一種基于微信平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)

引 言

智能家居即普通住宅通過布線將住宅里的電器、安防報(bào)警設(shè)備連接到控制器和網(wǎng)絡(luò)上，用戶通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)住宅進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理并監(jiān)視住宅情況，使住宅環(huán)境保持舒適協(xié)調(diào)，為屋主提供一個(gè)適合生活、學(xué)習(xí)及工作的智能家居環(huán)境[1-3]。智能家居的概念符合當(dāng)下人們對(duì)住宅環(huán)境的高要求，但由于目前智能家居技術(shù)還處于發(fā)展階段，各方面技術(shù)還不完善導(dǎo)致智能家居的性價(jià)比較低，市面上的智能家居產(chǎn)品也五花八門，使智能家居難以得到廣泛應(yīng)用[4，5]。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)性價(jià)比較高的智能家居控制系統(tǒng)， 其低廉的價(jià)格更容易為普通家庭所接受，由于系統(tǒng)的開源性， 用戶也可以對(duì)該系統(tǒng)自定義設(shè)置，添加自己需要的設(shè)備。市面上有不少基于App 平臺(tái)的智能家居產(chǎn)品，但 App 面對(duì)不同的設(shè)備和系統(tǒng)時(shí)需考慮兼容問題，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。本設(shè)計(jì)用微信公眾平臺(tái)作為控制終端，雖然操作界面不比 App，但由于大多數(shù)智能手機(jī)均可安裝微信客戶端，所以不用考慮兼容性問題， 大大縮短了開發(fā)周期，也為用戶的使用提供了方便。

1 基于微信的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本智能家居系統(tǒng)包括手機(jī)微信子系統(tǒng)、服務(wù)器和安卓單片機(jī)子系統(tǒng)三部分。在該設(shè)計(jì)中用戶只需通過訂閱指定的微信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)住宅燈光的控制和對(duì)室內(nèi)環(huán)境的查詢。本系統(tǒng)選用的處理器為Arduino UNO 硬件平臺(tái)， 開發(fā)了遠(yuǎn)程開/ 關(guān)LED 燈和溫濕度查詢功能。本系統(tǒng)微信的開發(fā)使用了PHP+MySQL 組合，并在 Arduino IDE 的開發(fā)環(huán)境下編寫了Arduino 程序。

1.1  硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要完成以下兩個(gè)任務(wù)：

(1) 采集環(huán)境的溫濕度并將溫濕度數(shù)據(jù)上傳；

(2) 獲取服務(wù)器傳來的開關(guān)燈指令從而控制 LED燈的開閉。本設(shè)計(jì)的控制終端選用ArduinoUNO作為主控制器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器作為溫濕度采集器，其他包括Arduino EthernetShield以太網(wǎng)卡與LED燈、電阻和其它連線。系統(tǒng)的連接示意圖如圖 1所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)所完成的任務(wù)，本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要涉及搭建服務(wù)器、設(shè)計(jì)微信公眾號(hào)平臺(tái)和編寫Arduino 單片機(jī)端的通信程序。

1.2.1 服務(wù)器的搭建

使用微信公眾平臺(tái)的開發(fā)者模式需要服務(wù)器的支持，開發(fā)者需首先搭建好公網(wǎng)服務(wù)器，這里選擇百度開放云BAE。打開 https://login.bce.baidu.com 網(wǎng)站，用百度賬號(hào)登錄，實(shí)名認(rèn)證后便可以使用。打開 應(yīng)用引擎基礎(chǔ)版 添加部署，填寫好相應(yīng)配置之后點(diǎn)擊 下一步 完成部署。

本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易智能家居系統(tǒng)需要傳輸溫度、濕度和開關(guān)狀態(tài)這三類數(shù)據(jù)。微信或者Arduino 單片機(jī)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)庫，另一端再通過網(wǎng)絡(luò)下載相應(yīng)的數(shù)據(jù)。將溫濕度和燈光狀態(tài)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫上，首先對(duì)MySQL 數(shù)據(jù)庫初始化，在 添加部署 完成后， 擴(kuò)展服務(wù) 里就會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)MySQL 數(shù)據(jù)庫，名稱、用戶名和密碼均已設(shè)置，不可修改。通過phpMyAdmin 圖形化管理工具打開MySQL，新建三個(gè)字段數(shù)為 3 的數(shù)據(jù)表名稱，分別為switch、humdsensor 和tempsensor，除 數(shù)據(jù)表名 不同，其他參數(shù)都一樣。設(shè)置完成后在各數(shù)據(jù)表中插入一條 ID 為1 的記錄，data 或state 的值不為空即可。至此，數(shù)據(jù)庫初始化完成。

