0 引言

    隨著人們生活水平的提高，對家居智能化提出了更高的要求，越來越注重家居產(chǎn)品的高效、安全和便利。智能家居系統(tǒng)具有高效、便利、快捷、智能化和個性化的特點，在創(chuàng)造安全舒適便利的生活環(huán)境、改善人們的生活質量上起到極大的作用^[1]。而利用HTML5作為智能設備的客戶端，由于其良好的跨平臺性，可以很容易地移植到移動端和電腦端，極大地減少了開發(fā)成本。

    本文提出了利用Websocket技術和Airkiss技術實現(xiàn)遠程控制WiFi智能設備的具體設計。利用Websocket技術，實現(xiàn)了Web平臺上的與服務器端的長連接；利用Airkiss技術實現(xiàn)了WiFi智能設備的快速入網(wǎng)^[2]。通過云計算平臺將HTML5客戶端發(fā)來的控制指令轉發(fā)給WiFi智能設備，實現(xiàn)了對于智能設備的遠程控制，突破了距離對于智能設備控制的影響。

1 技術原理

1.1 Airkiss技術

    智能設備若想具備遠程控制的能力，需要將其WiFi模塊連接入網(wǎng)。如何能讓智能設備簡單快速的入網(wǎng)，是每個智能設備研究領域的一大命題。Airkiss就是一種WiFi設備快速入網(wǎng)配置的技術^[3]。

    WiFi設備以工作站模式運行，接收由手機WiFi發(fā)送并由路由器轉發(fā)出去的所有符合802.11格式數(shù)據(jù)包。802.11有多個信道，APP可確定手機WiFi的發(fā)送信道，這就可以要求WiFi設備在某一時刻內切換信道，使得手機WiFi和WiFi設備在該時刻處于同一信道，以便于接收數(shù)據(jù)包^[4]。802.11物理層協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示。

    DA字段表示目標MAC，SA字段表示源MAC，LLC表示邏輯控制，SNA表示廠商和協(xié)議標識，F(xiàn)CS表示校驗碼。這5個字段雖然沒有加密，但APP層沒有權限修改，所以用Length字段來表示。

1.2 Websocket技術

    Websocket協(xié)議是一種基于一個TCP長連接的、可實現(xiàn)全雙工通信的新一代客戶端與服務器端的一步通信協(xié)議，即客戶端能向服務器端發(fā)送請求數(shù)據(jù)，同時服務器端也可以主動推送數(shù)據(jù)到客戶端。Websoket通信模型如圖2所示。其通信過程是首先客戶端發(fā)送請求頭信息到服務器端^[5]，然后服務器端對請求頭信息進行判斷是否是Websocket請求，如果是，則會發(fā)送一次握手信息到客戶端。僅需這一次握手，客戶端與服務器端之間便建立了連接，兩者之間可互相傳送數(shù)據(jù)了。與HTTP協(xié)議相比，它具有更輕量級的頭信息，減少了大量交互信息和網(wǎng)絡吞吐量，節(jié)省了帶寬，提高了通信效率。

2 系統(tǒng)總體設計

    系統(tǒng)由客戶端、云計算中心、智能硬件設備組成。系統(tǒng)框架如圖3所示。

    客戶端應用于Web平臺，可實現(xiàn)跨平臺使用。通過關注微信公眾賬號，即可實現(xiàn)設備綁定與控制。

    智能硬件的硬件電路包括電源轉換電路、單片機、WiFi電路、指示燈信號電路等部分。智能硬件核心電路原理圖如圖4所示。

    本設計所使用的串口WiFi模塊是內嵌TCP/IP協(xié)議的WiFi模塊，其硬件部分主要由內嵌的一個單片機和WiFi模塊構成，單片機實現(xiàn)邏輯驅動程序和TCP/IP協(xié)議，WiFi模塊則必須完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。嵌入式WiFi模塊對外提供UART串口或者SPI接口。該WiFi模塊型號為ESP8266，由樂鑫科技研發(fā)生產(chǎn)。該微控制器采用3.3 V電壓供電，并連接相應的指示燈電路。例如，電源指示燈用于只是電源連接情況，WiFi指示燈用于智能設備配對時指示W(wǎng)iFi連接情況，透傳連接信號用于指示是否成功連接到服務器。

