OpenWiFi智能辅助控制的新概念物联网燃气表_陈爽.pdf

敬请登录网站在线投稿(t o u g a o.m e s n e t.c o m.c n)2 0 2 3年第4期 8 3 O p e n W i F i智能辅助控制的新概念物联网燃气表陈 爽(辽宁思凯科技股份有限公司,丹东 1 1 8 0 0 8)摘要:为保证低功耗、防水、防尘及防爆的性能,常规物联网燃气表仅支持根据设定上报时段进行数据上报,被动接收服务器下发的指令,用户无法进行任何便利于自身使用的操作。针对这一问题,利用O p e n W i F i模组可二次开发的特点,对其进行编程,由手机A P P通过接入家中的无线路由器进行远程控制,以便用户能够使用对其开放的实时操控燃气表功能。关键词:O p e n W i F i;D N S服务;W e b服务;智慧燃气中图分类号:T P 7 9 文献标识码:AN e w C o n c e p t o f O p e n W i F i I n t e l l i g e n t A u x i l i a r y C o n t r o l I n t e r n e t o f T h i n g s G a s M e t e rC h e n S h u a n g(L i a o n i n g S C T e c h n o l o g y C o.,L t d.,D a n d o n g 1 1 8 0 0 8,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o e n s u r e t h e p e r f o r m a n c e o f l o w-p o w e r c o n s u m p t i o n,w a t e r p r o o f,d u s t-p r o o f a n d e x p l o s i o n-p r o o f,t h e c o n v e n t i o n a l g a s m e t e r s i n t h e I n t e r n e t o f T h i n g s c a n o n l y r e p o r t d a t a a c c o r d i n g t o t h e s e t r e p o r t i n g p e r i o d a n d p a s s i v e l y a c c e p t t h e i n s t r u c t i o n s s e n t b y t h e s e r v e r.T h e u s e r s c a n n o t p e r f o r m a n y o p e r a t i o n t h a t i s c o n v e n i e n t f o r t h e i r o w n u s e.T o s o l v e t h i s p r o b l e m,t h e O p e n W i F i m o d u l e c a n b e d e v e l o p e d a g a i n,a n d i t i s p r o g r a mm e d,s o t h a t i t c a n b e r e m o t e l y c o n t r o l l e d b y t h e m o b i l e A P P t h r o u g h a c c e s s t o t h e h o m e w i r e l e s s r o u t e r,s o t h a t u s e r s c a n u s e t h e o p e n f u n c t i o n o f r e a l-t i m e c o n t r o l o f t h e g a s m e t e r.K e y w o r d s:O p e n W i F i;D N S s e r v i c e;W e b s e r v i c e;s m a r t g a s0 引 言随着燃气行业的发展与壮大,智能燃气表1的概念不能仅仅停留在普通意义上的万物互联。目前,用户家中的物联网燃气主要功能包括实现关键用量数据及异常事件的存储、异常报警及实时上报等。对于燃气表上报的数据,服务器通常采用被动监控的方式,售后服务人员根据用户服务系统标注的异常状态来甄别问题,这种方式必然导致实时性差,且用户只能被动接受,并没有直接参与到保证家中用气安全的操作中。智能开关、声控蓝牙音箱、智能电器、智能监控2等设备广泛应用于日常生活中。参考智能家居的设计模式,该款新概念智能燃气表选用E S P 1 2 F模组(该模组为O p e n-W i F i模组3)作为辅助通信模块,该模组可根据开发者对配网方式的设计将其接入到家中的路由器。用户通过手机A P P对其进行直接操作,该模组可通过内部程序有针对性地对燃气表主控板进行直接操作。O p e n W i F i模组的使用,既方便了燃气用户,又分担了燃气主控板处理程序的压力。燃气表通常由锂电池或碱性电池供电,对电池的使用寿命有严格的要求。为保证燃气表主控电路板的功耗,该模组不可由燃气表主控板直接供电。