTION本案例使用電磁門鎖來控制門的開啟與關(guān)閉。通過給電磁門鎖提供12V的直流電讓裝置內(nèi)的繼電器工作，實現(xiàn)門的開閉，從而實現(xiàn)門禁功能。電磁門鎖如圖3-2所示。DC-DC升壓模塊04OPTION我們擬用單片機IO口的輸出來控制鎖的開關(guān)，但單片機IO口輸出電壓只有3V，因此我們使用DC-DC升壓模塊，如圖3-3所示，將單片機3V輸出電壓轉(zhuǎn)換至12V，用以控制上述電磁門鎖的通斷。圖3-3DC-DC升壓模塊圖3-2電磁門鎖3.2.2硬件架構(gòu)（南向）WS2812B彩燈模塊05OPTION我們使用WS2812B彩燈模塊來模擬一個可以改變色調(diào)與亮度的吊燈。WS2812B彩燈模塊是一個集控制電路與發(fā)光電路于一體的智能外控LED光源，如圖3-4所示。其結(jié)構(gòu)與5050LED燈珠相同，每個元件即為一個像素點。像素點內(nèi)部包含了智能數(shù)字接口數(shù)據(jù)鎖存信號整形放大驅(qū)動電路，還包含高精度的內(nèi)部振蕩器和12V高壓可編程控制電流模塊，有效保證了像素點光的顏色高度一致。圖3-4WS2812B彩燈模塊3.2.3管理平臺（華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺）Profile文件01OPTION開發(fā)者使用華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺集成設(shè)備時，需要準(zhǔn)備此設(shè)備的能力描述文件，即設(shè)備的Profile文件。設(shè)備的Profile文件是用來描述一款設(shè)備“是什么”“能做什么”及“應(yīng)該如何控制”的文件。該文件會被上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺。對設(shè)備類型、服務(wù)類型、服務(wù)標(biāo)識，我們要采用首字母大寫的命名法，如MultiSensor、Switch；參數(shù)使用首字母小寫、其余單詞首字母大寫的駝峰式命名法。Profile文件打包結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5Profile文件打包結(jié)構(gòu)3.2.3管理平臺（華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺）編解碼插件02OPTION編解碼插件用來將上報數(shù)據(jù)（16進制數(shù)據(jù)）解碼為json格式供服務(wù)器（Appserver）“閱讀”，將下行命令（json格式）編碼為16進制格式供南向設(shè)備（UE）“理解執(zhí)行”。華為的編解碼插件的整體方案如圖3-6所示。通過上報編碼、下發(fā)解碼的運算操作進行數(shù)據(jù)傳輸。圖3-6華為的編解碼插件整體方案3.2.3管理平臺（華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺）如圖3-7所示，（a）為編解碼插件的上行消息處理流程，（b）為編解碼插件的下行消息處理流程。圖3-7編解碼插件的上下行消息處理流程（續(xù)）（a）上行消息處理流程（b）下行消息處理流程3.2.4移動客戶端（北向）為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)“輕量型”的目的，北向應(yīng)用選擇微信小程序而不是普通的移動端App，這樣既可以避免用戶在手機上下載過多應(yīng)用，又可以實現(xiàn)與華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺的通信；同時，微信小程序自身封裝了很多API和SDK接口，在滿足開發(fā)便捷性的同時，又能夠進行規(guī)范、完整的信息傳遞。微信小程序到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的數(shù)據(jù)傳遞如圖3-8所示。微信小程序新浪云服務(wù)器華為OC平臺圖3-8微信小程序到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的數(shù)據(jù)傳遞3.2.4移動客戶端（北向）在數(shù)據(jù)傳輸過程中，各平臺和服務(wù)器主要涉及的工作如下。（1）微信小程序北向應(yīng)用，是用戶主要操作界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取和命令下發(fā)。（2）開發(fā)者服務(wù)器存儲用戶信息。（3）新浪云服務(wù)器代理服務(wù)器，是非備案域名與備案域名、HTTPS與HTTP協(xié)議間的橋梁，是前端與后端間的橋梁，實現(xiàn)Python文件調(diào)用。