    云計算中心搭建在阿里云服務器，服務器端程序使用Node.js編寫，用于控制命令轉發(fā)等。其邏輯流程圖如圖5所示。

    服務器端程序一直處于監(jiān)聽端口的狀態(tài)，當接收到數(shù)據(jù)，則解析出數(shù)據(jù)中的MAC地址和設備密碼。接著查詢已成功與服務器建立連接的MAC列表里是否包含該MAC地址，如存在，則將該數(shù)據(jù)轉發(fā)給指定WiFi設備。

3 客戶端設計與實現(xiàn)

3.1 客戶端功能模塊介紹

    HTML5客戶端由三大模塊組成，分別為用戶模塊、設置模塊和控制模塊。其客戶端模塊圖如圖6所示。

    控制模塊是客戶端核心模塊。因客戶端可同時關聯(lián)多個設備，且可同時關聯(lián)多種設備，所以控制模塊編寫需注意設備間的切換。智能插座的控制邏輯包括開關、定時開關、延時開關等邏輯，智能插排的控制邏輯包括切換插口、開關等邏輯，智能彩燈的控制邏輯包括單色閃爍、多色變換、顏色閃播、開發(fā)等邏輯。因每種設備的控制邏輯不同，客戶端交互界面也不同，因此切換設備應重新刷新界面，展示新的控制界面。

    設置模塊核心功能是添加設備。通過Airkiss使智能設備入網(wǎng)之后，該智能設備自動綁定到該HTML5客戶端。此外，也可通過掃描局域網(wǎng)下的所有WiFi設備進行綁定。

    用戶模塊核心功能是取得權限、提交用戶ID至云計算平臺，以保證智能設備能與用戶ID對應綁定?？刂茀?shù)也需要提交用戶的OPEN_ID，該ID是每個用戶獨有的。

3.2 控制模塊結構

    客戶端程序基于MVC模式對客戶端進行設計。控制模塊作為客戶端核心模塊，也采用此框架。

    視圖層View負責加載各種交互界面，如初始用戶引導界面、設備列表界面、單個設備控制界面等。

    控制層Controller層負責監(jiān)聽用戶操作并作出相應反應。

    模型層Model定義了各個功能模塊，包括控制指令的加密解密、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)格式的封裝和解析，以及Websocket通信。其中，指令的加密解密和Websocket通信為核心邏輯。

3.3 傳輸加密解密具體實現(xiàn)

    由于手機客戶端對智能家居的控制是通過AT指令完成，為了通信安全性，需要對發(fā)送的指令進行AES_CBC加密和base64加密，對于服務器返回給客戶端的指令也要進行AES_CBC解密和base64解密。所有命令均以AT開頭，回車換行結束。例如，關閉命令“CONTROLMACAT+CLOSE”，經(jīng)過加密后變?yōu)椤癷JbbLN54qx1osqEx+E50ypNB2eQtFImFHDhGN//gOG2wLriWFaFtycPinlnQU/l8B1mfeRYF99t26R”。

    程序中發(fā)送指令的代碼如下，其中SendData()為自定義函數(shù)，封裝了Websocket邏輯。

    SendData(Encrypt(′CONTROL′+mac+′P′+passWord+′AT+CLTIMESHUT=1?\r\n′))；

    Encrypt()為加密函數(shù)，其內實現(xiàn)如下，其中，內部使用到的CryptoJS為Github上開源JavaScript加密庫。

function Encrypt(word){

    srcs=CryptoJS.enc.Utf8.parse(word)；

    var encrypted = CryptoJS.AES.encrypt(srcs, key, {iv:iv，

      mode:CryptoJS.mode.CBC,padding:CryptoJS.pad.Pkcs7});

    return encrypted.ciphertext.toString().

    toUpperCase();}

3.4 網(wǎng)絡通信功能具體實現(xiàn)

