鄭希1,2，王一甲3，周金治1,2
?。?．西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010; 2．特殊環(huán)境機(jī)器人四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；3.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039）
摘要：傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)多以ZigBee無(wú)線技術(shù)組網(wǎng)，家庭網(wǎng)關(guān)做為控制中心接入家庭網(wǎng)絡(luò)，以網(wǎng)頁(yè)來(lái)控制網(wǎng)關(guān)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)命令給設(shè)備進(jìn)行控制，所有家電設(shè)備無(wú)法獨(dú)立工作。針對(duì)此不足，提出一種連接簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展、適用于家庭應(yīng)用的家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)以手機(jī)為控制終端，以WiFi為通信手段，去除家庭網(wǎng)關(guān)，直接對(duì)家中設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)使用靈活方便，穩(wěn)定性強(qiáng)，易于擴(kuò)展升級(jí)，用戶體驗(yàn)較好。
關(guān)鍵詞：智能家居；CC3200；iOS；WiFi
0引言
*基金項(xiàng)目：特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（13ZXTK07）；西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（15ycx120）隨著整個(gè)社會(huì)信息化的加速及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居迎來(lái)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)，越來(lái)越多的智能電器走入人們的生活，讓人們體驗(yàn)到一種更加便利、安全、高效的家居生活。
傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)通常由三部分組成：家庭局域網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)、外網(wǎng)。家庭局域網(wǎng)由ZigBee或者其他射頻網(wǎng)絡(luò)連接各家用設(shè)備、智能開(kāi)關(guān)、傳感器等，為網(wǎng)關(guān)提供控制信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信息。家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)全局控制和與外網(wǎng)的通信。用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者客戶端來(lái)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信并實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備的控制。這種智能家居系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，依然沒(méi)有在市場(chǎng)上有很好的應(yīng)用，可能的原因有以下幾個(gè)方面：
(1)ZigBee技術(shù)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)難度較大，同時(shí)其與手機(jī)電腦等智能設(shè)備不兼容。
(2)必須借助家庭網(wǎng)關(guān)工作，使用范圍受限。
(3)設(shè)備入網(wǎng)安裝復(fù)雜，需要專業(yè)工程人員。
(4)通常采用網(wǎng)頁(yè)或者電腦客戶端進(jìn)行控制，無(wú)法隨時(shí)隨地使用，用戶體驗(yàn)較差。
WiFi技術(shù)因其功率較高、網(wǎng)絡(luò)容量較少而在智能家居領(lǐng)域一直沒(méi)有廣泛的使用。但隨著技術(shù)的發(fā)展，眾多廠家推出了低功耗的WiFi芯片。同時(shí)，IEEE即將發(fā)布針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的802.11ah標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率使用1 GHz以下的免許可頻段［1］。具有覆蓋面更大，支持更多用戶、更低功耗的特點(diǎn)，使WiFi在智能家居中有更廣泛的應(yīng)用。
如今智能手機(jī)的普及率越來(lái)越高，功能的日益強(qiáng)大，同時(shí)伴隨手機(jī)4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，手機(jī)逐漸成為人們隨身的信息中心。因此，手機(jī)作為智能家居控制中心將成為智能家居發(fā)展的趨勢(shì)。本文提出一種以iPhone手機(jī)為控制中心，以WiFi為家庭組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)。
1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
基于WiFi的智能家居系統(tǒng)主要包括家電設(shè)備控制端和iOS客戶端。用戶通過(guò)iOS客戶端交互，實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備入網(wǎng)與控制操作。家電設(shè)備直接由無(wú)線路由器接入到家庭網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)接收來(lái)自手機(jī)客戶端的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，解析出控制命令，完成相應(yīng)的控制操作。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
2智能家電控制端設(shè)計(jì)
圖3控制端工作流程本系統(tǒng)的智能家電由控制端接收手機(jī)端的指令來(lái)控制家電功能，總體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示?？刂贫撕诵牟捎妹绹?guó)德州儀器(TI)公司基于ARM CortexM4內(nèi)核的CC3200微控制器［2］。CC3200工作在80 MHz主頻下，具有快速并行攝像頭接口、I2S、SD/MMC、UART、SPI、I2C、ADC等外設(shè)。芯片內(nèi)部包含專用的WiFi模塊，可以減輕MCU的負(fù)擔(dān)，支持802.11.b/g/n射頻和嵌入式TCP/IP、TLS/SS堆棧以及多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，支持高級(jí)低功耗模式，滿足省電需求。外部串行閃存保存程序及外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)內(nèi)部Flash中的引導(dǎo)加載程序(bootloader)將外部Flash中的程序載入到芯片內(nèi)部的SRAM中運(yùn)行。傳感器模塊將外部環(huán)境參數(shù)傳入控制端，供MCU處理?？刂贫耸盏绞謾C(jī)指令后，通過(guò)I/O口與家電產(chǎn)品連接并進(jìn)行相應(yīng)控制，完成各種不同的功能。
