【IoT迷你赛】基于Tos开发板和Wi-Fi探针技术实现“无感体验”iot生活

2019-08-28 12:59:06 浏览数 (1)

文章目录：

  1. 导语
  2. 开发背景
  3. TencentOS Tiny简介
  4. Wi-Fi探针技术简介
  5. Demo整体方案设计
  6. 开发环节
  7. 演示效果展示
  8. TO-DO List
  9. 尾巴
  10. 总结

导语：

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。世界上的万事万物只要嵌入一个微型芯片都能把它智能化，借助物联网技术，人们就可以和物体对话，物体和物体之间进行交流。

物联网物联网

开发背景：

在iot技术发达的未来，越来越火的智能生活是否可以最大化地减少用户和硬件之间的交互，让用户无感知来体验智能生活，相信这样的方式是十分诱人的，例如：智能硬件不仅能感知家里是否有人，还能感知主人在回家的路上，又或者是已经离开家一会了，进而在主人回到家之前和离开家之后，帮助他完成一系列的日常操作，如晚上开关灯，夏天开关风扇、空调，冬天开关暖气或者热水器等，这些操作对于用户是无感知的，都由硬件自己来完成，硬件在这里犹如充当了贴心管家的角色。如果用户在家时需要改变硬件的状态，就可以通过app或者语音交互的方式来操作。PS：现在的技术应该还不能做到通过人的意念来控制设备。

在前不久华为发布了基于鸿蒙系统的荣耀智慧屏，当时在网上也看了很多博主的体验视频，印象最深的一个地方是当使用者对这荣耀智慧屏喊一声“我回家了”，智慧屏就会自动开启窗帘、电灯、空气净化器等智能设备。当时也为这一系列的智能化操作惊叹了许久，但惊叹过后总感觉还是有一点遗憾，因为感觉它与很多传统智能硬件相同，依旧没有将方便用户生活做到极致，可能荣耀智慧屏也在向这关键性的一步改进着。

因此，为了实现“无感体验”这个想法，在很荣幸拿到TencentOS tiny内测开发板后，想结合之前实习时研究的Wi-Fi探针技术来实现一套用户“无感知体验”的智慧生活解决方案。PS:说的有点高级，其实只是个demo，也并不是完全的无感知，哈哈。下面我们开始进入正题。

TencentOS tiny简介：

TencentOS tiny是面向物联网领域开发的实时操作系统，具有低功耗，低资源占用，模块化，可裁剪等特性。TencentOS tiny 可以有效减少开发人员在任务管理、硬件支持、网络协议支持、安全方案以及文件系统、 KV 存储、在线升级等常用功能组件相关的开发中所需要的时间和工作量，并且能够快速高效的实现设备的低功耗运行，提供强大的开发调试功能，减少开发测试人力成本，使客户的产品能够实现快速开发和快速上线交付。TencentOS tiny 由一个轻量级 RTOS 内核 多个物联网组件构成，如下图所示。

Wi-Fi探针技术简介：

Wi-Fi探针是指基于Wi-Fi探测技术，自动采集特定范围内已开启wifi功能的移动终端设备（Android或IOS智能手机、手提电脑、平板等）并获取设备MAC层协议数据单元中的信息的一种硬件。这样说可能有点抽象，举个栗子: 我们平时使用的手机在与路由器进行无线通信过程中，会发射和接收无数以802.11协议封装的数据报文，当一个设备给另外一个设备通过无线网络发送这些报文时，周围的其他同类设备都是能够收到这些信息的，WiFi探针技术就是基于这个原理。(关于Wi-Fi探针技术的原理讲解，后面有时间单独写一篇文章来介绍)

Demo整体方案设计：

该方案主要由三个部分组成：

  1. 基于TencentOS tiny开发板(后面简称tos开发板)的控制模块；
  2. 基于ESP8266NodeMCU的MQTT服务端(Broke)和ESP-01的Wi-Fi探针嗅探模块；
  3. Android平台APP控制端；
Demo方案Demo方案

当探针嗅探模块探测到用户手机的无线数据包时，会发送开灯指令给tos开发板，tos开发板在收到指令后会根据指令内容来控制LED灯。在用户离开家后，3分钟内探针嗅探不到用户的手机的无线数据包，会发送关灯指令给tos开发板引导其关闭LED灯。用户在家时，可以通过APP控制来改变硬件的状态，APP也是通过局域网接入到服务器。三者之间的通信是在局域网内通过MQTT协议来实现。

开发环节：

需要的硬件：

  1. TencentOS tiny开发板
  2. ESP8266NodeMCU开发板
  3. ESP-01联网模块（探针）

控制模块和LED灯的实现：

控制模块开发板：EVB_MX是腾讯物联网操作系统TencentOS tiny 团队联合南京厚德物联网有限公司设计的一款物联网评估板，用于 TencentOS tiny 基础内核和 IoT 组件功能体验和评估。