为满足指定的防护等级、防爆及用户选配的要求,这款新概念O p e n W i F i装置通过F P C线与燃气表主控电路 板 相 连,由 外 接 电 源供电。1 新概念物联网燃气表功能模块组成及硬件设计 该款新概念物联网燃气表选用O p e n W i F i模组,原因如下:短距无线模组有L o R a、Z i g B e e、蓝牙模组4等,这些模组虽然具备低功耗优势,但是L o R a、Z i g B e e模组需要组网,用户无法随时随地监控和操作燃气表,而蓝牙模块仅能用作短距离通信,且蓝牙模块易受到外界信号干扰而断开连接,不具备实际操作条件;O p e n W i F i模组支持二次开发,集成了 W i n d o w s、L i n u x开发环境,便于开发人员对其进行独立编程,且该模组具有4 MB的程序空间、E E-P R OM存储单元,集成了W e b库、D N S库等,可以更方便地实现W e b方式的智能配网模式;O p e n W i F i可处于低8 4 M i c r o c o n t r o l l e r s&E m b e d d e d S y s t e m s 2 0 2 3年第4期w w w.m e s n e t.c o m.c n 功耗模式,其低功耗模式分为M o d e ms l e e p(2 0 mA)、L i g h t s l e e p(2 mA)、D e e p s l e e p(2.5 V下测试功耗数据约为2 0 A),可根据实际情况进行远程设置。由此可见,E S P 1 2 F这款O p e n W i F i模组是极佳选择。1.1 新概念物联网燃气表功能模块组该款O p e n W i F i智能辅助控制的新概念物联网燃气表由燃气表主控板和O p e n W i F i模组辅助控制板组成。燃气表主控板的主要功能包括计量功能、阀门控制、电量监控、异常报警(开盖报警、拆表报警、传感器断线提示、泄露报警及倾斜报警等)、安全功能(超大流、微小流、恒流检测等)、数据记录功能(异常数据记录、用气量数据记录等)、无线通信(可选用N B I o T模组、4 G模组、L o R a模组等进行远程通信功能)、红外通信(表具维修时的关键数据读取及参数设置)及与O p e n W i F i模组的S P I通信(实现关键数据传输及接收对用户开放的控制命令)等功能。O p e n W i F i模组实现的主要功能包括无线接收复位控制命令、上电配网、与燃气主控板进行S P I通信、关键数据分析、F O T A升级及T y p e C串口升级、间接传输关键数据等功能。根据燃气集团对燃气表功能需求及相应的典型硬件电路的设计要求,各功能模块的连接方式如图1所示。图1 功能模块连接图1.2 O p e n W i F i智能辅助控制模组硬件电路设计O p e n W i F i模组硬件电路包括:复位电路,以便在该模组断电后再次上电或E S P 1 2 F模组控制G P I O 0引脚时使电路恢复到起始状态;E S P 1 2 F模组电路,该模组作为中央处理器;T y p e C接口电路(U S B T y p e C有4对T X/R X分线、2对U S B D+/D-、1对S B U、2个C C、4个V B U S和4个地线),T y p e C接口具有防反接的特性,可以 传 输 数 据,同 时 为 整 个O p e n W i F i模 组 供 电;U S B转串口电路,芯片选用CH 3 4 0 C,支持W i n d o w s/L i n u x/A n d r o i d/M a c O S/W i n C E等操作系统;S P I接口电路,主要作用为实现与燃气表主控板间的通信;电源电路,由T y p e C接口供给的电源电压为5 V,而E S P1 2 F模块要求供电电压在3.03.6 V之间、供电电流大于5 0 0 mA,故选用AM S 1 1 1 7 3.3稳压芯片将电源电压稳定到3.3 V,以满足芯片的供电要求。O p e n W i F i模组硬件电路图2所示。值得注意的是,选用T y p e C作为电源接口,首先是因为该接口是当前国产智能手机的通用接口,手机充电器及数据线即可为O p e n W i F i模组供电;其次是为了便于对该模组进行升级,当O p e n W i F i模组需要更新代码时,为了快速更新,可将数据线插入用户手机(还需要用U S B母头转T y p e C转接线),用户可通过串口协议一键传输F O T A升级包。2 O p e n W i F i模组机械设计图为了保证燃气表的防尘、防水等级,需将可选配安装的O p e n W i F i模组放置于燃气表底座的独立仓室内。模组的安装过程如下:首先,将O p e n W i F i模组的主板与通过过孔插入的F P C线相连;接着将O p e n W i F i模组的插接卡槽机械结构楔入独立仓室,通过预留的螺丝孔拧紧螺丝,将卡槽固定于燃气表底壳中;最后,打上铅封,既可保证O p e n W i F i模组被有效固定于燃气表内,又具备防拆特性。3 O p e n W i F i模组实现W e b配网O p e n W i F i模 组 板 核 心 芯片选用E S P 1 2 F(E S P 8 2 6 6芯片)。