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MorSocket：基于物联网的可扩展智能插座系统
摘要
由于物联网(IoT)技术的蓬勃发展，许多智能家居应用已开始商业化。最受欢迎的应用之一是远程控制智能插座。大多数商业智能插座产品允许用户控制单插座。本文提出了一种名为MorSocket(“可扩展智能插座”)的智能插座系统，该系统允许用户控制一个网页中的多个单独的插座。这些插座共享共同的无线通信模块，因此，可扩展插座的硬件成本低于单插座解决方案的硬件成本。此外，通过将多传感器与称为IoTtalk的物联网管理平台集成，可扩展智能插座可以由任意传感器自动控制，以达到控制温度，湿度，紫外线，二氧化碳量等。通过IoTtalk GUI可以灵活轻松地设置此类配置，而无需额外的编程工作。我们还开发了多传感器系统，该系统提供了多个可配置的传感器，这些传感器专门设计通过简单的即插即用来控制可扩展智能插座。然后，我们调查用户在用户按下开/关按钮和下一次按下(如果可扩展智能插座没有响应)之间的用户容忍延迟。如果可扩展智能插座访问延迟长于容忍延迟，则用户体验不佳，并且用户可能会继续按下按钮。我们进行测量，分析建模和模拟实验，以研究用户容忍延迟的影响。我们的研究观察到MorSocket的快速响应，可带来出色的用户体验。
关键字：物联网(IoT)，物联网管理平台(IoTtalk)，多传感器系统，可扩展插座，智能插座，可配置传感器。
介绍
由于物联网(IoT)技术的蓬勃发展，许多智能家居应用已开始商业化。最受欢迎的应用之一是远程控制智能插座，这是将通用家用电器与物联网集成的最简单方法之一。智能插座产品的示例包括小米MI智能插座，MINI智能插座和Wi-Fi智能插座。这些产品大多数都是通过一种无线技术(例如Wi-Fi)控制的不可扩展单路插座。它们中的大多数提供语音控制，并且可能具有闹钟功能来定时开或关插座。这些类型的智能插座无法使用多数量的插座进行扩展。而且，它们不允许多传感器自动控制插槽。在第六节中，我们将详细介绍这些方法并将其与我们的解决方案进行比较。
国立交通大学(NCTU)正在通过智能校园项目计划部署物联网应用程序，其中智能插座将是部署在新的学生宿舍中的应用。此应用称为MorSocket(“可扩展插座”)。与其他商用智能插座产品一样，可扩展智能插座可以由智能手机通过Wi-Fi或蓝牙进行控制。此外，可扩展智能插座允许仅使用一个同时支持Wi-Fi和蓝牙的无线模块来控制多个插槽(在当前实现中，最大数量为30)。本文扩展了可扩展智能插座以便用户可以灵活地通过使用传感器控制智能插座。例如，通过光传感器，可扩展智能插座会根据房间的光强自动打开或关闭。我们利用称为IoTtalk的物联网管理系统来实现上述目标。IoTtalk允许用户轻松灵活地调节任意传感器，以控制连接到可扩展智能插座的家用电器。
图1展示了IoTtalk平台的简化功能框图，该框图由IoTtalk服务器(图1(a))，物联网设备(图1(b)和(c))以及可能的智能手机(图1(d))或台式机/笔记本电脑用作物联网设备网关(图1(e))。IoTtalk服务器与设备应用程序(DA；请参见图1(1)和(2))进行交互以传送/检索物联网数据。具体来说，DA负责将物联网设备连接到IoTtalk服务器。 DA按照物联网设备应用程序(IDA；图1(3)和(4a)/(4b))指定的消息格式与物联网设备通信。IDA设置传感器软件和/或执行器软件，这些软件将在物联网硬件设备中执行。DA与IoTtalk服务器通过有线或无线技术(LTE，NB-IoT或Wi-Fi)建立连接通信进行IDA的注册和数据交换。当物联网设备连接到IoTtalk时，DA启动注册过程，以通知IoTtalk服务器该连接。注册后，识别物联网设备，并由IoTtalk服务器自动创建并执行与该设备相对应的网络应用程序。在当前实施中，IoTtalk服务器为DA提供基于HTTP的RESTful应用编程接口或MQTT应用编程接口来传递物联网数据。
有两种安装DA和IDA的方案。在内部DA场景中，DA和IDA都安装在物联网设备中。图1中未显示该场景。在本文中，我们考虑了存在DA在其中的外部DA场景，例如智能手机(图1(d))或服务器(笔记本电脑或台式机；图1(e))，IDA则位于单独的物联网设备上(图1(b)和(c))。在这种情况下，智能手机中的DA通常使用蓝牙与IDA通信，而服务器中的DA通常使用Wi-Fi与IDA通信。我们注意到，多个插座通过有线连接到主插座来共享同一无线模块。因此，降低了无线通信的硬件成本。在IoTtalk平台中，可以通过智能手机(图1(f))直接控制物联网设备，而无需连接到IoTtalk服务器。该智能手机被视为具有IDA(图1(4a))的物联网设备，它可直接使用蓝牙或通过网关(使用Wi-Fi)间接与另一个IDA(图1(4b))进行交互。
