基于蓝牙Mesh 技术的酒店客房控制系统设计

贺永健，张爱军，宋高顺

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094；2.北京机械设备研究所 北京 100076）

随着社会经济的进步，以人为本的生活类服务型行业的需求与日俱增，而酒店服务作为其中的重要组成部分，急需新兴技术的研发投入，以实现客房控制系统[1]的智能化。

传统的客房控制系统多采用RS485 总线[2]、CAN总线[3]和Zigbee[4]等通信方式实现客房内设备的控制，其中RS485 总线和CAN 总线通信具有施工成本大、可扩展性差等特点；Zigbee 通信虽然组网稳定，但搭载设备少，生态系统小，不利于客房控制系统的功能扩展。

针对上述问题，采用蓝牙Mesh 技术设计了一种智能酒店客房控制系统。该系统选用ESP32 系列芯片作为硬件控制平台，对内使用蓝牙Mesh 技术通信[5-7]实现客房内设备的组网接入；对外通过MQTT 协议[8]传输数据，实现云平台和客户端之间的信息交互；同时通过微信小程序的界面设计，极大地便利了房客对客房内设备的远程控制。整个系统的搭建成本较低、简单实用，便于功能扩展。

1 系统硬件设计

智能酒店客房控制系统以无线通信为主要技术手段，通过对无线网络通信的设计，完成客房内各设备的智能控制。系统采用蓝牙Mesh 无线网络技术对酒店客房内各设备进行组网通信设计，该方案客房控制系统主要由蓝牙Mesh 网关节点、蓝牙Mesh子节点、阿里云物联网平台和手机微信小程序四部分组成，其总体设计方案如图1 所示。

图1 总体设计方案

1.1 网关节点设计

系统对客房内各个子节点的配网、配置、数据上传、控制命令下发及客房通断电等工作由网关节点来完成；网关节点与各个子节点间采用蓝牙通信，使用蓝牙Mesh 技术构建一种泛洪网络；网关节点与云平台采用WiFi 通信，通过MQTT 协议来订阅和发布消息[9]。

网关节点采用ESP32S3 芯片作为处理器，该芯片支持2.4 GHz WiFi 和Bluetooth 4(LE)技术，搭载Xtensa® 32 位LX7 双核处理器，主频高达240 MHz，内置512 kB SRAM，支持更大容量的高速Octal SPI flash 和片外RAM，具有丰富的通信接口。网关节点硬件结构如图2 所示。

图2 网关节点硬件结构

1.2 各功能子节点设计

1）灯、开关节点均选用ESP32C3 芯片作为微处理器，其中灯节点通过的I/O 端口输出高低电平来控制继电器开闭，进而控制220 V 用电回路，同时控制照明灯设备工作[10]；而开关节点则通过检测多个I/O 端口输入电平来控制发送灯光亮灭控制的命令数据。

2）红外发射节点由YK-003 红外发射模块和ESP32C3 通信模块组成，负责接收空调工作指令，继而通过串口通信控制红外发射模块发射红外信号，实现空调控制工作，硬件结构如图3 所示。

图3 空调红外发射节点硬件结构

3）人体存在监测节点由R24DVD1 型号24 GHz毫米波雷达模块和ESP32C3 通信模块组成，硬件结构如图4 所示。该节点的主要功能是监测客房内人员活动状态，判断室内有无人员存在。

图4 人体存在监测节点硬件结构

4）环境信息采集节点：主要集成有SHTC3 温湿度传感器、APM10 颗粒物传感器、ZE08-CH2O 甲醛传感器、MG812 二氧化碳传感器、MQ2 烟雾传感器及ESP32C3 微控制器，用于室内环境数据采集和处理[11]。硬件结构如图5 所示。

图5 环境信息采集节点硬件结构

2 系统软件设计

2.1 蓝牙Mesh组网程序设计

蓝牙Mesh 技术是基于低功耗蓝牙广播报文来实现的，采用洪泛机制进行信息传递。系统客房内各节点在通信过程中采用消息订阅的方式，通过订阅不同的组播地址，实现设备的分组控制。

蓝牙Mesh 网络[12-13]中包括配网器和节点两种设备成分，其中配网器负责未入网设备的配网工作，新设备通过配网加入蓝牙Mesh 网络中成为入网节点。在系统中，网关节点[14]被设计为配网器，其他子节点设备设计为入网节点。在网关节点完成初始化工作后，等待其他子节点设备上电，通过匹配子节点设备的唯一标识特征值，控制子节点设备加入该客房的蓝牙Mesh 网络；之后，网关节点对入网节点进行应用密钥的分发、元素模型的应用密钥绑定和组播地址的添加等配置工作，最终完成蓝牙Mesh 的组网工作，配网过程如图6 所示。

