基于微信和Arduino家用物联网系统开发

引 言

随着工业 4.0 的提出，各行各业开始尝试将物品与互联网相连，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。家庭物联网的出现很大程度上提升了家庭人居环境的安全性、方便性及宜居性。

目前市场上的家用物联网系统多数都基于乐联网、Yeelink 等平台进行二次开发。用特定终端硬件驱动各传感器采集数据并发送到平台提供的接口，可在网站上查看自己上传的数据。其开发虽然较为简单，但也存在诸多弊端。首先， 以上平台对手机移动端的支持并不友好，需要下载相应的 App 或登录相应的网站才能查看信息。其次，数据传输到第三方平台的数据库，必然存在数据泄露等安全隐患。

考虑到以上弊端，文中提出了基于微信和 Arduino 家用物联网系统，以WiDo（Arduino 集成了CC3000 WiFi 模块后的开发板）为控制板，结合微信公众号平台与阿里云中间服务器实现家庭远程监控系统。开源平台Arduino 智能终端具有可定制性、功能强、性价比高等诸多优点，为构建家用物联网系统奠定了良好的基础。微信平台开发方便，对移动端支持比较友好，用户操作方便。中间服务器用于存储数据和微信端开发，数据在自己的数据库中，不易泄露。该系统具有实现简便、可靠性高、实用性好、扩展性强等优点。

1 系统结构设计

本系统由感知层、网络层和应用层组成。

感知层由各传感器硬件、开关执行元件和 Wido（Arduino 集成了CC3000 WiFi 模块后的开发板）组成。主要负责使用传感器获取室内的各种信息（温湿度、烟雾、光线亮度）和通过Wido 数字接口写入高低电平来控制各电器开关元件的通断， 或使用模拟接口输出模拟电压达到控制室内家用电器的调幅等。以 LM35 温度模块为例，温度传感器电路将测量到的温度信号转换成电压信号输出到处理器的端口，处理器根据相应的算法对输入的电压信号进行采集、变送、运算后转化为温度数据，从而实现了对外界环境信息的感知采集。

网络层由路由器和Internet 以太网组成，提供一条数据通道供感知层采集到的数据信息上传到中间服务器并存贮在数据库中，供微信公众号用户随时查看；同时还要能将微信用户的指令下传到感知层执行。如用户可在微信端查看室内温度， 并直接在微信端下达开灯指令，Wido 接收指令并驱动开关元件执行开关指令。网络层是物联网系统的关键，是连接感知层和应用层的桥梁。它需要将感知层的信息传输到网络中，并给应用层提供一个良好的用户接口，采用无线路由器避免了冗长的接线，使感知层的硬件设备摆脱了特定地点的限制，实现了在WiFi 有效辐射范围内的硬件自由配置。

应用层是本系统的最高层，直接与用户连接，由中间服务器、数据库和微信公众平台组成。应用层需要接收网络层的信息，并将其存储在相应的数据库中，对数据库中的信息及时更新。同时根据用户请求，及时准确的将数据中的信息反馈给用户，并将用户指令存储在数据库中，发送到感知层执行。微信公众平台提供友好的用户接口和界面，使本系统不拘束于某个区域，只要用户的手机能够联网，便可以享受该家用物联网系统带来的便捷。

基于微信平台的物联网架构如图 1 所示。

2 硬件设计

本系统依据架构把硬件设计分成三部分，分别对应感知层、网络层、应用层，依次为节点设备、网络设备、服务端设备。

2.1 节点设备

节点设备端主要采用 WiDo，一块集成 Arduino Leonardo 主控芯片和 CC3000 WiFi 内核的 Arduino 开发板。相比于 WiFi拓展模块，WiDo 具有更轻便、更集成、更方便的特点， 且功耗比 WiFi 模块低，适合作为家用物联网长时间的连接节 点。因采用 WiFi 无线连接，所以对物联网节点选址更加方便。

在利用 Arduino 主控板的基础上，驱动各传感器模块采 集室内数据，如温度、湿度等。并由 Arduino 主控板将这些采 集的数据通过网络设备上传到网络。节点设备还包括 Arduino 主控板驱动的继电器等开关元件，执行来自用户的命令。

在实际模型中，采用的硬件有 WiDo 主控板、LM35 温度 传感器、发光二极灯和电磁继电器。其中，LM35 温度传感器 是各类传感器模块的代表，采集室内数据并上传。发光二极 管和电磁继电器是开关元件的代表，执行来自用户的开、关灯 指令以及家用高电压电器的开关控制。

2.2 网络设备

网络设备为系统的上下级提供一条数据通道，主要由路由器和网线组成。即感知层通过连接路由器接入互联网。所以网络设备的稳定是第一要义，而日常家庭生活的无线WiFi 网络环境即可满足要求。

