基于ZigBee技術(shù)的家電微信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁榮龍+黃同成

摘 要：設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的家電微信控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)組網(wǎng)方便，將嵌有無(wú)線(xiàn)傳感器的家居、家電同互聯(lián)網(wǎng)相連，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，提供舒適、方便和人性化的智能家居環(huán)境。闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、模型分析和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；嵌入式開(kāi)發(fā)；微信公眾平臺(tái)；智能家居

DOIDOI：10.11907/rjdk.171345

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2017）008-0069-04

0 引言

智能家居行業(yè)近幾年來(lái)獲得了迅速發(fā)展，中投顧問(wèn)發(fā)布的《2016-2020年中國(guó)智能家居市場(chǎng)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，智能家居產(chǎn)值2010年為50億元，2014年上升至1 600億元，2015年達(dá)到約2 300億元，到2020年整個(gè)智能家居產(chǎn)值將突破萬(wàn)億元。但是目前大多數(shù)家居控制系統(tǒng)只能通過(guò)相應(yīng)的APP使用，并且只能在局域網(wǎng)中對(duì)家居進(jìn)行控制，無(wú)法滿(mǎn)足人們希望隨時(shí)隨地方便快捷地控制家電的需求[1]。而微信是人們使用最多的一款A(yù)PP，如果把微信公眾平臺(tái)引入到智能家居控制中，用戶(hù)無(wú)論使用哪種操作系統(tǒng)的手持設(shè)備，只要使用微信客戶(hù)端關(guān)注并綁定一臺(tái)智能設(shè)備，即可通過(guò)微信完成對(duì)設(shè)備的控制。本文提出一種基于ZigBee協(xié)議[2]、通過(guò)微信客戶(hù)端進(jìn)行控制的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)以及微信控制的智能家電系統(tǒng)主要借助微信公眾平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)傳輸、消息推送等服務(wù)，搭建云服務(wù)器，對(duì)接微信提供的數(shù)據(jù)接口，同時(shí)在Web網(wǎng)頁(yè)內(nèi)擴(kuò)展操作方式。

系統(tǒng)控制流程如圖1所示。在微信公眾平臺(tái)上注冊(cè)公眾賬號(hào)，基于該公眾號(hào)信息開(kāi)發(fā)云服務(wù)器，并通過(guò)微信公眾平臺(tái)API與微信公眾平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，即可處理手機(jī)端向微信公眾號(hào)發(fā)送的控制指令并作相應(yīng)處理。另外，云服務(wù)器創(chuàng)建了一個(gè)Socket服務(wù)端，讓部署在家庭中的WiFi模塊可以通過(guò)Socket連接到云服務(wù)器上，獲取控制指令消息，再通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)到ZiGBee協(xié)調(diào)器；ZiGBee協(xié)調(diào)器通過(guò)ZiGBee網(wǎng)絡(luò)與各ZiGBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播通信，節(jié)點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)播將結(jié)果返回給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器再通過(guò)串口發(fā)送到WiFi模塊，WiFi模塊通過(guò)Socket發(fā)送到云服務(wù)器；云服務(wù)器通過(guò)微信公眾平臺(tái)消息接口把結(jié)果返回并展示給手機(jī)端用戶(hù)。

用戶(hù)發(fā)送文本消息通過(guò)驗(yàn)證綁定設(shè)備后，即可在微信公眾號(hào)內(nèi)部通過(guò)點(diǎn)擊自定義菜單來(lái)控制設(shè)備。在此之前，需要在微信公眾號(hào)注冊(cè)以獲得賬號(hào)信息及填寫(xiě)接口配置信息，如圖2所示。在通過(guò)認(rèn)證后，才能接受微信推送。開(kāi)發(fā)者提交驗(yàn)證申請(qǐng)時(shí)，微信服務(wù)器發(fā)送GET請(qǐng)求到填寫(xiě)的URL上（見(jiàn)圖2示例中的doPost接口）。該請(qǐng)求攜帶的參數(shù)為：signature、timestamp、nonce、echostr，開(kāi)發(fā)者通過(guò)對(duì)簽名（即signature，該參數(shù)結(jié)合了開(kāi)發(fā)者填寫(xiě)的token，見(jiàn)圖2示例中的“weixinValidation”參數(shù)和請(qǐng)求中的timestamp參數(shù)、nonce參數(shù)）的校驗(yàn)，判斷該請(qǐng)求是否來(lái)自微信服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器驗(yàn)證通過(guò)后，需要將echostr參數(shù)反饋給微信服務(wù)器，從而接入生效，成為開(kāi)發(fā)者。

