摘 要

本文致力于实现基于阿里云IoT的无线智能烘鞋机的设计与实现，阿里巴巴作为中国通信网络生活等方面的综合性领军公司，本次设计采用其成熟稳定先进的阿里云IoT平台设计模型功能并接入无线烘鞋机设备。阿里云计算平台的网络的通信设备提供一个安全可靠的能力，往下可链接到大量设备和支持设备的数据收集;往上提供API的云端,辅助数据被发送到旁边的设备通过一个API调用,实现远程控制。

无线智能烘鞋机的设计需完成如下工作，掌握熟悉阿里云平台，在云端完成产品的设计随之创建设备，将自动生成的独一无二的三元匙拿在手心。接着使用软件模拟设备进行与平台间的连接，明白SDK连接阿里云的方式，最后使用ESP8266芯片在电脑上编译，烧录，成功制作出实物—无线智能烘鞋机。在阿里云网站上能看到烘鞋机本设备，并且通过发送消息可控制设备运行。

关键词：阿里云；IoT；MQTT；ESP8266

Abstract

This paper is dedicated to the design and implementation of the wireless intelligent shoe dryer based on aliyun IoT. As a comprehensive leading company in China's communication network life and other aspects, alibaba adopts its mature, stable and advanced aliyun IoT platform to design model functions and access to wireless shoe dryer equipment.Ali cloud iot platform provides devices with safe and reliable connection and communication ability, connects massive devices downward, and supports data collection of devices to the cloud;The cloud API is provided upward, and the instruction data is sent to the device side through API calls to realize remote control.

The design of wireless intelligent shoe dryer needs to complete the following work: master the ali cloud platform, complete the product design in the cloud and then create the device, and hold the unique three-yuan key generated automatically in the palm of your hand.Then, I used the software simulation device to connect with the platform, understood the way of SDK connecting ali cloud, and finally compiled and burned the ESP8266 chip on the computer to successfully produce the physical object -- wireless intelligent shoe dryer.The shoe dryer can be seen on aliyun website, and the operation can be controlled by sending messages.

Keywords: aliyun ;IoT ;MQTT；ESP8266

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究综述 2

1.3 主要设计内容 3

1.4 本文结构 4

第2章 阿里云端设计 5

2.1 MQTT协议 5

2.2 创建产品及设备 8

2.3 产品Topic 10

2.4 模拟设备开发 13

第3章 ESP8266设计 18

3.1 简介 18

3.2 AT指令 20

3.3 硬件与性能 21

3.4 硬件设计 23

第4章ESP8266 IDE编译及烧录 25

4.1 ESP8266 IDE编译 25

4.2 ESP系列模组烧录固件 33

4.3模块连接设备 36

第5章 总结 38

参考文献 39

致 谢 40

第1章 绪论

1.1研究的背景及意义

研究目的及意义

互联网已经是一个家喻户晓的科技产物了，虚拟网络的发达促使了更多现实需求，物联网的概念变得越来越清晰，可能是改变未来和改变生活的下一个关键。将网络插入到日常生活的对象中，将努力使网络能够控制物理对象，并将努力使日常生活现代化。[1]

物联网(Internet Of Things)笼络大到射频识别、全球GPS等军工装置，小到家庭开关、智能电器与互联网结合起来，主要是将所有的物品统一连接到网络，方便人们进行识别和管理。阿里巴巴公司推出的阿里云，无疑是走在国内的云服务最前端，云端安全便捷，且接入数据庞大，因此我选定基于阿里云IOT开展研究。物联网(Internet of Things ,IoT)作为一种新兴网络技术和产业模式, 在业界受到广泛关注。[4]

物联网会成为在现实世界中数字化活动的互联网。这是一种开发数字内容和数字内容的方法，和互联网屏幕上的一样。[14]我知道开发物联网的过程正在进行中，正在研究一种新的环境分析模式。物联网必须进入社会和人类的生活，成为像互联网一样常用且必备的生活方式，应用前景十分广阔，未来可期。

鞋子被雨水浸透在路上, 或者鞋内不够热, 湿气无法在九天苦寒的冬天挥发。俗话说“脚是人的根”，潮湿的鞋内会滋生很多细菌，影响到甚至是损害双足的健康。我们的生活基本模式不断完善, 追求更好的生活质量。因此, 烘鞋机的出现，我们不再需要承受难受的脚, 并且对鞋也很好, 显著延长了鞋的寿命。[11]旧的烘鞋机风格有一些问题, 如尺寸过大或不适操作等。生活的各个方面都致力于变得更加智能。在物联网的趋势中, 本文决定与阿里云平台联手设计无线智能烘鞋器。

