摘 要

在“互联网 ”潮流的推动发展下，云计算和云储存技术日益成熟，无线连接的规模不断壮大，嵌入式平台的快速发展推动了M2M（机器对机器）技术和它所服务的许多行业的发展，为物联网发展提供了技术支持和广大需求，物联网将进入万物互联发展的新阶段，将会给社会经济和生产生活带来质的飞跃，因此在智能农业、智能家居等重要领域中，人们对于智能远程控制设备的需求越来越大。因此，本文设计开发了基于WiFi协议的智能执行器系统，实现了人们对设备进行远程控制功能。

本论文的主要工作包括：

首先，本文的智能执行器系统是基于 WiFi通讯技术和MQTT通信协议，覆盖范围广，延迟低，功耗低，很大方面节约了开发成本。系统采用ESP8266 SDK开发，加上设计的LED灯电路，继电器电路，初步形成了的智能执行器节点。

然后，搭建阿里云云平台的MQTT服务器，进行Android控制平台的UI设计和功能设计。在连接无线网络或移动网络下，Android 控制平台通过MQTT协议与ESP8266设备节点进行数据交互传输，实现远程控制LED灯亮灭和继电器开关。

最后，对智能执行器系统进行功能测试、性能测试和稳定性测试。最后综合测试结果表明系统控制功能均可实现，经过长时间运行和多次测试，系统正常工作基本无差错，控制LED灯、继电器等模块无异常，证明系统的工作稳定并且性能可靠。

关键词：智能执行器，WiFi，Android，MQTT，ESP8266

Abstract

With the development of the "Internet " trend, cloud computing and cloud storage technologies have become increasingly sophisticated, the scale of wireless connectivity has grown, and the rapid development of embedded platforms has driven M2M (Machine to Machine) technology and the many industries it serves. The development has provided technical support and vast needs for the development of the Internet of Things. The Internet of Things will enter the new phase of the development of the Internet of Everything and will bring a qualitative leap to the social economy, production and life. Therefore, in the important fields of smart agriculture and smart homes, etc. There is an increasing demand for smart remote control devices. Therefore, this paper designs and develops a smart actuator system based on WiFi protocol, which enables people to remotely control the device.

The main work of this paper includes:

First of all, the smart actuator system of this article is based on WiFi communication technology and MQTT communication protocol, which has a wide coverage, low delay, low power consumption, and saves development costs in a big way. The system is developed with ESP8266 SDK, and the designed LED light circuit and relay circuit form an initially formed smart actuator node.

Then, building the MQTT server of Alibaba Cloud Platform to perform UI design and function design of the Android control platform. Under the connection of a wireless network or a mobile network, the Android control platform exchanges data with the ESP8266 device node through the MQTT protocol to achieve remote control of LED light on and off and relay switching.

Finally, functional tests, performance tests, and stability tests are performed on the smart actuator system. Finally, the comprehensive test results show that the system control function can be realized. After long-time operation and multiple tests, the system works normally without errors, and there are no abnormalities in the control of the LED lamps, relays, etc., which proves that the system is stable and reliable.

Key words: Smart Actuator, WiFi, Android, MQTT, ESP8266

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 论文的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文的主要研究内容 4

第2章 系统的设计方案和关键技术 5

2.1 系统的设计概述 5

2.1.1 ESP8266 MQTT客户端工作流程 5

2.1.2 Android MQTT客户端设计流程 6

2.2 WiFi技术 7

2.2.1 WiFi技术概述 7

2.2.2 WiFi技术特点 8

2.3 MQTT协议 8

2.3.1 MQTT简介 8

2.3.2 MQTT特点 9

2.4 Android技术 10

2.4.1 Android系统的架构 10

2.4.2 Android应用开发特色 11

第3章 智能执行器系统的硬件设计 13

3.1 系统的通信方案设计 13

3.1.1 物联网通信协议的简介 13

3.1.2 物联网接入协议方案的选择 14

3.1.3 物联网通讯协议方案的选择 14

3.2 系统的硬件方案设计 15

3.2.1 WiFi模块 15

3.2.2 继电器模块 16

3.2.3 电源模块 18

3.2.4 LED模块 19

第4章 智能执行器系统的软件设计 20

4.1 MQTT协议实现方式 20

4.2 ESP8266 MQTT客户端设计 20

4.2.1 开发环境配置 21

4.2.2 程序的编译和烧录 21

4.3 Android MQTT客户端设计 25

4.3.1 Android开发环境搭建 25

4.3.2 客户端控制界面设计 26

4.3.3 客户端控制功能实现 28

4.4 MQTT服务端设计 31

4.4.1 服务器选择 31

4.4.2 服务器本地搭建 32

4.4.3 阿里云服务器搭建 34

第5章 系统测试与分析 36

5.1系统功能测试 36

5.1.1 网络配置功能测试 36

5.1.2 局域网下功能测试 37

5.1.3 广域网下功能测试 38

5.2 系统性能测试 38

5.3 系统稳定性测试 39

第6章 总结与展望 41

6.1 本文的主要成果 41

6.2 未来研究的展望 41

参考文献 43

附录A ESP8266客户端主程序 45

附录B Android客户端主程序 54

致谢 60

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

在“互联网 ”潮流的推动下，物联网技术得到了不断突破和高速发展，万物互联时代已经到来。“十三五”时期将是我国物联网规划加速步入“跨界融合、集成创新和规模化发展”的新阶段，深度结合我国新型工业化、城镇化、信息化、农业现代化建设，使物联网面临广阔的发展前景。《信息通信行业发展规划物联网分册》中明确提出了物联网的六大重点领域应用示范工程：智能制造、智慧农业、智能家居、智能交通和车联网、智慧医疗和健康养老、智慧节能环保，由此可见物联网已经深入社会生活中的方方面面。

我们现在有能力测量、感知和监控物理世界中几乎任何事物。嵌入式平台和无线连接的快速发展推动了M2M（机器对机器）技术和它所服务的许多行业的发展。到2020年，连接的物理世界设备的数量预计将在500亿的范围内，由无线宽带流量增加1000倍。这些因素正在形成一个重要的产业转移，促进生产生活和社会管理方式进一步向智能化、精细化、网络化方向转变，经济社会发展更加智能、高效。

机器对机器（M2M）解决方案，如工业控制，智能建筑，资产跟踪，交通管制和医疗保健监测，几乎所有行业，企业和日常生活中不可缺少的组成部分。M2M固有的是需要通过传感器、执行器和其他设备将物理世界中的对象连接到监控、控制、业务和消费软件系统中，通常是在受限的无线网络上。无线、嵌入式、互联网和移动技术的进步正在创造各种新的可以感知、控制和连接的对象。

本文旨在钻研基于WiFi协议的智能执行器研究与设计，实现实时网络平台下的智能远程控制系统。智能执行器是一款新兴的智能化产品，它利用WiFi网络建立起与手机的连接，运用MQTT协议进行两者之间的通讯，用户通过手机就可以远程操作指定对象，比如远程打开或者关闭家用电器。因为可以做到随时随地对控制对象的操控，可以使大功率的电器和设备安全启动和断电，同时也可以降低待机功率，达到节能减排、绿色环保的目的。

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