该芯片支持3种配网模式:A P模式,该模式不智能,需要预先获知并设置W i F i的账号和密码;S m a r t C o n f i g模式,该模式需要用户预先将手机接入到指定的路由器,通过安信可公司的W i F i配网软件设置密 码 或S S I D,并 将 用 户名及密码(或S S I D)发送至路由器,路由器在此期间循环发送指定协议格式的用户名及密码(或S S I D),E S P 1 2 F模组接收到该命令后,将用户名及密码(或S S I D)存储到自带的E E P R OM中,这种模式的缺点是W i F i模块有可能会接收不到用户名及密码(或S S I D),成功率不能保证;W e b配网模式,由于W e b配网模式既能保证成功率,又不需要过多的人为介入,故采用此模式进行用户配网。3.1 W e b配网及强制门户的作用W e b配网方式之所以方便、高效,是因为E S P 1 2 F模组开启一个W e b服务器5,并在此基础上进行信息交 敬请登录网站在线投稿(t o u g a o.m e s n e t.c o m.c n)2 0 2 3年第4期 8 5 图2 O p e n W i F i模组硬件设计图互(P O S T、G E T),因此信息的传输较为稳定,配网成功率相对较高。强制门户的作用是:当手机连接到指定W i F i后,会自动打开一个网页,即用户手机连接到W i F i后,会自动弹出认证界面。在W e b配网基础上,增加强制门户功能,即可实现连接W i F i后自动打开配网界面,以方便用户进行配网操作。3.2 W e b配网及强制门户的实现实现强制门户,需要在W e b配网6的基础上增加D N S服务。具体实施方式如下:当手机连接到一个无需密码的W i F i后,会访问手机内部的网址,进而查看是否可以上网,在访问此网址时,先发起D N S请求7,向服务器询问域名的I P地址,然后再发起H T T P请求想要的内容。E S P 1 2 F模组首先设置为A P模式(底层驱动库默认I P为1 9 2.1 6 8.4.1),此时会收到手机发来的D N S请求8。E S P 1 2 F模组将请求的I P地址指向模组的默认地址即可。这时手机会向E S P 1 2 F模组发送HT T P请求,模组不管收到任何HT T P请求,都无条件将HTML页面回传,该操作即可实现强制门户。W e b配网函数核心程序及注释如下列代码所示(值得注意的是,使用的函数均为底层驱动库E S P 8 2 6 6 W i F i、W i F i M a n-a g e r、D N S S e r v e r、E S P 8 2 6 6 H T T P C l i e n t、E S P 8 2 6 6 W e b S e r v e r、W i F i U d p中的函数,需要预先下载该驱动库到A r d u i o n指定路径下,否则该代码不生效):v o i d W e b c o n f i g(v o i d)W i F i.m o d e(W I F I_S T A);/首先将E S P 1 2 F设置为终端模式,不设置则默认为混合模式d e l a y(3 0 0 0);/进行延时,确保模式设置成功wm.r e s e t S e t t i n g s();/重置c o n s t c h a r*s e t_r o t a t i o n=S e t R o t a t i o n O n e T w o;/新增界面属性W i F i M a n a g e r P a r a m e t e r c u s t o m_r o t(s e t_r o t a t i o n);/用户h t m l输入W i F i M a n a g e r P a r a m e t e r p_l i n e B r e a k_n o t e x t();wm.a d d P a r a m e t e r(&p_l i n e B r e a k_n o t e x t);/换行wm.a d d P a r a m e t e r(&c u s t o m_r o t);/新增用户h t m l输入w m.s e t S a v e P a r a m s C a l l b a c k(s a v e P a r a m C a l l b a c k);/保存回调参数s t d:v e c t o r m e n u=w i f i,r e s t a r t ;wm.s e t M e n u(m e n u);/函数分配一个新菜单到指定窗口wm.s e t C l a s s(i n v e r t);/设置类集合wm.s e t M i n i m u m S i g n a l Q u a l i t y(2 0);/设置最小信号强度b o o l r e s;r e s=wm.a u t o C o n n e c t(A u t o C o n n e c t A P);/自动配网,持续等待配网,直到成功为止w h i l e(!r e s);配网界面关键参数显示如图3所示。