基于中移物联的共享睡眠舱系统研究设计

刘永涛 孙瑞志 王见 刘佳 郭昉

摘  要： 共享睡眠舱作为最近两年兴起的一个物联网应用设备，从产生之初就存在着一些政策和技术方面的问题，诸如实名认证、舱内人员检测、公共卫生及消防安全等问题。针对此类问题设计了一种共享睡眠舱的整体应用解决方案，采用中移物联云服务器，基于NodeMCU物联网平台eLua开源项目，底层使用ESP8266 sdk完成了系统平台设计，解决了用户使用微信扫描二维码技术，通过小程序即可完成睡眠舱的使用，达到了方便、快捷、安全、卫生的目的。

关键词： 共享睡眠舱; 智能感知; 边缘计算; 中移物联网; 云服务器; NodeMCU

中圖分类号： TN99?34                          文献标识码： A                           文章编号： 1004?373X（2020）11?0033?04

Research and design of shared sleeping cabin system based on CMIOT

LIU Yongtao1， 2， SUN Ruizhi1， WANG Jian3， LIU Jia2， GUO Fang2

（1. College of Information and Electrical Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China;

2. North China Institute of Science and Technology， Beijing 065201， China;

3. Beijing Weibo Yidao Network Technology Co.， Ltd.， Beijing 100035， China）

Abstract： As an Internet of Things （IOT） application device that has emerged in the last two years， the shared sleeping cabin has been troubled by some policy and technical issues since its inception， such as real?name authentication， in?cabin personnel detection， public health and fire safety. In view of the above， an overall application solution of shared sleeping cabin is designed， and the system platform design is completed on the basis of the cloud server of China Mobile IOT （CMIOT）， the open source project of eLua based NodeMCU IOT platform and ESP8266 sdk adopted in the bottom layer， which enables users to scan the two?dimensional code with WeChat. Therefore， the users can use the sleeping cabin by a mini program， which achieves the purposes of convenience， high?speed， safety and hygiene.

Keywords： sharing sleeping cabin; intelligent perception; edge computing; CMIOT; cloud server; NodeMCU

0  引  言

随着城市人口的增加，工作节奏的加快，人们越来越需要一个可以随时随地休息的场所，城市工作人员在午后，只能在桌子上趴着睡觉，既不雅观，也不舒服。在健康生活方式的追求下，共享睡眠舱应运而生。

共享经济模式能够极大地促进社会的进步与资源的有效利用，因此，基于互联网+的共享经济应用迅速发展[1]。共享睡眠舱能够提供24 h在线服务，用户只需扫码付费就能享受到一个高质量的睡眠时光。目前，现有共享睡眠舱并没有相匹配的智能化监控设备，由于共享睡眠舱为封闭式且内部空间狭小，没有一种有效的智能化监控设备，造成管理、安全、卫生上的缺陷。针对以上情况设计一种共享睡眠舱的控制系统，可以实现舱内人体检测，舱内烟雾火灾报警，紫外线杀菌，舱内换气，舱体电磁锁监控，舱体状态指示，通过4G/WiFi技术实现远程监控和计费管理等功能。

1  睡眠舱总体结构设计

共享睡眠舱的整体实现分为三层结构：

1） 物理层完成一组上下两个睡眠舱的检测和控制;

2） 网络层可以通过WiFi信号放大器连接到设备场地WiFi，在场地WiFi信号不好的情况下可以通过工业4G转WiFi流量模块最终链接至后台服务器;

3） 系统层通过云服务器作为后台，保证系统稳定和数据安全。

各层结构如图1所示。

由于目前一些地方政策要求睡眠舱不允许安装在公共场所开放使用，因此，采取与各个公司合作，免费提供给有场地安放且对睡眠休息有需求的公司。共享睡眠舱的安放要求有一定的隐私性且不会对公司办公场地造成影响，一般安放在边角或者独立的小房间里面。这样的放置环境往往WiFi信号不理想，并且为了管理方便全部统一采用WiFi信号放大器，这样可以和4G?WiFi模块采用统一的账号及密码，方便系统设置。

系统设计从用户角度出发，尽量简化流程和提高用户体验。第一次使用者只需要打开微信扫一扫或者安装睡眠舱小程序扫一扫，进行实名制认证注册，实名注册成功后就可以开始扫码使用了。首先扫码打开舱门，按下自动更换床单按键，更换完成后进入舱内，关闭舱门开始休息。休息结束后，在舱内按下开键打开舱门，出舱推动舱门上锁，在手机端点击结束按钮即可完成此次消费。后台检测到本次消费结束后自动控制该舱内紫外线灯，开始1 min杀菌作业。