图6 节点配网过程

2.2 网关节点工作程序设计

系统中，网关节点负责客房内外的通信协议转换，对内采用蓝牙Mesh 技术与客房内其他设备通信，对外采用WiFi通信实现数据收发远程控制。

具体网关节点工作实现流程如图7 所示，网关节点在完成WiFi初始化后，判断芯片Flash 内部是否保存有WiFi 热点和密码信息，如果已保存，则直接入网；否则smartConfig 任务开始配网工作。在网络连接成功后，开始执行MQTT 连接、蓝牙Mesh 组网和协议转换等任务。各节点之间的蓝牙Mesh 网络搭建成功后，网关节点可以接收来自子节点设备的数据，同时通过MQTT 协议上传到物联网平台中，并转发至微信小程序；微信小程序同样采用MQTT 协议发送用户操作命令至物联网平台，而后转发至网关节点，此时协议转换任务负责解析处理，并发送不同指令，控制客房内各设备正常工作。

图7 网关节点工作流程

在整个系统的MQTT 传输实现过程中，物联网平台作为代理服务器，网关节点和微信小程序都为客户端；通过订阅和发布相关主题，实现数据通信。其中，网关节点订阅灯光控制和空调控制相关主题，并向环境信息的主题发布数据；微信小程序则订阅环境信息发布主题，以及向灯光控制和空调控制相关主题发布数据。MQTT 传输的相关主题和数据格式如表1 所示。

表1 MQTT主题和数据格式

2.3 上位机软件设计

系统使用阿里云物联网平台作为云平台[15-16]，采用MQTT 协议进行数据信息交互。在平台上完成产品和设备创建，并将得到的产品密钥、设备名称和设备密钥与软件开发包绑定，同时设置好规则引擎，从而实现设备与云平台之间的数据信息传输。

微信小程序使用微信开发者工具进行开发，主要进行灯光控制、空调控制和室内信息等界面设计，通过在MQTT 传输中订阅和发布主题，实现远程控制。

3 系统测试

系统是基于蓝牙Mesh 技术搭建的通信网络，因此首先需要验证和确保蓝牙Mesh 网络的稳定性，系统测试实验设置传输延时、丢包率来反映系统的蓝牙Mesh 通信数据传输控制功能。平均端到端延迟是指数据包从源节点传输到目的节点所花费的时间；丢包率是指通信测试中所丢失数据包数量占所发送数据包数量的比率，计算公式如下：

式中，D为平均端到端延迟，i为数据包标识符，Tri接收时间，TSi为发送时间，n为成功交付的数据包数量。

式中，ηloss为丢包率，Nsend为发送数据包数量，Nreceive为接收到数据包数量。

在常温常压室内进行系统测试，物联网平台选用阿里云物联网平台，使用微信小程序进行真机模拟调试。硬件系统上构建的蓝牙Mesh 网络中包含一个网关节点设备和四个子节点设备，其中网关节点和一个子节点设备分别连接一台笔记本电脑，通过串口打印调试信息；其余三个子节点设备采用移动电源供电，随机布置于室内。从网关节点向其中一个子节点设备以3 s 为间隔发送四组200 个左右大小分别为5 字节、8 字节、10 字节和16 字节的上传输层PDU 有效载荷数据，测试节点间数据传输的丢包率，其中前两组以单包形式发送，后两组以分两包形式发送，测试结果如表2所示。

表2 系统通信丢包率统计

在测试数据中每组选取20 个通信成功的数据来统计节点间单跳通信延迟时间，结果如图8 所示。最后对微信小程序界面功能进行验证，测试MQTT 通信功能是否正常，微信小程序中室内信息状态显示如图9 所示。

图8 蓝牙Mesh通信延时测试

图9 微信小程序显示图

根据表2 和图8 的测试结果可知，单次通信的分包发送相比于单包发送，通信延时和丢包率都会增加。在单包发送测试中，测试节点通信质量良好，5 字节的传输延时在22 ms 左右，成功率为99%。在分包发送时出现一定丢包，但对整体通信质量影响不大，16 字节的成功率约为89.5%，传输延时为250 ms 左右。如图9 所示，微信小程序正常获取到人体存在监测节点和环境信息采集节点采集到的参数，网关节点的通信功能正常。总体而言，系统的数据传输测试总体效果良好，测试结果在预期范围内，并且对于以开关量控制居多的酒店客房控制，系统能够满足要求。

4 结论

该文设计了基于蓝牙Mesh 技术的酒店客房控制系统，利用蓝牙Mesh 技术完成整个客房内各设备的智能组网工作，并且在网关节点上实现了客房内外的数据信息传输；利用微信小程序实现手机端的远程操作，有效改进了传统酒店客房系统，实现了客房内设备的智能化控制；同时具有改造成本低、功能易扩展和施工难度小等特点。