基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能嬰兒搖籃系統(tǒng)開發(fā)

盧詩瑤，蔡士東，龍新宇，安華凱，郭一凡

（大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116605）

0 引言

智能家居概念起源于20 世紀(jì)80 年代初的美國，稱之為Smart Home，其間經(jīng)歷了4 代的發(fā)展。第一代是通過同軸線及兩芯線完成家庭組網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燈光、窗簾及少量的安防控制等；第二代是通過總線及IP 技術(shù)組網(wǎng)，能夠完成可視對講及安防的業(yè)務(wù)；第三代是集中化的智能控制系統(tǒng)，由中控機(jī)完成安防、計量等方面的功能；第四代則基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)個性化的功能。近年來，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域，并已公認(rèn)成為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新。本文的智能嬰兒搖籃系統(tǒng)也就是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。

目前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能產(chǎn)品已在國內(nèi)外展開大范圍研究，人們開始嘗試將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與生活、工作的方方面面融合在一起，打造一個智能世界。而在智能嬰兒搖籃這一領(lǐng)域雖然也有不少研究，但軟件端大多使用需要下載的APP，并無基于微信小程序的智能嬰兒系統(tǒng)的設(shè)計研究，故本文設(shè)計了使用微信小程序作為軟件端的智能嬰兒搖籃系統(tǒng)。同時，目前，市場上還沒有見到為減少新生兒父母育兒精力付出的智能嬰兒搖籃。針對于此，本文設(shè)計了智能嬰兒搖籃系統(tǒng)，用來監(jiān)測嬰兒的各項(xiàng)生命特征，并在環(huán)境變化對嬰兒產(chǎn)生影響時做出具體應(yīng)對措施，同時還具有嬰兒防偷功能。考慮到目前市場的智能家居系統(tǒng)都需要下載生產(chǎn)方指定的APP 進(jìn)行控制和操作，本系統(tǒng)的使用卻無需下載、打開即用的微信小程序作為應(yīng)用層，增加了用戶應(yīng)用的簡便性。

1 方案設(shè)計

本文設(shè)計的智能嬰兒搖籃系統(tǒng)，將基于消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemert Transport，MQTT）通訊協(xié)議接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體通信。按物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，分為應(yīng)用層、平臺層、感知網(wǎng)絡(luò)層以及物理層。其中，應(yīng)用層利用小程序提供的框架、API 及云數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用功能；平臺層使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺接收與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層和感知層通過主控芯片、Wi-Fi 模塊以及傳感器模塊完成數(shù)據(jù)采集和傳輸；物理層使用加熱模塊、加濕模塊以及報警模塊完成應(yīng)用層指令。各層之間采用MQTT 協(xié)議進(jìn)行通信，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能嬰兒搖籃系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of the intelligent baby cradle system

1.1 MQTT 通訊協(xié)議簡介

在本系統(tǒng)中，MQTT 是最主要的通訊協(xié)議，這是一種輕量級基于代理的發(fā)布／訂閱的消息傳輸協(xié)議。其設(shè)計思想簡單、輕量、易于實(shí)現(xiàn)，適合在帶寬、計算機(jī)和處理能力受限的環(huán)境下工作。MQTT 技術(shù)支持所有平臺，幾乎可以把所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與外部連接起來，被用作傳感器和驅(qū)動器的通信協(xié)議，已成為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的重要部分。

基于TCP／IP 提供網(wǎng)絡(luò)通信的MQTT 通訊協(xié)議和HTTP 協(xié)議一樣，都屬于發(fā)布／訂閱消息模式，即發(fā)布者與訂閱者不直接通過MQTT 協(xié)議交互數(shù)據(jù)。MQTT 協(xié)議支持根據(jù)QoS 的標(biāo)識定義發(fā)布服務(wù)的質(zhì)量。

在智能嬰兒系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)層與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的關(guān)系是網(wǎng)絡(luò)層作為消息訂閱者，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為消息發(fā)布者；而在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺與應(yīng)用層的關(guān)系中，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為消息訂閱者，應(yīng)用層則作為消息發(fā)布者。以網(wǎng)絡(luò)層與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)交互為例，網(wǎng)絡(luò)層與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務(wù)器建立TCP 連接，并向服務(wù)器發(fā)送CONNECT 消息；客戶端在接收到服務(wù)器授權(quán)允許的CONNACK 確認(rèn)消息后，發(fā)送SUBSCRIBE 消息，指定感興趣的Topic 主題列表（一個或多個主題），即發(fā)送訂閱請求；訂閱成功后，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為發(fā)布者向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送訂閱主題消息，當(dāng)服務(wù)器接收到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的PUBLISH 消息后，將PUBLISH 消息發(fā)送給所有訂閱此主題的訂閱者。應(yīng)用層與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)交互亦是該訂閱發(fā)布流程。在本系統(tǒng)中，該訂閱主題消息為應(yīng)用層作為消息發(fā)布者發(fā)布的消息主題。