2  系统硬件结构设计

睡眠舱中控装置的硬件部分采用了双处理器设计，分为主处理器和协处理器，使用的ESP8266?12F与 STM32F103RBT6之间的通信采用基于AT指令的串口通信方式[2]，中控硬件结构如图2所示。

主处理器采用基于ESP8266?12F的NodeMCU，NodeMCU是一个开源的基于lua的固件，用于espressf的ESP8266 WiFi soc，并使用基于模块上闪存的spiffs文件系统。

处理器ESP8266?12F无线模块支持标准的IEEE 802.11b/g/n协议，此外，还集成了包括天线开关、电源管理等硬件单元，不仅能解决单个系统中的网络连接问题，也可以避免节点到服务器通信中任何类型的故障[3]。

ESP8266 WiFi模块总共有17个GPIO管脚，通过给这些管脚配置不同的寄存器，可以给这些管脚分配不一样的功能，每个关键的状态可以设置成三种形式，即内部上拉、内部下拉和高阻态。每个GPIO都可以配置为内部上拉/下拉，或者被设置为高阻。

主处理器主要用来完成一组睡眠舱两个舱体的电磁锁状态检测和通断控制、休息空间主门电磁锁状态检测和通断控制以及舱体内热释电红外人体检测。舱内电磁锁控制开关采用双重开舱保障，常闭触点保证了开关按下电磁锁强制断电开锁，但需要按下开关同时拉开舱门才能进行开舱操作;长开触点经过光电隔离电路进入处理器，当开关按下时给予处理器信号，处理器控制电磁锁继电器断电10 s，方便期间用户进行开舱操作。

HC?SR501传感器是基于红外线技术的自动控制模块，广泛应用于各类自动感应电器设备外部接口领域中[4]。这里用于检测舱内是否有人以及在用户扫码完成并打开舱门检测到有效信号后给电磁锁通电。如果扫碼开门采用延时方式，由于用户动作快慢差距较大，开锁延时短则可能会出现用户未及时开舱门又自动再次上锁;开锁延时长则可能会出现用户进舱后由于电磁锁未供电而无法上锁的不良体验，所以软件设计采用热释电红外检测的方式，保证用户打开舱门后电磁锁才会供电锁舱。

协处理器采用ARM内核的STM32F103RBT6嵌入式处理器。嵌入式技术因其成本低廉且功能强大而广泛应用于物联网生态的各个领域[5]。中控中的协处理器主要完成舱内超重（多人）检测，紫外线杀菌灯控制和无纺布床单的自动更换控制等功能。

睡眠舱的安放都是以一组舱体（两舱）作为最小单元，为了配置灵活，中控模块也采取了相应的配套硬件结构。

3  系统软件设计

系统软件包含中控终端软件设计、微信小程序软件设计和服务器软件设计。

3.1  主处理器软件设计调试

中控终端软件设计中NodeMCU是在C语言中实现的，采用ESPlorer V0.2.0作为编译和下载调试环境，并且是在espressf non?ossdk上分层。基于ESP8266的NodeMCU通过NodeMCU?PyFlasher?2.0加载了sdk 2.2版本固件。

主处理器软件中首先要建立网络链接，模块代码中输入本地链接的WiFi账号、密码和中国移动物联ID。为了系统标准化，系统的WiFi账号和密码进行了统一设置，分别写入代码的ssid和pwd函数中。

config = {wifi = {

ssid = "yskj"，

pwd  = "yskj5151"

}，

clientid = ′19938944′

}

服务器后台在新安置网点需要创建对应的空间，输入空间安装地理位置、名称、计费规则等信息，如图3所示。

每个模块唯一的中移物联ID从系统后台服务器获得后写入模块clinentie函数中，ID在创建舱体时自动生成，如图4所示。一个ID下绑定两个睡眠舱二维码，分别对应一组睡眠舱的上舱和下舱，舱码从服务器后台生成后打印粘贴至对应舱体上供用户扫描使用。

为了现场安装调试方便，主处理器通过定时发送的方式向USB代码下载口输出两组电磁锁体状态和热释电红外传感器状态。安装人员通过界面数据可以快速矫正电磁锁体和热释电传感器的安装方位角度等，查询状态界面如图5所示。

3.2  服务器后台软件设计调试

服务器后台监测软件部分主要完成开舱、结算和保修的命令监听，软件流程如图6所示。

当有用户扫码开舱时，小程序或者APP端将该扫码信息发送至服务器端，服务器收到信息后判断该舱体是否能正常使用，若能使用，则向该舱体中控发送对应舱体的开锁指令，舱体收到指令后执行开舱操作及后续工作。

当有用户结束订单时，同样小程序或者APP端将该舱码结束订单信息发送至服务器端，服务器收到信息后可以从图4后台查询用户是否真正离开舱体并已经上锁，两者都满足的前提下才能顺利结束本次订单消费，防止有消费者作弊。