3.3.1感知層（LiteOS）LiteOS操作系統(tǒng)01OPTIONLiteOS是華為面向物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域構(gòu)建的“統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)和中間件”的軟件平臺，是以輕量級（內(nèi)核小于10KB）、低功耗（1節(jié)5號電池最多可以工作5年）、快速啟動、互聯(lián)互通、安全等關(guān)鍵能力，為開發(fā)者提供“一站式”服務(wù)的完整軟件平臺。LiteOS能有效降低開發(fā)門檻，縮短開發(fā)周期。LiteOS目前主要應(yīng)用于智能家居、可穿戴式設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)、智能抄表、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的智能硬件上。LiteOS操作系統(tǒng)基礎(chǔ)內(nèi)核框圖如圖3-9所示。圖3-9LiteOS操作系統(tǒng)基礎(chǔ)內(nèi)核框圖3.3.1感知層（LiteOS）功能實現(xiàn)02OPTION（1）溫濕度檢測。利用NB476板載的溫濕度傳感器DHT11，我們可以實現(xiàn)當(dāng)前環(huán)境下溫濕度的檢測。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，使用單線制串行接口進行通信。通過單片機的GPIO口進行通信模擬，可實現(xiàn)MCU和DHT11之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而得到當(dāng)前環(huán)境下的溫濕度數(shù)據(jù)。圖3-10為DHT11與單片機的接線圖。圖3-10DHT11與單片機的接線圖3.3.1感知層（LiteOS）（2）電磁門鎖通斷切換。首先配置單片機的GPIO口。我們使用某一個數(shù)字端口，通過邏輯程序控制引腳輸出0V或3V的高低電平。然后通過升壓模塊，將高電平提升至12V，從而控制門鎖的通斷，如圖3-11所示。圖3-10DHT11與單片機的接線圖（3）彩燈色調(diào)與亮度改變。WS2812B彩燈模塊采用單線歸零碼進行通信，相同周期、不同時間的高低電平分別表示為“1”和“0”，如圖3-12所示。3-12WS2812B采用的單線歸零碼通信方式3.3.1感知層（LiteOS）通過設(shè)置并發(fā)送不同的串行數(shù)據(jù)給WS2812B彩燈模塊，我們可以利用單片機實現(xiàn)對彩燈模塊的色調(diào)和亮度的控制。彩燈色調(diào)與亮度展示圖如圖3-13所示，左、右圖分別為中亮度紅色和白色的彩燈樣式。圖3-13彩燈色調(diào)與亮度展示圖3.3.1感知層（LiteOS）開發(fā)板程序模塊03OPTION本案例硬件開發(fā)代碼主要有以下幾個部分。040103UART1串口函數(shù)。NB-IoT通信函數(shù)。門鎖與燈光控制函數(shù)。02DTH11溫濕度采集函數(shù)。3.3.2控制層（華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺）Profile文件開發(fā)01OPTION華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺為用戶提供了圖形化操作編寫Profile文件的服務(wù)，使得整個煩瑣的開發(fā)過程變得非常簡單明了。圖3-14所示為華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺上的在線Profile開發(fā)，也是本案例在華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺上定義的Profile格式。圖3-14華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺上的在線Profile開發(fā)3.3.2控制層（華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺）編解碼插件開發(fā)02OPTION同樣地，華為為了簡化開發(fā)編解碼插件的煩瑣過程，為開發(fā)者提供了圖形化操作流程。圖3-15所示為華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺上的編解碼插件開發(fā)展示圖。圖3-15華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺上的編解碼插件開發(fā)3.3.2控制層（華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺）Profile文件與編解碼插件測試03OPTION在華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺上完成Profile文件與編解碼插件的開發(fā)工作之后，即可對其進行測試。首先需要在華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺上注冊設(shè)備。選用剛定義好的Profile文件，并填入設(shè)備名稱與設(shè)備唯一標(biāo)識號，即可完成設(shè)備注冊。