控制端軟件工作流程如圖3所示。系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，抓取UDP包配置入網(wǎng)，若配置不成功則進(jìn)入休眠模式等待復(fù)位重新啟動(dòng)系統(tǒng)。配置成功后，開(kāi)啟HTTP服務(wù)，監(jiān)聽(tīng)HTTP請(qǐng)求并執(zhí)行相應(yīng)的操作。
3iOS客戶端軟件設(shè)計(jì)
iOS客戶端程序主要分為三大模塊：人機(jī)交互模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。人機(jī)交互模塊的工作是將人的行為轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)交給其他模塊，并在UI界面上做出相應(yīng)反應(yīng)來(lái)體現(xiàn)人的這個(gè)行為；網(wǎng)絡(luò)通信模塊與智能家電、云服務(wù)器建立相應(yīng)的連接，并通過(guò)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)人機(jī)交互模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理。
手機(jī)客戶端工作流程如圖4。
4網(wǎng)絡(luò)通信
系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信主要包括兩個(gè)部分，一部分是配置控制端接入網(wǎng)絡(luò)，另一部分是手機(jī)與控制端的網(wǎng)絡(luò)通信。
4.1配置控制端入網(wǎng)
家電設(shè)備要與手機(jī)通信，首先要接入家庭中的WiFi網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的WiFi設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程分為三步：（1）WiFi設(shè)備工作在熱點(diǎn)模式，手機(jī)WiFi連接此熱點(diǎn)；（2）手機(jī)將家中路由器的SSID和密碼發(fā)送給熱點(diǎn)；（3）WiFi設(shè)備切換工作模式到終端模式，利用接收到的信息連接到家庭中的路由器。這種方法操作復(fù)雜，手機(jī)需要切換不同的WiFi熱點(diǎn)，用戶體驗(yàn)較差。
對(duì)此，本文采用一種基于CC3200一鍵入網(wǎng)的方法，手機(jī)接入到家中的WiFi網(wǎng)絡(luò)，家電設(shè)備上電后，手機(jī)打開(kāi)客戶端，在配置頁(yè)面可以自動(dòng)獲取路由器的SSID，用戶只需輸入WiFi密碼和自定義設(shè)備名，然后點(diǎn)擊配置按鈕，就可以自動(dòng)完成設(shè)備的入網(wǎng)，同時(shí)獲取到家電設(shè)備的IP地址。其工作過(guò)程分為以下四步：
（1）控制端上電后，掃描所有WiFi熱點(diǎn)的channel，然后配置芯片工作在掃描到的某個(gè)channel上接收UDP包，如果沒(méi)有接收到UDP包則繼續(xù)配置芯片工作在掃描到的另一個(gè)channel上。如此循環(huán)直到收到UDP包為止。
?。?）手機(jī)端將無(wú)線SSID和密碼進(jìn)行編碼，打包到UDP包頭的長(zhǎng)度字節(jié)中，然后重復(fù)廣播UDP包，持續(xù)1 min。同時(shí)，啟用基于mDNS協(xié)議的Bonjour服務(wù)向本地網(wǎng)絡(luò)廣播消息，提問(wèn)由誰(shuí)提供“l(fā)ocal._http,_tcp”服務(wù)，并等待回復(fù)。
?。?）由于UDP包的幀格式中，數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度是明文可見(jiàn)的，控制端收到UDP包，根據(jù)設(shè)定好的編碼，解析出相應(yīng)的信息，接入到家中的WiFi網(wǎng)絡(luò)。
?。?）控制端接入網(wǎng)絡(luò)后，收到UDP廣播消息，回復(fù)自己的設(shè)備名和IP地址。手機(jī)接收回復(fù)的消息并處理，完成入網(wǎng)配置。
4.2UDP廣播包編碼
UDP協(xié)議是一種無(wú)連接、不可靠的傳輸層協(xié)議，其數(shù)據(jù)報(bào)文格式包括UDP頭部和數(shù)據(jù)［3］。UDP數(shù)據(jù)報(bào)文頭部沒(méi)有加密可以被截取下來(lái)，由源端口、目的端口、包長(zhǎng)度和檢驗(yàn)和共4個(gè)字段組成，每個(gè)字段2個(gè)字節(jié)。
將SSID和密碼轉(zhuǎn)換成一系列的分隔符、tag、高位、低位等值，然后做為數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度發(fā)送出去。以SSID的值為“MYAP”為例，展示如何將SSID分割成高低位。如表1所示。
然后通過(guò)高位和低位生成兩個(gè)帶有序列號(hào)的值2i和2i+1。生成規(guī)則如表2所示。通過(guò)這種規(guī)則，由2個(gè)字符的SSID“MYAP”將可得到8個(gè)值，如表3。
密碼按照同樣的規(guī)則進(jìn)行編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)按照以下格式作為UDP數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度循環(huán)發(fā)送出去：分隔符-SSIDTag-分隔符-SSID length+28-分隔符-Seq0-分隔符-Seq1-分隔符-密碼Tag-密碼length+28-…。具體數(shù)據(jù)：3 1099 3 32 3 597 3 686 3 840 3 666 3 805 3 610 3 710 3 593 3 1199 3 …。
控制端抓取到UDP包，讀取包長(zhǎng)度，根據(jù)規(guī)則進(jìn)行判別，識(shí)別完后按收到的SSID和密碼信息登錄家庭WiFi網(wǎng)絡(luò)。
5結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)在完成設(shè)計(jì)后，經(jīng)測(cè)試可以通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的無(wú)線控制，配置設(shè)備入網(wǎng)方便，HTTP請(qǐng)求穩(wěn)定可靠。通過(guò)本系統(tǒng)可對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行集中管理，了解當(dāng)前家居設(shè)備的最新運(yùn)行狀態(tài)。
本控制系統(tǒng)通過(guò)智能手機(jī)直接控制家居設(shè)備，省去家庭網(wǎng)關(guān)的中間管理，采用WiFi傳輸技術(shù)使設(shè)備兼容性更好。由于手機(jī)軟件的通用性和家居設(shè)備的獨(dú)立性，同時(shí)硬件簡(jiǎn)單易用，便于移植和擴(kuò)展，使本系統(tǒng)具有較高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。
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