TencentOS Tiny开发板TencentOS Tiny开发板

LED灯源的选择：为了缩短开发时间，直接使用了开发套件提供的E53_SC1模块中的LED灯。

E53_SC1E53_SC1

控制LED灯，可以通过控制STM32(TOS开发板的芯片属于stm32系列)芯片的I/O引脚电平的高低来实现。在STM32芯片上，I/O引脚可以被软件设置成各种不同的功能，如输入或输出，所以又被称为GPIO。而GPIO引脚又被分为GPIOA、GPIOB、…等不同的组，每组端口分为0-15共16个不同的引脚。在E53_SC1模块中，想要控制其LED灯，则可以通过控制GPIO_PIN_9引脚来实现。

首先进行GPIO引脚的初始化操作：

在代码清单中，定义了一个名为GPIO_InitStruct的结构体，结构体类型为GPIO_InitTypeDef。重点来看一下GPIO_InitTypeDef类型的三个成员，分别为uint16_t类型的GPIO_Pin,GPIOSpeed_TypeDef类型的GPIO_Speed以及GPIO_TypeDef类型的GPIO_Mode。

GPIO_Pin: 代码中我们为GPIO_Pin变量赋值为GPIO_Pin_9，表示我们选择了控制GPIO端口的第9个引脚。

GPIOSpeed_TypeDef可用于标识GPIO引脚可以配置成的输出最高速度。这个最高速度我们可以理解为输出驱动电路的最高频宽，即一个驱动电路可以不失真地传输讯号的最大频率，GPIO引脚的速度跟应用相匹配，速度配置越高，干扰会越大，功耗越大。这里只要到了E52_SC1模块中的小LED灯，因此我们设置为低频即可。

GPIOMode_TypeDef是一个枚举类型定义符,有8种不同的值，原型如下，是用来帮助配置GPIO引脚的输入输出工作模式。

在Demo中，只用到了引脚输出的高低电平来控制LED灯，因此代码中选择了GPIO_MODE_OUTPUT_PP 推挽输出的工作模式。当然，如果我们需要获取传感器采集的数据，可以按需选择输入模式来工作。

LED控制程序：

HAL_GPIO_WritePin：

开灯：传入GPIO_PIN_SET标志位可以控制引脚输出高电平

关灯：传入GPIO_PIN_RESET标志位可以控制引脚输出低电平

TencentOS Tiny对OLED显示屏的操作进行了封装，调用OLED_Clear()可以将显示屏清空，调用OLED_ShowString()传入字符内容就在显示屏上显示出想要的文字内容。

MQTT协议部分：

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用

Demo中Tos开发板作为MQTT客户端来使用。

初始化并订阅控制信号Topic：

监听接收到的数据包：

注：这里处理方式并不完美，后续会尝试使用多任务来实现

收到控制指令，开发板改变完LED的状态后会回复已经操作的数据给MQTT的服务端(ESP8266开发板)，程序清单如下：

探针嗅探模块和MQTT服务端的实现

ESP8266是一块由乐鑫设计的 wifi 芯片，虽然它的定位是个 Wi-Fi 网络解决方案，但它更像一个物联网解决方案。它不仅体积小——大概 11*10 毫米左右，而且造价便宜，一个 ESP8266 的集成板只需要十几块。相比之下，在同等类似的芯片中，WRTNode 需要一百多，而 Particle（Spark Core）则需要更多的花费。目前用的比较多的ESP8266模块是ESP-01和NodeMCU。

ESP-01的体积很小，而且为直插式，复用性也很好，只是它引出了 8 个脚，使得针脚的资源十分紧张。对于编写好的新固件，要自己准备USB转串口烧录工具来烧录，同时烧录的过程中要注意CH_PD引脚置3.3v高电平，GPIo0引脚置低电平。新手建议直接入手NodeMCU模块，可以直接通过usb线来烧录。

NodeMCU是一款基于 ESP8266 的开源快速硬件原型平台，包括固件和开发板，借助于官方封装好的SDK，开发者能快速开发物联网应用。

Demo中，主要借助ESP-01实现探针嗅探模块，NodeMCU来实现MQTT协议的服务端模块，同时NodeMCU可以通过串口接收ESP-01探针嗅探并匹配到的用户的数据，从而进一步通过局域网来远程控制Tos开发板。

代码清单：

发布到tos开发板和订阅来自tos开发板的Topic：

NodeMCU MQTT服务端初始化并处理数据回调逻辑：

LazyBox终端APP实现

如果只是实现前面的几个环节，硬件已经初步具备了“无感体验”的能力，但它是不完整的，因为无法满足使用者在家手动改变设备状态这个需求。这时，可以借助终端APP来实现。