在IoTtalk中，每个设备都定义为一组输入和输出“特征”(DFs)。输入设备特征(IDF)可以是传感器(例如温度，紫外线，湿度等传感器)或控制器(例如按钮)。输出设备特征(ODF)是一种执行器，例如第二部分中所述的MorSocket。每个物联网设备均由两部分组成：输入设备(IDF系列)和/或输出设备(ODF系列)。设备的IDA设置用于将传感器/控制器数据检索到输入设备和传送到输出设备的机制。
在物联网设备的IoTtalk上自动创建/重新使用一个或多个网络应用程序。当物联网设备的IDF产生新数据时，它们将被发送到服务器，相应的网络应用程序将被执行以采取行动，这可能会产生将要发送到相同或其他物联网设备的输出设备的结果。在DA中实现了与IoTtalk服务器的数据交换机制。
借助DA / IDA结构和设备特征的概念，我们有效地模块化了物联网设备的软件组成，并且可以轻松地重用这些组件，从而加快IoTtalk应用程序的物联网设备的创建速度。本文展示了如何在IoTtalk中轻松实现智能插座。本文的结构如下。第二部分介绍了可扩展智能插座体系结构和应用程序设置。第三节和第四节介绍了可重新配置的传感器系统MorSensor，并展示了如何将其用于自动控制可扩展智能插座。第五节进行了测量，分析建模和仿真，以研究用户对可扩展智能插座的控制经验。第六节将可扩展智能插座与以前的方法进行了比较。
可扩展的智能插座体系结构和应用程序设置
在介绍了图1所示的IoTtalk平台之后，本节将介绍可扩展智能插座应用程序的架构。 可扩展智能插座硬件(图1(c))由两部分组成：一个主插槽(图2(a))和几个从插槽(图2(b))。这些插座通过电力线通信(PLC；请参见图2(c))串行级联。在当前的实现中，可扩展智能插座设备可以容纳30个级联的从属插槽。这种可扩展的机制可以将从属插座随意连接到主插座上，也可以将其从主插座上通过PLC卸下，并使用一根有线线路在一个房间的不同位置分配多达30个插座。图2中所示的可扩展智能插座原型专为安装在国立交通大学学生宿舍墙壁上的“电源插座”而设计。此设计是ROC专利。
可扩展智能插座的IoTtalk配置包括四个部分：IoTtalk服务器(图3(a))，可扩展智能插座控制器(图3(b))，插座模块(图3(c))和可扩展智能插座移动应用程序(图3(d))。 可扩展智能插座控制器是位于网络服务器上的DA(图1(2))，插座模块是安装在可扩展智能插座设备中的IDA(图1(4b))的一部分，可扩展智能插座移动应用程序是另一部分安装在智能手机中的IDA(图1(4a))。在当前实现中，控制器和IoTtalk服务器都位于同一硬件上。每个从属插座(图3(1))都映射到插座模块中的设备特征。在每个MorSocket设备中，有30个设备特征分别称为插座1，插座2，hellip;hellip;，插座30。插座应用程序的表存储在控制器的数据库中(图3(2))。插座存储表维护两个字段。别名字段将用户定义的别名(例如，灯，风扇等)存储到设备特征。状态字段存储从属插座的状态。共有三种状态：“ -1”表示该插座未连接到可扩展智能插座系统，“ 0”表示该插座已关闭电源，“ 1”表示该插座已打开电源。
控制器中的消息处理程序(图3(3))执行从IoTtalk服务器或由控制器(图3(5))中的MQTT处理程序从移动应用程序(图3(4))接收的命令。当用新的从属插座硬件模块扩展可扩展智能插座设备时，消息处理程序将在数据库中创建一条记录。该处理程序通过MQTT代理订阅和发布以下主题。具体来说，控制器将“在线可扩展智能插座”列表发布到移动应用。另外，控制器会从移动应用程序订阅“插座打开/关闭”，“插座禁用”和“设置插座别名”命令。
用户负责通过以下步骤将可扩展智能插座设备连接到IoTtalk服务器(请参见图4(a))。
步骤1：用户在智能手机中打开可扩展智能插座移动应用程序的设置页面，以通过蓝牙扫描房间中可用的可扩展智能插座设备。在图4(a)的示例中，找到了三个可扩展智能插座设备。
步骤2：通过MQTT，智能手机从控制器检索可扩展智能插座设备的状态(在线或离线)。如果在步骤1中找到的可扩展智能插座设备已连接到IoTtalk，则状态为在线。否则，状态为离线。
步骤3和4：用户选择一个Wi-Fi AP并输入其密码以连接离线可扩展智能插座设备。
第5步：当用户按下“保存”按钮时，智能手机会将所选AP的信息发送到离线可扩展智能插座设备。