这种智能制鞋干燥机能在很大程度上解决雨天湿鞋的问题--湿气、异味、变形、冷等问题。手机可以自由操作, 控制烘鞋机的启动, 方便快捷。可以在打开它的时候打开它, 当人们进门的时候就可以打开它。从现在开始, 可以在每一个尴尬的情况下享受到原来的鞋子一样温暖。

在这个设计中, 基于阿里云, 无线智能烘鞋机是推荐的。阿里云平台用于远程控制烘鞋机、管理云中的设备及其通过手机通过打包的应用程序进行操作。

理论的渊源及推进过程

物联网起源于1985年的国外，灵感迸发于Peter T. Lewis的头脑。嗅觉敏锐的比尔·盖茨紧接着在大作《未来之路》里书构思了物联网畅想。这股科技新风刮进1998年的麻省理工学院，他们称之为EPC系统。1999年，AutoID跟进提出互联网新概念之射频识别。权威文案《国际电信联盟2005年互联网报告:物联网》由国际电信联盟(ITU)发布，即打下了物联网时代的地基。

1.2 国内外研究综述

作为物联网革命的最前端代表之美国，位于北美这片科技绿洲的科技顶梁苹果(apple)、博通(broadcom)、英特尔(Intel)、福特(ford)、IBM和通用电气(general electric)等都顺应潮流推出了自己的物联网设备及系统[3]，提供给很多个人和刚起步的企业以加速器基金和风险投资基金中转包。

作为德国本土专攻于移动电源和数据传输系统，制造商Conductix-wampfler积极提供技术帮助，帮助促进一些国家的净化空气实现绿色行动,诸多之一无线充电技术,为街道上越来越多的电车提供无线感应充电技术造福公共大气。[13]

电信公司NTTDoCoMo在日本新开辟的317万物联网用户占有大约一半的市场份额。大约150万用户使用物联网出行交通，每日生活支付，速递物流服务。在高容量物联网通信界内拥有重要话语权的电信运营商KDDI，于交通和物流领域占有100多万用户的市场份额。[8]它的物联网通信服务主攻车内、小型、轻量级和低成本服务。日本物联网市场在已经落后于中国的移动支付、物流交通等领域势头就像早晨七八点钟的太阳般茁壮生长，并带动日本已经饱和的移动市场开拓新的增长领域。

国内有关研究综述

中国的互联网已经形成了一个完整的产业体系，拥有一定程度的技术、工业和应用。在中央高级设计系列和全国各地各种服务的不受限制的努力中，中国的互联网发展取得了非凡的成果。中国互联网行业的规模从2009年的17万美元增加到75万美元的2015年增长率超过25%,全球互联网的应用还在早期发展的东西。互联网在工业上的应用是渐进而深刻的，甚至推动了它在服务公共市场应用的出现。M2M(Machine to Machine)、车辆互联网和智能能源网络是过去两年在世界上开发的主要应用领域。

1.3 主要设计内容

本文研究目标为：学习和掌握阿里云物联网平台，学习设备接入和设备管理，物联网平台大到可支持海量设备连接上云，小到单个设备与云端通过IoT Hub可放心稳定地双向通信。平台提供包括空间数据可视化和流计算在内的数据分析服务。做出无线智能烘鞋机的模型进行仿真，最后实物制作。

1. 阿里云iot平台建立烘鞋机模型可用APP控制

使用物联网平台的第一步是在云端创建产品和对应设备。产品相当于某一类设备的集合，该类设备具有相同的功能，我们可以根据产品批量管理对应设备。凭借阿里云账号登入物联网平台控制台创建产品，为产品定义物模型，创建设备。

设备端SDK由阿里云平台贴心提供，SDK是设备同平台间建立通信的桥梁。在这一步里，使用平台提供的样例程序linkkit-example-solo模拟设备开发，实现设备与物联网平台的通信。本文使用Windows下的C语言SDK，采用MQTT协议。

设备连接物联网平台后，就实现了数据与平台的直连，平台上的数据被HTTP/2通道输送至服务器。在此之中，平台自动配置HTTP/2服务端订阅功能，并为此专设HTTP/2 SDK。服务器可以尽情使用HTTP/2 SDK，掌握设备内情。

在手机上安装阿里云APP，登录同一个阿里云账号，设置后即可用app控制无线智能烘鞋机。

1. 对烘鞋机进行功能设计与实现

作为小型实用家用电器，烘鞋机最基本的功能是烘干，可以认为是一种置于鞋内的小型的温度适宜安全的取暖器，最基础也是最重要的功能是发热。本次设计基于阿里云iot平台实现启动烘鞋机，兼可无线控制定时功能，最后即可用手机app控制开关智能烘鞋机。