在实际模型中， 为了操作演示方便， 直接用手机开启WiFi 热点作为网络设备。

2.3 服务端设备

服务端的主要作用是接收并存储来自节点的数据和向应用层用户提供的数据查询和指令下达等服务，并且能够与微信公众平台对接。在家庭物联网系统中，考虑到成本等问题，一般采用的服务端设备是租用的网络云服务器。用户级别的物联网系统一般采用最基本的网络云服务器 + 数据库即可满足要求。租用的服务器更加稳定，并且有人维护，降低了系统的开发难度，易于普及家庭物联网系统。

在实际模型中采用阿里云的云虚拟主机，其具有 1 G 空间+50 M MySQL 空间，完全能够满足物联网系统的要求，并为公众平台提供稳定、安全的服务。

3 软件设计

软件设计是家用物联网平台搭建的关键，软件设计是在 Internet 以太网基础上，构建一条稳定的数据通道，以供数据 实时、准确的传输。但此处涉及两个端的衔接问题，数据从感 知层发往应用层，指令从应用层传入感知层，意味着两个端 需要实时监听对方的数据。所以软件设计部分主要分为数据 通道构建，数据发送与获取，服务器端面向微信平台设计。

3.1 数据通道的构建

数据通道的构建涉及 WiDo 控制板客户端和服务器端。 两者都需要实时监听对方的数据。故采用 C/S 客户端 - 服务 器模式的网络架构。

由于服务器端一直处于网络环境中，所以服务器端的设计只需等待客户端数据发送或控制命令请求并给出回应即可。

WiDo 控制板端需要先连接路由器，确定连接以太网； 然后在每次需要发送数据或者获取指令时，先建立与目标服务器的连接，才能通过HTTP 协议把数据包发送出去，并接收目标服务器的应答信息。

3.1.1 WiDo客户端程序设计

Wido 连接流程图如图 2 所示。在确认连接到路由器并由DHCP（动态主机配置协议）协议获得 IP 地址后，控制板客户端（Client）即采用轮询（Polling）方式，由 CPU 定时向服务器发起请求，服务器收到请求后立即返回响应信息并关闭连接， 周而复始。

WiDo控制板核心代码由函数体 setup（）和 loop（）组成，值得注意的是，setup函数只在控制板电启动时执行一次，其作用在于完成控制板的串口波特率初始化，控制板初始化，使控制板以WPA2加密方式连接WiFi热点（AP），同时串口打印连接字符 Connected! 。随后检查等待路由器DHCP协议分配 IP 地址等功能。

Loop 函数在 Arduino 中会自动循环调用，确保 Arduino 控制板与目标服务器一直处于连接状态，并以轮询方式周期性的发送读取自传感器的数据及控制命令请求。如果 Arduino处于异常状态，则会自动重启进入 setup 然后再进入loop 函数， 即使Arduino 掉电异常，也能自动连接路由器继续工作。服务端存储流程图如图 3 所示。

3.1.2 服务器端程序设计

服务器端一直在等待数据POST（Arduino 通过HTTP 协议将数据包 POST 到服务器），当有数据响应时才有动作。先将数据存储到数据库中，然后将数据中存储的开关量取出， 以应答的形式发送给WiDo 控制板。

3.2 数据的发送与获取

上文已大概说明了数据的发送与获取过程。在 Arduino 控制板和目标服务器建立连接时，发送数据到目标服务器。服务器收到POST 的数据并把开关量命令以应答的形式回复过去。Arduino 接收应答的开关量，并依据代码控制相应端口的动作。数据发送与获取如图 4 所示。

3.3 服务端面向微信平台设计

 微信服务端的主要任务是处理用户发来的消息。当用户 请求数据时，将数据库中存储的传感器数据发送给用户；当用 户发送指令时，将用户指令存储在数据库中，等待下一次应答 返送给 Arduino。

图 5 所示为用户请求数据的概念图，图 6 所示为用户发 送指令的概念图。

4 实际测试

经实际测试，温度测量最大误差小于 +0.5 ℃，原因是传感器的非线性因素。但对家用物联网而言，可满足其实时性与准确性条件。微信端温度测量对比见表 1 所列。

微信端从发出命令到实际响应时间见表 2 所列。控制端命令自微信客户端发出后直至客户端执行机构响应，所用七组时间取平均值，约为 4 s，延迟原因在于网络信息的传输时延以及控制板的循环周期时延。执行机构稳定可响应。

5 结 语

本文采用开源 Arduino、阿里云虚拟服务器以及微信公众号平台，构建了可远程监控的家用物联网系统，实现对家庭环境的监控及其反向控制方案。使用WiFi 接入方式避免了控制器冗长的布线且突破了空间限制，同时微信公众号平台接入物联网系统，可实现对插排，灯等家电的智能简易控制。采用成熟的硬件平台，不仅稳定性高，成本低且易于部署推广。但目前系统采用的HTTP 协议自身存在一定安全漏洞，且本系统所采集的参数和所支持的智能设备均有待增加，因此未来我们还将继续努力，在后续研究中对其重点改进。