将可扩展智能插座设备连接到AP之后，控制器可以与插座模块(即主插座)进行交互以读取状态或打开/关闭从属插座。用户可以通过两条路径从智能手机控制可扩展智能插座设备：
路径1：当智能手机位于可扩展智能插座设备的蓝牙范围内时，它们可以通过GATT蓝牙链接直接进行交互(图3中的(4)harr;(6))。
路径2：当智能手机远离可扩展智能插座设备且无法通过蓝牙连接时，它们通过MQTT和TCP链接进行交互(即，图3中的(4)harr;(5)harr;(3)harr;(6))。
对于路径1和路径2，移动应用程序的控制页面(图4(b))用于通过以下用户界面(UIs)控制插座：
界面6：供用户选择可扩展智能插座设备的下拉菜单通过其MAC地址(或别名)。在我们的示例中，所选的MAC地址为F728DC9DD4FA。
界面7：用户在可扩展智能插座设备中禁用/启用从属插座的按钮。
界面 8：标签显示从属插座的索引。
界面9：用户用于打开/关闭插座界面的开关按钮。
界面10 ：下拉列表供用户指定插座别名。列出了几种流行的家用电器供选择。用户还可以将新名称添加到列表中。该下拉列表提供了插座与所连接的家用电器之间的映射，因此用户不会意外按下错误的按钮。
从上面的描述中，很明显，房主可以通过移动应用程序轻松设置可扩展智能插座。步骤1、3、4和5一次执行，以使可扩展智能插座设备加入智能插座应用程序。请注意，用户在步骤2上不执行任何操作。如果房间中只有一个Wi-Fi AP，并且之前没有智能手机连接到该AP，则将跳过步骤3和4。每当将家用电器插入插座时，只需使用控制页面中的界面10即可指定用于插座控制的开关。然后，他/她使用界面9来控制家用电器。请注意，在我们的设计中，多个智能手机可以同时控制插座。
可扩展智能插座模块和芯片
假设我们通过界面10将风扇，除湿机和照明灯连接到可扩展智能插座模块的插槽7、8和14。完成这些步骤后，移动应用程序(智能手机)可以通过路径1在本地控制插座，也可以通过路径2远程控制插座。或者，我们可以通过传感器控制插座。IoTtalk可通过路径3轻松建立这种控制，其中智能手机以外的传感器可以通过IoTtalk服务器通过包括HTTP链接(图3中的(a)harr;(3))和TCP链接(图3中的(3)harr;(6))与可扩展智能插座设备进行交互。
我们将在第四节中详细说明路径3的设置方法。在本节中，我们描述用于控制可扩展智能插座的传感器。由于传感器的可用性增加，许多消费电子设备已使用传感器来识别环境。这些传感器提供信息以自动控制可扩展智能插座。黄等人提出了一种称为多元传感器的模块化无线传感器平台。该传感器平台由三个单元组成，包括电源(图5(1))，处理器(图5(2))和传感器(图5(3))。单元中的模块包装成方形。电源单元中的电源和NFC模块显示为红色(图6(1))，处理单元中的MCU模块显示为橙色(图6(2))，无线通信处理单元中的模块染成黄色，传感单元中的模拟传感器模块染成蓝色，传感单元中的数字传感器模块染成绿色(图6(3))。在此模块化平台中，用户可以任意组合不同的模块以创建唯一的传感器立方体(图6(4))。多元传感器通过蓝牙通信模块连接到智能手机，或通过Wi-Fi通信模块连接到Wi-Fi AP。
基于可扩展智能插座架构，我们开发了移动多元传感器，这是一种可以物理连接到主机(通常是智能手机，台式机或笔记本电脑)的商业产品。如图7所示，移动多元传感器的形状看起来像一块芯片的一半，在本文中我们将其称为“ 多元传感器芯片”。从图5到图8展示了多元传感器芯片增强并简化了多元传感器架构。特别是，多元传感器芯片利用了与Transcend和PhotoFAST类似的便携式磁盘驱动器概念来提供NAND闪存并支持通信接口。通过微型USB，苹果闪电连接器或C型连接器，多元传感器芯片由主机供电，并与运行iOS，Android，Linux，Mac OS或Windows OS的主机通信。多元传感器芯片继承自多元传感器模块，其拥有I2C，SPI，ADC，UART和PWM等用于集成多功能传感器的多感测接口。多元传感器芯片能够在低功耗模式下运行，以节省系统功耗。在[3]中给出了多元传感器模块的详细信息，在多元传感器中描述了[6]和IoTtalk的集成。在本文中，我们重点研究多元传感器芯片。
多元传感器芯片由主机接口单元(图8(1))，控制单元(图8(2))和传感器单元(图8(3))组成。主机接口支持通信接口(例如，图7中的Apple和Android连接器)。控制单元可以是负责数据处理和通信的MCU或FPGA。传感器单元通
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