图1 烘鞋机设计及功能实现

1.4 本文结构

本文结构如下：

1. 绪论部分，从科学和生活实用方面说明了无线智能烘鞋机的研究目的和意义，叙述了物联网的国内外现状，设计思路结构和本文章节安排；
2. 完成在阿里云端的设计。先从阿里云主力支持的MQTT协议入手，掌握信息建立连接的主要过程，创建无线智能烘鞋机产品及设备，领取设备三元匙，了解产品Topic类和Topic列表；
3. 在实物设计方面选择ESP8266芯片模块。掌握其主要功能及适用方式完成所需硬件功能；
4. 着手编译和烧制芯片，将烘鞋机实体接入电路。联合阿里云端和ESP8266SDK于eclipse里做软件开发，将生成的bin系列文件烧录进ESP模块，成功与阿里云连接后把烘鞋机电源线串入继电器。
5. 总结与心得。概谈烘鞋机设计过程的思路历程，所遇到的困难并附之解决方案，本设计的收获。

第2章 阿里云端设计

2.1 MQTT协议

MQTT (消息队列遥测传输) 是一种支持异步通信所有方面的通信协议, 其基础是创建 TCP/ip 协议库。MQTT 支持双方通过 tcp/ ip 聊天网络进行远程通信。MQTT 定期将接收者和受者分开, 以扩大不确定的安全网。[6]

MQTT是一种更小、更灵活的网络协议，规定为发展工作者找到正确的平衡:

这一轻量级协议将为严重的限制使用硬件以及宽度严重的中断。

它的灵活程度正在增加，使像“系统”设备和服务这样的软件多样化。

MQTT 是IBM发布的一种全称为 Message Queuing Telemetry Transport（消息队列遥测传输）的“轻量级”消息协议，它基于发布/订阅范式。

MQTT可以被视为一种低带宽,占领下的协议中,即时通讯带宽的代码和远程设备连接很少可靠消息服务的实时性能,适用于网络硬件设备和低环境状况,因此,最差的人MQTT(互联网协议的,互联网、小型设备)、应用程序移动应用程序,等等。与更广泛的应用有关。[7]

为了使设备工作，需要连接到internet，以便设备能够相互协作并与后端服务协作。虽然internet的基本网络协议是TCP/IP，但MQTT协议是基于TCP/IP协议栈，因此慢慢成为物联网通信的标准。

MQTT具有以下特点:

1.MQTT是一个发布/订阅传输协议

2.网络连接依赖TCP/IP，具有有序、无损和双向连接特点

3.负载内容屏蔽消息传输

4. 消息发布的服务质量有三种类型

5. 传量小，开销低，固定长度的头为2字节，协议交换最小化，节省网络流量

6. 一种使用Last Will和column特性通知相关方异常客户端中断的机制

Last Will:通知遗言发送给相同主题的其他设备的装置切断了连接。

Testament：遗嘱机制，其功能类似于过去的Last Will

图2.1 MQTT与阿里云的联系

阿里云平台大力推荐使用MQTT协议接入设备，于官网页面只有这一种协议提供。

这种局面也不难预测，在诸多种协议中Mqtt是最适合做物联网平台这种模式的，统一的搭建好的中心服务器，支持多方类型设备组件，特别是为中小企业的研发给予大力技术支持，如果能够进入到阿里的后台数据，其实个人使用阿里云平台的属实算做少数，更多的是企业家庭等大量接入设备类型，实现统一开发管理。

MQTT Client库

MQTT Client 库在多种语言中都有自己独特的表达，这其中包括 Embedded C、C、Java、JavaScript、Python、C 、C#、Go、iOS、Android等语言。

Paho版本的eclipse MQTT库下载地址：

图2.2 MQTT的client库

MQTT报文

图2.3 MQTT报文结构

固定报头

控制报文类型标志位

可变报头

可变报头，Variable header即可以不出现的。顾名思义它在不同类型的报头里，可变的内部是会发生改变的。或许有的MQTT控制报文收录了可变报头部分，许多却截然不同。固定报头和负载之间闪耀着它的王座所在。它的内容贴服报文类型的不同也风云莫测。报文标识符（Packet Identifier）字段镶嵌于多种类型的报文里。[10]

报文标识符字节

图2.4 可变报头标识符字节

2.2 创建产品及设备

1. 注册阿里云

阿里云支多三方，遂以人淘宝账号或机号通阿里云账号，支宝实名验后可开尽也。

1. 开通IoT物联网服务

图2.5 阿里云平台物联网开通

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