如圖3-16所示，剛注冊好的設(shè)備還處于離線狀態(tài)，需要我們將南向設(shè)備與其綁定方可激活。激活后的設(shè)備如圖3-17所示。圖3-16華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺上剛注冊好的設(shè)備圖3-17激活后的設(shè)備3.3.2控制層（華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺）通過串口工具，用NB-IoT模組向平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，可以看到，在該設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)了我們上報的數(shù)據(jù)，如圖3-18所示。同時，使用平臺中的命令下發(fā)功能，分別下發(fā)我們在Profile文件中定義的兩個命令，如圖3-19所示，此時命令處于等待下發(fā)狀態(tài)，而并沒有馬上下發(fā)。這是由于NB-IoT設(shè)備為了節(jié)省功耗，一般情況下都處于休眠狀態(tài)，因此平臺只有在NB-IoT設(shè)備上報數(shù)據(jù)時，才真正將命令下發(fā)至南向設(shè)備。圖3-18上報數(shù)據(jù)解碼后的顯示圖3-19上報數(shù)據(jù)前下發(fā)命令的顯示3.3.2控制層（華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺）如圖3-20所示，在上報數(shù)據(jù)之后，命令的狀態(tài)變成了“已送達”。經(jīng)過測試可以看到，Profile文件與編解碼插件已經(jīng)可以正常使用，既可以接收南向設(shè)備上報的數(shù)據(jù)，供北向應(yīng)用調(diào)用，也可以接收北向應(yīng)用下發(fā)的命令，并將其下發(fā)至南向設(shè)備中。圖3-20上報數(shù)據(jù)后下發(fā)命令的顯示3.3.3軟件開發(fā)技術(shù)（北向）微信小程序開發(fā)01OPTION小程序代碼結(jié)構(gòu)如圖3-21所示。由上述代碼結(jié)構(gòu)可知，小程序的代碼主要包括：客戶端client，服務(wù)器端server和相應(yīng)的配置文件。其中，客戶端pages文件夾內(nèi)主要定義了小程序兩個主要工作界面的信息；promise文件夾為引入的第三方庫；utils文件夾內(nèi)定義了util.js文件，包含部分全局變量；vendor文件夾內(nèi)包含小程序事先封裝好的SDK。服務(wù)器端controllers文件夾內(nèi)包含開發(fā)者服務(wù)器的路由和存儲數(shù)據(jù)，middlewares文件夾內(nèi)定義了KOA方法，routes文件夾內(nèi)包含路由器信息index.js，tools文件夾內(nèi)包含基于Knex的數(shù)據(jù)庫接口。圖3-21小程序代碼結(jié)構(gòu)3.3.3軟件開發(fā)技術(shù)（北向）服務(wù)器端開發(fā)02OPTION（1）開發(fā)者服務(wù)器。（2）新浪云服務(wù)器。開發(fā)者服務(wù)器主要進行的是數(shù)據(jù)的讀取和上報，主要涉及的方法為GET和PUT，基于小程序自身快速添加CGI的代碼介紹對服務(wù)器進行本地編寫即可完成。開發(fā)者服務(wù)器的域名可以自行申請設(shè)置。由于小程序?qū)Πl(fā)出HTTPS請求的域名有備案要求，所以我們在實現(xiàn)的過程中申請了新浪云服務(wù)器作為代理服務(wù)器，新浪云服務(wù)器申請到的域名為二級域名，其一級域名均已備案，所以能夠?qū)π〕绦虻恼埱笞龀鲰憫?yīng)。新浪云中部署的代碼基于php5.6環(huán)境，主要涉及的方法為GET。新浪云服務(wù)器可以自行申請設(shè)置。（3）新浪云服務(wù)器后端代碼。后端代碼由Python實現(xiàn)，在與華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)交互中所涉及的鑒權(quán)、數(shù)據(jù)獲取和命令下發(fā)均基于此來實現(xiàn)，主要涉及的方法為GET和POST。3.3.3軟件開發(fā)技術(shù)（北向）北向應(yīng)用技術(shù)難點03OPTION（1）wx.request()不支持同步。小程序為了避免代碼運行過程中的阻塞問題，在wx.request()函數(shù)中取消了同步變量的設(shè)置，同時在1.3.0版本之后取消了內(nèi)部封裝的Promise方法，所以需要自己引入Promise庫來將request函數(shù)得到的結(jié)果返回到已經(jīng)定義的用于接收的變量中。（2）騰訊提供的Demo版本不一致。騰訊雖然提供了詳細的Demo（示例）和SDK給開發(fā)人員下載，但是其在GitHub中上傳的代碼示例會出現(xiàn)因index接口過期而無法正常登錄的問題，需要在注冊騰訊云賬號之后，基于空文件建立Node.js騰訊云啟動模板，才能使客戶端和服務(wù)器端代碼