有了以上信息后，即可開(kāi)發(fā)微信服務(wù)器響應(yīng)程序，并將響應(yīng)程序部署到tomcat下運(yùn)行。本系統(tǒng)使用微信推送的消息主要包括[3]：①自定義菜單事件。微信公眾平臺(tái)提供自定義菜單服務(wù)，開(kāi)發(fā)者根據(jù)系統(tǒng)需求上傳一個(gè)JSON格式數(shù)據(jù)到微信提供的“自定義菜單創(chuàng)建接口”。本系統(tǒng)創(chuàng)建了一種菜單類(lèi)型——click菜單類(lèi)型，用戶(hù)點(diǎn)擊click類(lèi)型按鈕后，微信服務(wù)器會(huì)通過(guò)消息接口推送消息類(lèi)型為event的結(jié)構(gòu)給開(kāi)發(fā)者[4]；②普通文本消息。該接口主要用于用戶(hù)驗(yàn)證并綁定設(shè)備時(shí)，微信用戶(hù)給公眾號(hào)發(fā)送消息，微信服務(wù)器將消息內(nèi)容以XML格式發(fā)送到開(kāi)發(fā)者填寫(xiě)的URL上[5]。如用戶(hù)發(fā)送“注冊(cè)：lisi2017”，應(yīng)用服務(wù)器則根據(jù)消息格式驗(yàn)證并綁定相應(yīng)設(shè)備。

2 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制和工業(yè)控制的技術(shù)。其中，ZigBee的2.4G赫茲、915M赫茲和868M赫茲是目前為止應(yīng)用最多的。它們的傳遞速度分別為：250Kbits、40Kpbs和20Kpbs，且有效范圍為10～100m。為了更好地保護(hù)數(shù)據(jù)安全，ZigBee設(shè)置了3個(gè)不同的安全等級(jí)，用戶(hù)可以根據(jù)自身的使用情況進(jìn)行選擇。另外，ZigBee的嵌入式技術(shù)是其它無(wú)線(xiàn)設(shè)備很少具備的，還集成了其它無(wú)線(xiàn)設(shè)備成本低、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此其更加受到工業(yè)領(lǐng)域的青睞[6]。

與其它無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）廉價(jià)性。ZigBee使用的芯片價(jià)格僅在兩美元左右，而且技術(shù)免協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)。

（2）功率消耗低。因?yàn)槠洫?dú)特的待機(jī)模式，使兩節(jié)五號(hào)電池可在一個(gè)節(jié)點(diǎn)下使用兩年之久。

（3）速率低。ZigBee在較低速率環(huán)境下工作，且其在不同頻帶間可以提供不同的數(shù)據(jù)吞吐率，用于滿(mǎn)足不同速率傳送數(shù)據(jù)的需要。

（4）高效性。為了節(jié)省功耗，不同的無(wú)線(xiàn)設(shè)備均設(shè)置了不同的休眠模式。其中WiFi休眠至工作模式需要3s，藍(lán)牙需消耗3～10s，而ZigBee僅需15ms，其從節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)也僅需要30ms。

（5）數(shù)據(jù)傳輸量大。ZigBee可使用樹(shù)狀、星狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，通過(guò)一個(gè)主要節(jié)點(diǎn)對(duì)其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理。一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)。

（6）安全性高。ZigBee為適應(yīng)不同安全要求，設(shè)計(jì)了三級(jí)安全模式，其中無(wú)安全設(shè)定、使用訪(fǎng)問(wèn)控制列表為防止非法獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)模式，而對(duì)稱(chēng)密碼為釆用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)安全設(shè)置。endprint

2.1.2 微信公眾平臺(tái)

微信公眾平臺(tái)是目前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上最受關(guān)注的平臺(tái)之一，企業(yè)也可以通過(guò)公眾號(hào)進(jìn)行有效的品牌營(yíng)銷(xiāo)。通過(guò)公眾平臺(tái)可將生活服務(wù)、商戶(hù)、大眾媒體等全部整合起來(lái)。2013年11月，由海爾、騰訊聯(lián)合推出的應(yīng)用微信技術(shù)的家電——天樽空調(diào)，開(kāi)創(chuàng)了家電領(lǐng)域運(yùn)用微信控制電器的先例。2013年12月23日，互聯(lián)網(wǎng)電視運(yùn)營(yíng)商未來(lái)電視、電子消費(fèi)生產(chǎn)商創(chuàng)維與騰訊聯(lián)合打造的“微信電視”在北京發(fā)布。本文實(shí)現(xiàn)了一種新的智能空調(diào)使用方式，借助微信公眾平臺(tái)的消息推送功能、微信公眾號(hào)具有的Web網(wǎng)頁(yè)擴(kuò)展功能和開(kāi)源的sip協(xié)議（會(huì)話(huà)發(fā)起協(xié)議），實(shí)現(xiàn)了一款在微信公眾號(hào)內(nèi)部和嵌入的Web網(wǎng)頁(yè)里完成智能空調(diào)控制的系統(tǒng)[7-8]。用戶(hù)無(wú)需下載APP，即可以實(shí)現(xiàn)與設(shè)備在微信內(nèi)聊天式的雙向互動(dòng)。用戶(hù)只需要在智能終端上安裝一個(gè)微信客戶(hù)端，然后關(guān)注該智能控制公眾號(hào)后，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的控制。