1.2 感知網(wǎng)絡(luò)層和物理層設(shè)計

ESP32 系列模組是深圳市安信可科技有限公司開發(fā)的一系列基于樂鑫ESP32 的低功耗UARTWiFi 芯片模組，可以方便地進(jìn)行二次開發(fā)，接入云端服務(wù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)3／4G 全球隨時隨地的控制，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11 b／g／n 協(xié)議及完整的TCP／IP 協(xié)議棧，用戶可以使用該模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能。網(wǎng)絡(luò)層的功能是通過ESP32 芯片實(shí)現(xiàn)的，不僅可以通過SPI／SDIO 或IC／UART 接口提供Wi-Fi和藍(lán)牙功能，而且可以作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行程序，擁有強(qiáng)大的處理性能和可靠的安全性能。因此，本文方案采用ESP32 芯片作為本系統(tǒng)的主控芯片。

該方案設(shè)計借助Arduino 開源電子原型平臺，在 Arduino 庫商店中下載“WIFI”庫和“PubSubClient”庫，使用（）函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，使用（）函數(shù)接收下行消息。將程序燒錄到ESP32 模組，模組上電后，根據(jù)燒錄的WiFi 信息連接WiFi，并將通過MQTT 協(xié)議與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺建立長連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。同時通過主控芯片的串口與物理層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計框架如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計框架Fig.2 The design framework of network layer

物理層主要實(shí)現(xiàn)暖奶、報警、加熱和加濕功能，由ESP32 控制PTC 加熱片、蜂鳴器、電熱毯以及加濕霧化模塊實(shí)現(xiàn)；感知層主要通過主控芯片讀取采集到的嬰兒搖籃的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中包括：奶瓶溫度、嬰兒體溫、環(huán)境溫濕度、是否尿床，以及嬰兒是否被抱起等數(shù)據(jù)。ESP32 芯片通過MQTT 協(xié)議接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過Wi-Fi 接收到從阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺轉(zhuǎn)發(fā)的指令后，根據(jù)指令啟動相對應(yīng)的模塊。通過控制電熱毯和加濕霧化模塊，使嬰兒搖籃環(huán)境溫度和濕度達(dá)到舒適的溫濕度；通過PTC 加熱片加熱奶瓶，使奶瓶保持最佳溫度；當(dāng)微信小程序端將嬰兒搖籃設(shè)置成警戒模式時，若嬰兒被抱起，系統(tǒng)將會啟動蜂鳴器進(jìn)行報警，由此實(shí)現(xiàn)物理層的預(yù)設(shè)功能。同時，ESP32 通過串口與傳感器進(jìn)行通信，將收到的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、尿濕數(shù)據(jù)、嬰兒體溫數(shù)據(jù)和重力傳感數(shù)據(jù)通過Wi-Fi傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺，由此實(shí)現(xiàn)感知層功能。物理層和感知層框架設(shè)計如圖3 所示。

圖3 物理層和感知層框架設(shè)計Fig.3 The design framework of physical and sensing layer

1.3 平臺層和應(yīng)用層設(shè)計

平臺層的主要作用，是將應(yīng)用層和感知物理層的數(shù)據(jù)接收并轉(zhuǎn)發(fā)給物理層和應(yīng)用層。應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)將感知網(wǎng)絡(luò)層采集到的奶瓶溫度、嬰兒體溫、環(huán)境溫濕度、是否尿床以及嬰兒是否被抱起等數(shù)據(jù)，以簡潔明了的方式呈現(xiàn)給用戶；將用戶的指令傳送給平臺層，再由平臺層轉(zhuǎn)發(fā)給物理層，實(shí)現(xiàn)解除嬰兒搖籃警戒模式、調(diào)整嬰兒搖籃環(huán)境的溫濕度以及加熱奶瓶功能。應(yīng)用層界面設(shè)計如圖4 所示。

圖4 應(yīng)用層微信小程序界面設(shè)計Fig.4 Design of application layer of WeChat mini program interface

應(yīng)用層的微信小程序端使用微信公眾平臺提供的微信開發(fā)者工具進(jìn)行開發(fā)，通過MQTT 協(xié)議和產(chǎn)品三元組信息與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行連接，使用（）函數(shù)給Topic 發(fā)送指令，使用（）函數(shù)接收Topic 發(fā)布的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺；同時阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通過MQTT 協(xié)議，使用發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)層。由此實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層和感知網(wǎng)絡(luò)層、物理層的數(shù)據(jù)交互。

平臺層與應(yīng)用層的設(shè)計框架如圖5 所示，應(yīng)用層設(shè)計的流程如圖6 所示。

圖5 平臺層與應(yīng)用層框架設(shè)計Fig.5 The design framework of platform layer and application layer

圖6 應(yīng)用層設(shè)計流程圖Fig.6 Flowchart of the application layer design

2 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能嬰兒搖籃系統(tǒng)，通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺以及ESP32 模組實(shí)現(xiàn)微信小程序端與硬件端的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通過加熱將奶瓶保持在最佳溫度；通過調(diào)整電熱毯溫度和濕度將嬰兒搖籃的環(huán)境溫濕度維持到最佳狀態(tài)；實(shí)時監(jiān)測嬰兒的奶瓶溫度、安全情況、體溫狀況、以及尿不濕狀態(tài)。減少新生兒父母在照顧嬰兒時的精力和時間消耗，使嬰兒搖籃更加智能。該系統(tǒng)在推進(jìn)嬰兒搖籃智能化方面具有一定的借鑒意義。