终端APP具备的能力：

  1. 帮助NodeMCU模块智能配网(通过SmartConfig方式)
  2. 远程控制改变LED灯的状态(亮度，定时模式，睡眠模式，闪烁模式)
  3. 检测联网设备状态(是否在线，离线时辅助重连)
  4. 支持控制更多设备(由于时间关系目前只实现了控制LED)

设备最终形态：

演示效果展示：

运行日志：

NodeMCU MQTT服务端Log：

Tos开发板Log：

视频演示：

https://www.bilibili.com/video/av65660874

TO-DO List:

  1. 接入腾讯云物联网通信IoT Hub平台，实现非局域网内控制设备(因为时间关系，虽然运行了官方的Demo，但没来得及接入)
  2. 探针支持通过APP配置目标用户MAC地址(多个)
  3. 设备状态改变时PUSH到APP端
  4. 引入更多设备，如小风扇，智能插座等
  5. 性能强大的Tos开发板用来当控制模块确实有点大材小用了，后面深入学习后会考虑与NodeMCU的角色互换
  6. 改进设备配网方式，SmartConfig有点慢

尾巴：

相信大家看完文章后会有很多疑问，OK,请继续往下看。。。

有问有答

1，为什么会选择WiFi探针技术来尝试？用红外或其他传感器辅助不行吗？

答: 我们以“无感体验“开关灯的例子来对比分析一下使用红外传感器会有什么缺点:首先要确保安装的位置对准用户常出现的地方，如果用户在家里走动，还要安装多个传感器保证时刻感知到用户的存在，不然会导致灯突然被熄灭。而使用wifi探针无需顾虑这么多因素，只要用户出现在探针的嗅探范围内（半径10米），并且手机打开了WiFi功能，不管用户有没有连接上路由器，他的无线数据包都能被探测到，从而进行网络通信实现控制操作（据观察，大部分用户手机的WiFi功能出门或者回家很少会手动关闭，当然打游戏除外）。当然，使用探针来实现并不是完美的方案，个人觉得通过gps加地图的地理围栏技术来实现也许会更好，但是能想到的限制也不少，首先是gps数据如果从自己开发的硬件来，那就得让用户时刻携带着设备了，然后如果是从手机的gps数据来，那用户的手机需要安转必备的app来发送gps心跳包，而且Android用户还要确保应用不被强杀后台。两个数据来源都是为了gps数据正常传输，不然无感体验都会失效。大家看到这里，如果有新的无感体验idea，欢迎留言。

2，如果手机在家没有开启WiFi功能，3分钟后灯是不是会自动熄灭？

答:是的，因为探针的工作原理是基于接收到802.11协议无线数据包并解析其中的mac地址内容来识别用户的，关闭了WiFi功能等同于手机就不再发出此类型数据包。

所以无感设备就无法正常工作了。

3，只有手机连接上了路由器，无感设备才能正常工作吗？

答:这个不是必须的，平时我们的智能手机只要开启了WiFi功能，它就会不间断地发送无线数据包与周围的路由器通信，尝试建立连接。感兴趣的小伙伴可以Google搜索 802.11协议的probe帧

4，文章围绕了无感体验四个字来展开的，但是看完了之后没有感觉到无感体验在哪里体现在出来？

答:请注意，文章中的无感体验使用了双引号来括住，所以这里说的无感体验并不是真正意义上的无感。我来说一下日常使用的测试场景和感受:外出上班离开家，家里面的探针在一定的时间段内暂时捕获不到我的无线数据包。因为探针的数据包会上传到服务端，由服务端进行处理，这时服务端在一定时间段内未match到用户，然后随即下发断电指令至家里面的无线控制终端，如Tos开发板控制LED灯，终端收到后执行关闭操作；然后是用户下班回家，在未进家门时(可能还在楼道里)探针会优先捕获到用户的无线数据包并发送到服务端，服务端处理并识别到用户后随即下发通电指令给控制终端，控制终端收到后执行打开操作。当你打开门的一瞬间，就会发现，家里的智能设备已经按部就班地工作了。

总结：

笔者是一名STM32 MCU开发小白，本着会一点ESP8266开发的勇气申请了Tos开发板的内测资格。没想到运气还不错，居然命中了。不过在拿到开发板后，看着做工精良，布局工整的板子，当时一脸蒙逼的我真不知从何下手，还好官方提供了详细的文档以及基础的入门案例，便愉快的学了起来。由于时间关系，还没有深入的学习，文章中对Tos开发板的分析也只是浮于表面，简单讲了自己使用的一小部分功能。当然，甩出来的todo list的锅自己还是会背的。后面有时间我们再会。

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