此外，服務(wù)器端需要完成兩個(gè)方面的代碼設(shè)計(jì)，一方面連接微信，另一方面連接Arduino 單片機(jī)，均用PHP 編寫。

連接微信的代碼可以參考微信官網(wǎng)提供的示例代碼。連接微信的代碼設(shè)計(jì)如下：

(1) 判斷是否為第一次接入，若是，則進(jìn)行驗(yàn)證，否則無需驗(yàn)證。

(2) 判斷接收的消息類型，若為 subscribe類型，則向用戶回復(fù)消息，即在用戶關(guān)注公眾號(hào)時(shí)回復(fù)消息。

(3) 用 switc（h）結(jié)構(gòu)判斷接收的文本消息的內(nèi)容。若為 開燈 ，則更新 MySQL數(shù)據(jù)庫switch表單里ID為1的記錄時(shí)間， 將該記錄 state的值更新為 1，并向用戶回復(fù)開燈完成的提示； 若為 關(guān)燈 ，則更新 MySQL數(shù)據(jù)庫switch表單里ID為1的記錄時(shí)間，將該記錄 state的值更新為 0，并向用戶回復(fù)關(guān)燈完成的提示；若為 溫度 ，則從MySQL數(shù)據(jù)庫 tempsensor 表單里ID為1的記錄中獲取data的值，并將該值回復(fù)給用戶； 若為 濕度 ，則從MySQL數(shù)據(jù)庫 humdsensor表單里ID為1的記錄中獲取data的值，并將該值回復(fù)給用戶；若不是上述四種情況，則向用戶回復(fù) 不支持該指令 。

Arduino單片機(jī)作為HTTP客戶端，通過GET方式向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求，服務(wù)器端連接Arduino單片機(jī)的代碼用GET的方式獲取溫濕度，并向Arduino返回?zé)舻拈_關(guān)狀態(tài)。連接Arduino的代碼設(shè)計(jì)如下[6] ：

(1) 判斷通過GET方式獲取的數(shù)據(jù)humddata和tempdata 是否為空且token 是否為Arduino，若不是， 則輸出Error ；若是，則連接MySQL數(shù)據(jù)庫，獲取switch 表單里ID為1的記錄的state值并輸出。

(2) 將通過GET方式獲得的數(shù)據(jù)humddata和tempdata 分別更新到MySQL數(shù)據(jù)庫的表單humdsensor 和tempsensorID為1的記錄的data中。

1.2.2 微信公眾平臺(tái)的搭建

打開 https://mp.weixin.qq.com注冊(cè)成為微信公眾平臺(tái)用戶后，啟用開發(fā)者模式。開發(fā)者模式的使用需要服務(wù)器的支持， 用戶需要建好服務(wù)器。搭建好服務(wù)器環(huán)境之后開發(fā)者需要按如下步驟進(jìn)入微信公眾平臺(tái)開發(fā)：

(1) 填寫服務(wù)器配置。登錄微信公眾平臺(tái)官網(wǎng)后，啟用開發(fā)者模式，點(diǎn)擊 修改配置 選項(xiàng)，填寫開發(fā)者申請(qǐng)的服務(wù)器域名、Token和 EncodingAESKey。其中URL用于開發(fā)者申請(qǐng)的服務(wù)器與微信服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。Token由開發(fā)者自行設(shè)置，須與服務(wù)器腳本代碼里定義的 Token相同，用于微信公眾號(hào)的驗(yàn)證接入。EncodingAESKey隨機(jī)生成，可用于消息加密。

(2) 驗(yàn)證消息來自微信服務(wù)器。開發(fā)者提交配置后，微信服務(wù)器向用戶填寫公網(wǎng)服務(wù)器地址發(fā)送GET請(qǐng)求。開發(fā)者通過檢驗(yàn) signature對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行校驗(yàn)。

(3) 依據(jù)接口文檔實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯。驗(yàn)證服務(wù)器域名成功后即可完成接入。

1.2.3 Arduino單片機(jī)端程序設(shè)計(jì)

Arduino 單片機(jī)端要完成上傳溫濕度和下載燈光狀態(tài)的工作。單片機(jī)與服務(wù)器的連接通過HTTP 協(xié)議，作為HTTP 客戶端的單片機(jī)用GET 的方式訪問服務(wù)器并上傳溫濕度表單，服務(wù)器返回?zé)艄鉅顟B(tài)，單片機(jī)根據(jù)獲得的燈光狀態(tài)對(duì)燈光進(jìn)行控制。燈光控制流程圖如圖 2 所示，上傳溫濕度流程圖如圖 3 所示。

2 系統(tǒng)測(cè)試

用手機(jī)關(guān)注微信公眾號(hào)，通過發(fā)送相關(guān)指令觀察微信公眾號(hào)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。向微信公眾號(hào)發(fā)送 開燈 關(guān)燈 溫度 濕度 和其他消息，按照預(yù)期，公眾號(hào)能夠自動(dòng)回復(fù) 已經(jīng)為您打開?。? 已經(jīng)為您關(guān)閉?。? 您所查詢房間的溫度為數(shù)據(jù)庫 tempsensor表單 ℃。 您所查詢房間的濕度為 數(shù)據(jù)庫 humdsensor表單 %RH。和 暫不支持該指令。請(qǐng)輸入開燈 關(guān)燈 控制燈光或者輸入 溫度 濕度 查詢房間實(shí)時(shí)溫濕度。，表明系統(tǒng)能夠正常工作。微信操作界面如圖 4所示。電路實(shí)物連接圖如圖 5 所示。連接好電路之后上傳程序代碼， 程序啟動(dòng)后即可正?？刂葡到y(tǒng)。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款基于微信公眾平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)。其中包括微信公眾平臺(tái)開發(fā)技術(shù)、PHP、MySQL 數(shù)據(jù)庫、Arduino 程序設(shè)計(jì)和HTTP 協(xié)議，也包括網(wǎng)絡(luò)端和Arduino 單片機(jī)端的軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種遠(yuǎn)程控制燈光開關(guān)和查詢環(huán)境溫濕度的智能家居系統(tǒng)。