摘 要：針對(duì)目前智能窗戶(hù)發(fā)展不夠成熟以及產(chǎn)品成本過(guò)高的問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)光纖以太網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)迅猛發(fā)展、無(wú)線局域網(wǎng)普及的背景下，開(kāi)發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)智能窗戶(hù)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用arduino控制芯片以及各種傳感器芯片組建智能窗戶(hù)，并通過(guò) ESP8266WIFI芯片接入互聯(lián)網(wǎng);利用偽造序列號(hào)的方式完成TCP協(xié)議的NAT穿越，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端到智能窗戶(hù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接;通過(guò)云虛擬主機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能窗戶(hù)的管理。該智能窗戶(hù)系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程控制，智能安防等功能，滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)智能生活的要求。

　　關(guān)鍵詞：智能家居;P2P連接;物聯(lián)網(wǎng);遠(yuǎn)程監(jiān)控

　　0 引言

　　目前智能家居領(lǐng)域發(fā)展火熱，智能窗戶(hù)的出現(xiàn)滿(mǎn)足了人們對(duì)智能生活的要求。智能窗戶(hù)種類(lèi)很多，但是現(xiàn)有智能窗戶(hù)大多數(shù)僅僅是本地智能，即根據(jù)環(huán)境溫度的變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)。只有少數(shù)智能窗戶(hù)具備遠(yuǎn)程控制的功能，但也都是利用了移動(dòng)通訊 GSM 模塊，這種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，而且根本不具備實(shí)時(shí)性[2] 。綜上所述，現(xiàn)有智能窗戶(hù)主要有以下幾點(diǎn)不足：①數(shù)據(jù)傳輸量很小，不具備實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能;②不具備智能安防的功能;③窗體驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)不好，導(dǎo)致只能用較高電壓驅(qū)動(dòng)窗體，存在較大的安全隱患。為了克服這些不足，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種操作簡(jiǎn)單，具備智能安防與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的新一代智能窗戶(hù)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 需求分析從整體來(lái)看，智能窗戶(hù)系統(tǒng)應(yīng)劃分為兩個(gè)部分：遠(yuǎn)程通訊部分和本地智能部分，如圖1所示。其中，遠(yuǎn)程通訊部分負(fù)責(zé)手機(jī)客戶(hù)端到智能窗戶(hù)的通訊，并且負(fù)責(zé)將環(huán)境數(shù)值以及窗戶(hù)的狀態(tài)發(fā)送到手機(jī)的客戶(hù)端上。本地智能部分負(fù)責(zé)檢測(cè)各種環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先的設(shè)定，進(jìn)行窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)控制[4] 。

　　1.2 技術(shù)分析

　　1.2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制分析小到可穿戴設(shè)備，大到智能家居，交通工具等。未來(lái)智能設(shè)備的數(shù)量將是數(shù)以?xún)|計(jì)的。在本設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于智能窗戶(hù)的 SD 卡中，而不必上傳到服務(wù)器，數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)緩解了服務(wù)器硬盤(pán)的壓力。另外，由于我們平時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備絕大部分都處于NAT防火墻之后，外網(wǎng)中的設(shè)備無(wú)法直接訪問(wèn)局域網(wǎng)內(nèi)的終端。傳統(tǒng)解決方案是通過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。但是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)目龐大，服務(wù)器將無(wú)法承受巨大的轉(zhuǎn)發(fā)壓力。而且中央服務(wù)器使得網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量集中到一點(diǎn)，不能夠充分利用空閑的線路[3] 。本設(shè)計(jì)利用集中式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，在不需要服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的情況下就能將手機(jī)連接到智能窗戶(hù)。

　　1.2.2 NAT穿越分析如圖2所示，本設(shè)計(jì)通過(guò)偽造序列號(hào)的方式完成 TCP協(xié)議的NAT穿越。

　　Phone 向 MiddleServer 建 立 TCP 請(qǐng) 求 連 接 ， MiddleServer獲得host_p_addr和host_p_port映射后的 nat_p_addr和nat_p_port的信息，并通告給Window。 Phone第二次發(fā)起TCP請(qǐng)求時(shí)，設(shè)定TTL值，使得數(shù)據(jù)包剛好到達(dá) NATA ，Phone 抓包獲得剛發(fā)出的 TCP 序列號(hào)，通過(guò) UDP 協(xié)議直接通告給 Window， Window 便可以偽造一個(gè) TCP SYN 包，其中源地址： nat_p_addr，端 口 號(hào) ：nat_p_port，目 標(biāo) 地 址 ： host_w_addr，端口號(hào)：host_w_port。Window收到自己偽造的TCP包，于是產(chǎn)生了一個(gè)SYN_ACK的包。 NATB 為建立一個(gè)映射后轉(zhuǎn)發(fā)該包。NATA收到后，將該數(shù)據(jù)包的目的地址改為host_p_addr，目標(biāo)端口號(hào)改為host_p_port并轉(zhuǎn)發(fā)。Phone收到轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包后，如符合SYN的確認(rèn)要求，就會(huì)再次發(fā)送SYN_ACK，作為第三次握手返回出去。至此 NATA 和 NATB 建立了映射表，Phone 和 Window之間能夠直接通信[1] 。