4 O p e n W i F i模组与燃气表主控板及手机A P P间的配合实施方法4.1 O p e n W i F i模组与燃气表主控板间通信方式及协议 在纯静态无计数状态下,燃气表主控板不与E S P 1 2 F8 6 M i c r o c o n t r o l l e r s&E m b e d d e d S y s t e m s 2 0 2 3年第4期w w w.m e s n e t.c o m.c n 图3 配网界面关键参数显示模组主动通信,但可中断检测E S P 1 2 F模组G P I O 4的输出状态,若该接口产生下降沿并切换为低电平,则认为模组有数据待发送。燃气表主控板将应答唤醒命令,准备接收来自E S P 1 2 F模组的控制命令(阀控命令、读状态、参数、累积量命令等)。同理,当燃气表主控板产生计数时,每计量指定立方米数(民用表计量0.1 m3通知E S P 1 2 F一次),将控制E S P 1 2 F模组G P I O 2的引脚将其拉低,通知E S P 1 2 F模组同步当前累积量、温度、压力等信息。4.2 O p e n W i F i模组与用户A P P间的通信及功能优势 用户不在家中时可通过手机A P P发送命令至家中路由器,由无线路由器转发命令到燃气表端,即可实现对燃气表主控板的间接控制。下面介绍几种通过A P P实现的优秀控制操作:远程锁阀操作,例如,用户出门时忘记关闭燃气灶,家中燃气被持续使用,此时,燃气表主控板向E S P 1 2 F模组实时传输用气数据,模组判定超过用户预设的持续使用时间,即可将持续点火的信息发送到用户A P P中,通知用户这一情况。用户可自行判定是否需要通过远程关阀的方式解除家中起火的危机。远程升级操作,对E S P 1 2 F模组进行远程程序更新(F O T A升级固件的思路会保留)。远程复位操作,使模组断网,以便后续在新环境重新配网。远 程 充 值 功 能,当 燃 气 表 主 控 板 的 物 联 网 模 组(N B I o T/4 G/5 G等)网络信号不好,或者是想要立即充值,但是燃气表的安装位置复杂,不方便按键上报接收余额同步时,可用W i F i模组充值,然后手机A P P将充值金额同步到服务器(结算系统)即可。A P P端分析燃气表故障,通过燃气表主控板发送到E S P 1 2 F模组的故障信息(如通信失败、流量异常等),模组可自动将异常同步到手机A P P,手机A P P将故障信息同步到后台服务器,智能分析并预判表具故障,提前做维修准备。5 结 语随着时代的发展和科学技术的进步,智能燃气表已经向着更安全、更智能、更便民的目标发展。智慧燃气9、智慧水务、智慧电力不会仅仅停留在智能数据统计、智能安全平台分析、智能售后维护系统、远程缴费等方面。尤其是智能燃气表,用户需要更多的参与感1 0,以便实现设备本质安全、燃气集团维护设备安全与用户自身维护用气安全的三位一体用气安全保证。参考智能家居的理念,选用O p e n W i F i模组作为对用户开放功能的智能辅助模组,既可以使用户不受燃气表主控电路板物联网通信模组通信成功率的影响,实时通过手机A P P检测燃气表用气情况,又可以行使用户权力,当长期不在家或者是忘记关闭阀门时可以远程关闭阀门。该款燃气表的设计方案,既增强了用户体验感,又进一步保障了用气安全,相信该款新概念型燃气表会受到用户广泛关注和认可。参考文献1 邵泽华.具有N B I o T通信双网关的物联网智能燃气表J.煤气与热力,2 0 2 2,4 2(6):8 3 8 6.2 郁浩,王桥,王子秀,等.基于物联网的智慧家居远程控制系统J.河南科技,2 0 2 0(1 4):2 7 2 9.3 岳丽颖.基于无线W i F i技术的智慧家居控制系统的研究与设计J.辽宁科技学院学报,2 0 2 2,2 4(4):1 5 1 9.4 陈广金,蓝慕云.基于W i F i的智能温度调节系统设计J.现代电子技术,2 0 2 2,4 5(2 0):1 6.5 曹艺怀,陈伟,张帆,等.面向高速网络流量的加密混淆型W e b S h e l l检 测 J.网 络 与 信 息 安 全 学 报,2 0 2 2,8(4):1 1 9 1 3 0.6 姚喜,宁玉辉,赵淑芳,等.基于服务组合簇集的W e b服务发现J.计算机工程与设计,2 0 2 2,4 3(8):2 2 2 8 2 2 3 5.7 章坚武,安彦军,邓黄燕.D N S攻击检测与安全防护研究综述J.电信科学,2 0 2 2,3 8(9):1 1 7.8 刁嘉文,方滨兴,田志宏,等.基于攻击流量自生成的D N S隐蔽信道检测方法J.计算机学报,2 0 2 2,4 5(1 0):2 1 9 02 2 0 6.9 江航成,林明星,李杭,等.超声波燃气表流场扰动影响测试方法研讨J.计量科学与技术,2 0 2 1,6 5(1 2):4 0 4 4.1 0 郝向举,何爱平,薛琳.智慧城市建设与资源环境承载能力耦合协调发展的实证J.统计与决策,2 0 2 2(2 2):4 6 5 0.陈爽(高级工程师),主要研 究 方 向 为 智 能 物 联 网 燃 气 表、水 表。通信作者:陈爽,c s 1 2 2 0 8 2 1 4 5 31 6 3.c o m。(责任编辑:薛士然 收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 5)