3.4.1 HTTP通信

    JavaScript進行HTTP網(wǎng)絡，是基于xhr對象，也就是XMLHttpRequest對象。幾乎所有主流瀏覽器都內建了XMLHttpRequest對象^[6-7]。用戶更改WiFi智能設備名稱時，需要通過發(fā)起HTTP POST請求，觸發(fā)后端update.php腳本文件修改數(shù)據(jù)庫中相應字段。流程如下：

    (1)創(chuàng)建XMLHttpRequest對象

    xmlhttp = new XMLHttpRequest()；

    (2)構建請求參數(shù)對象

    var url="http://121.40.77.63/smart/php/update.php";

    url=url+"?mac="+mac_[currentIndex];

    url=url+"&openid="+openid;

    url=url+"&note="+note;

    url=url+"&sid="+Math.random();

    (3)發(fā)起POST請求

    xmlhttp.open("POST",url,true);

    xmlhttp.send();

    通過xmlhttp對象的onreadystatechange回調方法即可得知HTTP請求是否成功。

3.4.2 Websocket通信

    WebSocket協(xié)議本質上是一個基于TCP的協(xié)議，WebSocket連接與TCP連接的建立過程類似。使用Websocket與服務器端建立長連接，以控制WiFi智能硬件流程如下：

    (1)創(chuàng)建Socket實例

    var socket = new WebSocket(url, protocols);

    建立Socket連接時，需要填入url地址和相應協(xié)議。

    (2)監(jiān)聽Socket連接狀態(tài)

    socket.onopen = function(event) {

    socket.onmessage = function(event) {};//接收消息

    socket.onclose = function(event) {};//連接斷開

    socket.onerror = function(event) {};//連接失敗

    };

    通過回調方法監(jiān)聽Socket各種連接狀態(tài)，并作出相應處理。如接收到消息時，就應該對消息進行解密處理。

    (3)發(fā)送消息

    socket.send(msg);

    程序中已經(jīng)對消息發(fā)送方法進行了封裝，以保證發(fā)送出去的消息都是經(jīng)過規(guī)范化加密之后的數(shù)據(jù)。

    (4)關閉Socket連接

    socket.close();

    當不再需要Socket連接時，應及時關閉連接，以減少給服務器端帶來的不必要的壓力。

4 實驗及結果分析

    本文已經(jīng)詳細介紹了基于Websocket的智能家居遠程控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。為了檢驗所設計的智能遠程控制系統(tǒng)的可行性及性能，通過搭建實驗開發(fā)平臺進行實驗驗證。

4.1 系統(tǒng)實驗平臺

    系統(tǒng)的測試實驗中硬件設備WiFi模塊采用ESP8266芯片，使用3.3 V電源模塊進行供電。智能手機采用MI-3手機，該手機操作系統(tǒng)為Android OS 4.4.2，處理器為NVIDIA Tegra4，分辨率為1 920×1 080，RAM為2 GB。

4.2 實驗結果

    系統(tǒng)客戶端部分界面如圖7所示。

    分別在網(wǎng)絡環(huán)境良好、一般、極差的情況下利用手機HTML5客戶端對智能設備各功能模塊進行測試，從而達到對網(wǎng)絡穩(wěn)定性及各個功能穩(wěn)定性的檢測。圖8所示為利用手機HTML5客戶端控制WiFi設備的真實場景測試圖。通過智能設備指示燈可以看出HTML5客戶端成功地對WiFi智能設備進行了控制。例如，從圖8(b)可以看出在客戶端按下插排上層開啟按鈕時，由插排的指示燈和插入插排的插座的指示燈可以看出，插排上層插口已經(jīng)成功打開。

5 結論

    本文簡要介紹了基于Websocket的智能家居遠程控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)結合了Airkiss技術和Websocket技術，實現(xiàn)了遠程控制和信息同步。利用Airkiss技術實現(xiàn)了智能設備的快速入網(wǎng)，利用Websocket技術實現(xiàn)了Web平臺與服務器之間建立長連接。同時，HTML5由于其可移植到PC端和移動端，極大地減少了開發(fā)成本。

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作者信息：

單振華，王舒憬，強  杰

（上海大學 機電工程及自動化學院，上海200072）