　　2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　服務(wù)器端系統(tǒng)采用 hibernate 和 spring 框架開(kāi)發(fā)，利用了mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建在tomcat上。

　　2.1 功能描述

　　2.1.1 注冊(cè)與登錄模塊模塊功能：用戶(hù)在服務(wù)器注冊(cè)并登錄賬戶(hù)，綁定智能窗戶(hù)，便于對(duì)智能窗戶(hù)的管理。同時(shí)方便以后再添加和管理設(shè)備。用戶(hù)打開(kāi)手機(jī)客戶(hù)端，進(jìn)入登錄頁(yè)面。如果沒(méi)有帳號(hào)則選擇注冊(cè)�？蛻�(hù)端將用戶(hù)登錄信息提交到服務(wù)器，Tomcat 收到 Post 請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 LoginServlet處理。LoginServlet對(duì)數(shù)據(jù)做初步驗(yàn)證，檢查用戶(hù)名密碼是否合法，之后將數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)JavaBean 對(duì)象，轉(zhuǎn)發(fā)給業(yè)務(wù)邏輯層處理。業(yè)務(wù)邏輯層Service通過(guò)Dao對(duì)象中封裝的函數(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，如果數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有賬戶(hù)信息，則拋出異常信息：登錄失敗，上層的 LoginServlet 捕獲到異常信息后，頁(yè)面跳回到登錄狀態(tài)。反之，如果存在賬戶(hù)則登陸成功，跳轉(zhuǎn)到智能窗戶(hù)控制頁(yè)面[8] 。同樣，注冊(cè)頁(yè)面通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)檢驗(yàn)賬戶(hù)是否存在，若賬戶(hù)合法則將賬戶(hù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)，并跳轉(zhuǎn)到登錄頁(yè)面。其功能流程圖如圖4所示。

　　2.1.2 綁定模塊模塊功能：用戶(hù)賬戶(hù)與智能窗戶(hù)進(jìn)行綁定，便于對(duì)智能窗戶(hù)的管理。前提業(yè)務(wù)：注冊(cè)與登錄。手機(jī)客戶(hù)端登錄賬戶(hù)后，點(diǎn)擊添加設(shè)備選項(xiàng)。用手機(jī)掃描智能窗戶(hù)上的二維碼，獲得智能窗戶(hù)的 ID 值，點(diǎn)擊綁定后，數(shù)據(jù)提交到服務(wù)器上。其效果圖如圖5所示。

　　查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，如果數(shù)據(jù)庫(kù)中存在該智能窗戶(hù)的ID 值并且沒(méi)有其他用戶(hù)綁定該窗戶(hù)，則向客戶(hù)端發(fā)送確認(rèn)消息，用戶(hù)點(diǎn)擊確認(rèn)后，服務(wù)器上用戶(hù)賬戶(hù)的數(shù)據(jù)表中便寫(xiě)入了智能窗戶(hù)的ID值，從而實(shí)現(xiàn)綁定。如果數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在該智能窗戶(hù)的ID值，或者該 ID已經(jīng)被其他用戶(hù)綁定，則向客戶(hù)端發(fā)送錯(cuò)誤信息，由用戶(hù)選擇是否繼續(xù)綁定。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　目前，4G網(wǎng)絡(luò)逐漸普及，5G網(wǎng)絡(luò)的研究也在進(jìn)行中。我國(guó)光纖以太網(wǎng)發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)通訊速度正在飛快地提升，物聯(lián)網(wǎng)的概念必將深入人心。就本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的技術(shù)來(lái)說(shuō)，面對(duì)數(shù)目龐大的物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備，本設(shè)計(jì)所采用的數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)是緩解服務(wù)器壓力的有效方式。同時(shí)，當(dāng)前人們所用的互聯(lián)網(wǎng)接入工具無(wú)非就是智能手機(jī)、電腦等用來(lái)瀏覽網(wǎng)頁(yè)的設(shè)備，連接方式僅限于客戶(hù)端—瀏覽器模型，本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的 TCP NAT 穿越技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。不同于某些傳統(tǒng)的P2P下載軟件或者視頻軟件，本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的P2P連接技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的是實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普及時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接將是緩解服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)壓力的有效方式。

　　另外，僅就本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，智能窗戶(hù)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制的功能。相比于傳統(tǒng)的通過(guò)GSM模塊發(fā)送消息的智能窗戶(hù)，本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸速度更快，而且實(shí)時(shí)監(jiān)控能力更強(qiáng)，窗戶(hù)工作電壓為 5V，更安全，且功耗低。

　　參考文獻(xiàn)(References):

　　[1] 蔡康.P2P對(duì)等網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,2011.

　　[2] 桂勁松.物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,2013.

　　[3] 諶璽,張洋.思科CCNA認(rèn)證詳解與實(shí)驗(yàn)指南[M].電子工業(yè)出版社,2014.

　　《物聯(lián)網(wǎng)智能窗戶(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》來(lái)源：《計(jì)算機(jī)時(shí)代》，作者：王 超，林百順，馮開(kāi)屏，李清清。