基于4G的云端智能物联应用系统设计

梁顺可 牙举辉 徐奕森 黄志明

（1.广州城市理工学院 机械工程学院，广州 510800；2.广州城市理工学院 机器人工程学院，广州 510800）

1 系统整体设计思路

系统整体结构图如图1所示。它以中央协调器为控制中心，结合多个子终端和云端服务，实现终端数据上传云端。同时，在小程序端获取控制指令并下发至各个终端，实现远程物联系统。以终端数据上传云端为例，说明数据的流向。终端ZigBee模块通过传感器采集数据后，会在其内部进行相关的逻辑处理，之后会采用ZigBee协议无线传输给中央协调器上的ZigBee模块。它收到数据后会通过串口转发至STM32F405RGT6进行处理，完成后将数据通过物联网（Internet of Things，IoT）模块上传至云端。小程序从云端服务器的数据库中可以读取到相应的数据，随后在小程序上更新显示。它的中央协调器和云端交互采用的物联网模块是型号为EC20CEHCLG MINIPCIE-C的4G模块或者型号为ESP8266的Wi-Fi模块，两者通过消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议实现数据交互[1]。中央协调器和各个终端之间采用ZigBee协议实现数据的交互，其中终端可以灵活添加不同的类型。本文采用气体检测终端、灯光控制终端以及宠物管理终端为例进行设计分析。

图1 基于4G的云端智能物联应用系统的整体结构

2 系统硬件设计

2.1 中央协调器硬件设计

中央协调器模块整体如图2所示，主要包含ESP8266模 块、EC20CEHLG模 块、STM32F405RGT6、ZigBee模块、供电模块以及外围电路模块。其中，ESP8266模块、EC20CEHLG模块以及ZigBee模块都是通过通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）和STM32F405RGT6连接，给这些模块提供工作电压和SSS电流，同时保障协调器正常工作的必要外围电路模块[2]。

图2 中央协调器硬件电路整体结构

协调器在电路设计上，信号交互的模块之间引脚连接的对应关系如表1所示[4]。按这个关系连接每个模块，就可以完成数据的物理交互基础。

表1 主控芯片与主要模块引脚对应关系

其中，协调器的供电部分是设计重点。图3是设计的供电流程图，采用12 V外部输入电源，通过型号为MIC29302的DC-DC芯片，提供3.8 V/3 A的供电环境给EC20CEHLG模块，同时通过XL2596 S-5.0E1的DC-DC芯片提供5 V/3 A的供电给后级电路。最后，通过示波器测量得到本供电结构的设计可行性。测量中，的为XL2596S-5.0E1提供的5 V电压部分为14.2 mV，纹波最大。实际测量结果如图4所示。

图4 示波器测量纹波结果

图2-23 系统供电流程图

2.2 终端硬件设计

终端类型较多，但是所有终端的电路设计都是在相同的架构上完成的，如图5所示。终端电路包含的主要模块有供电模块、ZigBee模块、传感器模块和相应的执行器[5]。以灯光控制器为例分析，灯光控制器供电电压是220 V交流电（Alternating Current，AC），此时需要使用供电模块将其转化为3.3 V电源给ZigBee模块提供工作电源。传感器模块是使用光传感器实时采集环境的光亮度。执行器是控制灯具电路通断的双向可控硅。

图5 终端电路设计架构

3 系统程序设计

协调器的程序设计思路如图6所示。开始时，先通知指令控制通信模块连接到EMQ服务器。连接成功后，完成主题的订阅和发布，获取到服务器存储的初始数据，通过STM32F405进行数据解析，最后重新打包处理对应终端的数据，并按规则发送到指定终端，完成终端数据的更新。此时，判断是否有小程序数据的更新。如果有，重复以上步骤完成数据下发；如果没有，小程序数据的更新会判断是否有终端数据上传。若有数据上传，则转化到STM32F405解析后上传云端实现数据同步。经过测试可知，设计的程序运行可靠。

图6 程序整体逻辑关系

ZigBee模块通过传感器采集数据后按指定的协议格式打包处理，通过无线模式中的点播发送至协调器。如果终端收到数据，会在模块上处理，并驱动相应的执行器进行工作。

4 结语

本文从电路设计和程序设计两方面介绍设计的细节，开展了长时间、多环境的实际运行测试，证明该设计方案可以达到预期目标和使用效果。结果表明，该方案能解决智能物联系统成本与使用门槛的问题，同时实现了系统化实现智能家居的产品开发，弥补了目前智能家居单一模式的产品设计与方案，可为更多的智能家居设计提供参考方案。与市面上的部分智能家居产品相比，本设计具有更大的灵活性和拓展性。