彭鵬 鄭志浩 江玲 田野

摘 要：移動端智能家電控制系統(tǒng)是一個利用物聯(lián)網(wǎng)領域相關技術，將電器設備同互聯(lián)網(wǎng)硬件、軟件相結(jié)合的控制系統(tǒng)。它的核心問題是解決家電的聯(lián)網(wǎng)和非接觸式控制，改善現(xiàn)有智能家電設備存在協(xié)議不一致，單個設備獨立生產(chǎn)使用成本較高的不足。文中硬件采用嵌入式Linux開發(fā)板TQ2440作為控制終端，Java服務器作為主機服務器，Web頁面作為前端展示。系統(tǒng)協(xié)議統(tǒng)一，簡化了設備拓展流程，降低了設備要求，能夠極大提高系統(tǒng)的易用性。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術;嵌入式Linux;Java服務器;智能化;家電控制;移動設備

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

計算機及信息技術革命是繼電力技術革命之后的第三次工業(yè)革命。自計算機技術的誕生以及高速發(fā)展，迅速將人們的日常生活、學習、交流和工作推向了信息化和便捷化。而隨著計算機技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)理論構(gòu)架逐漸成形，物聯(lián)網(wǎng)技術對人們的生活提出了智能化和移動化等新的要求，也對傳統(tǒng)家電發(fā)起了挑戰(zhàn)。目前，先進的家電控制系統(tǒng)、高效完善的家電使用體驗、自動智能的居家環(huán)境和信息化的資源配置管理和購物方式等，已經(jīng)逐漸成為主流，家用電器的智能化已然成為了一種趨勢[1]。

伴隨著我國計算機技術高速發(fā)展的大環(huán)境，物聯(lián)網(wǎng)技術進步飛快。在控制技術、傳感技術和數(shù)據(jù)運用技術集中高速成長的大背景下，家用電器智能控制技術也在不斷成熟，智能家電控制系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)在不少家庭生活中，逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的家電。但目前市面上的智能家電控制界面，一般都采用的是嵌入式LCD觸摸屏控制，或采用下載APP的形式進行聯(lián)網(wǎng)控制，以上這兩種方案都不算友好。目前市面上以智能家電單品居多，且各種智能家電單品有著不同的使用規(guī)范，用戶很難將多個單品進行統(tǒng)一的控制管理，所以設計一款基于移動端的統(tǒng)一控制管理多個智能家電的控制系統(tǒng)很有必要。

鑒于此，本課題所提出的基于移動端智能家電控制系統(tǒng)的設計開發(fā)，目的就是利用成熟的JavaWeb技術和嵌入式Linux技術為用戶展現(xiàn)一個便捷、友好的交互界面，集成一個統(tǒng)一規(guī)范的硬件和軟件的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)以TQ2440作為開發(fā)板，在裁剪且移植好Linux系統(tǒng)和BOA服務器之后，驅(qū)動LED燈、光敏電阻、DS18B20和步進電機。當JavaWeb請求CGI程序時，CGI程序執(zhí)行控制操作或者返回數(shù)據(jù)。前端使用HTML技術，使用兼容移動端顯示的BootStrap框架，移動設備可以直接訪問服務器，登錄獲得操作權限。也可以二次開發(fā)，例如以公眾號為入口對家電進行控制等，輕松實現(xiàn)一個系統(tǒng)對多個家庭設備進行管理。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)概述

Linux系統(tǒng)從1991年問世到現(xiàn)在不斷完善發(fā)展，如今的Linux系統(tǒng)已發(fā)展成為功能強大、趨于完善的操作系統(tǒng)之一[2]。故本系統(tǒng)提出了以嵌入式Linux系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)收集終端，將用戶數(shù)據(jù)展示、功能操作和數(shù)據(jù)持久化放到主機服務器的設計思想。使用TQ2440作為開發(fā)板，上位機部分則搭建JavaWeb服務器，使用MySQL數(shù)據(jù)庫持久化系統(tǒng)數(shù)據(jù)。上位機的Web界面不僅展示數(shù)據(jù)，而且還可為用戶對設備的控制提供指令操作接口。本系統(tǒng)將電器設備統(tǒng)一管理并展現(xiàn)給用戶輕量級操作效果，使得用戶對智能家電設備的管理和操作更加便捷。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)通過傳感器收集溫度、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)，開發(fā)板根據(jù)收集的數(shù)據(jù)對電器設備進行喚醒和關閉等智能控制。此外，本系統(tǒng)還可以通過移動設備訪問主機服務器，查看部分環(huán)境信息，以及下發(fā)控制命令。命令通過主機服務器經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)下發(fā)至TQ440開發(fā)板，開發(fā)板根據(jù)命令對設備進行相應的操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)模塊

2.1 下位機

下位機部分由一塊TQ2440開發(fā)板、一顆DS18B20溫度傳感器、一顆光敏傳感器、若干LED燈和一臺步進電機組成。它主要用來完成環(huán)境數(shù)據(jù)的實時收集，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到主機服務器，響應主機服務器的相關操作命令。

2.2 上位機

嵌入式Linux是一種新型嵌入式操作系統(tǒng)，目前應用廣泛[3]。考慮到系統(tǒng)的兼容性，本系統(tǒng)的設計開發(fā)都從Windows系統(tǒng)遷移到Linux系統(tǒng)中，上位機部分基于Linux桌面系統(tǒng)開發(fā)JavaWeb程序。該程序分為后端、前端兩部分，前端是后端功能的可視化。為了完成對下位機設備的控制和對采集到的數(shù)據(jù)進行展示，上位機JavaWeb程序主要包括用戶管理模塊、設備管理模塊、設備概覽模塊。

本系統(tǒng)主要是Java服務器和BOA服務器的協(xié)調(diào)工作。其工作流程為：由Java服務器發(fā)送請求給BOA服務器，BOA服務器調(diào)用CGI程序，從而調(diào)用驅(qū)動程序接口，寫驅(qū)動完成數(shù)據(jù)采集[4]。系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.3 硬件功能設計

硬件的功能主要是完成數(shù)據(jù)采集、設備控制，因此其開發(fā)板TQ2440被設計為邊緣系統(tǒng)，擁有獨立的采集、控制運算邏輯。由于開發(fā)板TQ2440需要把采集和控制結(jié)果發(fā)送給服務器，故硬件需要搭建一個服務器來協(xié)調(diào)控制各個業(yè)務邏輯，并擔負和服務器交互的功能。硬件功能實現(xiàn)如圖3所示。

2.4 軟件功能設計

為了統(tǒng)一管理電器設備，實現(xiàn)交互體驗良好的前端頁面，本系統(tǒng)軟件部分的后端使用SSH框架，前端使用BootStrap框架的JavaWeb程序。軟件功能設計主要有：

（1）用戶管理：用戶的登錄注冊，修改用戶信息等;

（2）設備管理：設備的用戶所屬關系管理和遠程控制;

（3）設備概覽：設備運行狀態(tài)的概覽;

（4）環(huán)境概覽：將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行可視化展示。

軟件功能設計如圖4所示。