2.2 系統(tǒng)框架及開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

2.2.1 應(yīng)用服務(wù)器開(kāi)發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用Java開(kāi)發(fā)應(yīng)用服務(wù)器，使用Eclipse作為開(kāi)發(fā)工具，可以很方便地通過(guò)搭建servlet來(lái)實(shí)現(xiàn)http服務(wù)，開(kāi)發(fā)Java項(xiàng)目[9-13]。

為了運(yùn)行Java程序，需要安裝JDK，Java通過(guò)JVM實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)運(yùn)行，JVM包含在JDK中。安裝好JDK后即可運(yùn)行Eclipse，新建一個(gè)Maven project，選擇maven-archetype-webapp原型，填寫(xiě)Group Id以及Artifact Id，按照提示完成新建。

2.2.2 應(yīng)用服務(wù)器Tomcat

項(xiàng)目完成后要通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布，本文采用Apache Tomcat服務(wù)器[14]。Tomcat是一款由Apache、Sun等公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件。Tomcat中部署的應(yīng)用程序是一個(gè)WAR（Web Archive）文件。Tomcat的目錄結(jié)構(gòu)如圖3所示。

將項(xiàng)目war包復(fù)制到webapps文件夾下，然后啟動(dòng)Tomcat即可。需要注意的是，微信公眾平臺(tái)要求應(yīng)用服務(wù)器必須在80端口接收數(shù)據(jù)，所以需要將Tomcat默認(rèn)的服務(wù)端口8080修改為80端口。修改conf文件夾下的server.xml文件，將其中Connector的port修改為80，如圖4所示。

現(xiàn)在即可通過(guò)Tomcat發(fā)布已經(jīng)寫(xiě)好的項(xiàng)目了。更新war包，先刪除Tomcat目錄下的work/Catalina文件夾。因?yàn)檫@個(gè)文件夾中保留有項(xiàng)目的緩存，若不清理該文件夾，有可能出現(xiàn)代碼不更新的情況。

2.2.3 Spring框架分析

Spring框架為POJO（Plain Old Java Object，簡(jiǎn)單Java對(duì)象）提供的各種服務(wù)共同組成了Spring的生命之樹(shù)[15]，如圖5所示。組成整個(gè)Spring框架的各種服務(wù)實(shí)現(xiàn)被劃分到多個(gè)相互獨(dú)立卻又相互依賴(lài)的模塊當(dāng)中。整個(gè)Spring框架構(gòu)建在Core核心模塊之上，它是整個(gè)框架的基礎(chǔ)。本文中的應(yīng)用服務(wù)器采用Spring作為系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，將各個(gè)事務(wù)處理線(xiàn)程連接起來(lái)。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)程序使用Spring MVC 框架搭建Maven項(xiàng)目。使用Spring框架有許多優(yōu)點(diǎn)，Spring的IoC容器降低了業(yè)務(wù)對(duì)象替換的復(fù)雜性，提高了組件之間的解耦；Spring的AOP支持將一些通用任務(wù)，如安全、事務(wù)、日志等進(jìn)行集中式管理，從而提供了更好的復(fù)用；Spring的ORM和DAO提供了與第三方持久層框架的良好整合，并簡(jiǎn)化了底層的數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)；Spring的高度開(kāi)放性并不強(qiáng)制開(kāi)發(fā)者完全依賴(lài)于Spring，而是可自由選用Spring框架的部分或全部。該系統(tǒng)程序主要接收微信公眾平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的微信用戶(hù)消息，微信用戶(hù)向公眾號(hào)發(fā)送消息時(shí)，公眾平臺(tái)將消息轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)URL上，該URL由開(kāi)發(fā)人員配置。系統(tǒng)程序響應(yīng)該URL請(qǐng)求，接收HTTP請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析，然后通過(guò)Socket連接發(fā)送控制指令到嵌入傳感器及WiFi模塊的智能硬件上，智能硬件接收到控制指令便執(zhí)行相應(yīng)操作。Zigbee基于802.15.4物理層協(xié)議、支持自組網(wǎng)、多點(diǎn)中繼，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀拓?fù)鋸?fù)雜的組網(wǎng)協(xié)議，加上其低功耗的特點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)間的設(shè)備必須各司其職，有效地協(xié)同工作。因此，基于ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)方式可以高效地實(shí)現(xiàn)多臺(tái)家電集成控制。

2.4 系統(tǒng)測(cè)試

（1） 關(guān)注公眾號(hào)，公眾號(hào)將為用戶(hù)推送“謝謝您的關(guān)注！”消息內(nèi)容。用戶(hù)點(diǎn)擊自定義開(kāi)關(guān)按鈕“智能開(kāi)關(guān)”時(shí)，若未通過(guò)驗(yàn)證則需先進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）驗(yàn)證注冊(cè)，綁定設(shè)備。用戶(hù)向公眾號(hào)發(fā)送注冊(cè)信息，如注冊(cè)：lisi。若智能設(shè)備的單片機(jī)未通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器，則公眾號(hào)向用戶(hù)推送“單片機(jī)未連接！”消息提示。此時(shí)用戶(hù)需將設(shè)備打開(kāi)并連接網(wǎng)絡(luò)（本文使用WiFi透?jìng)髯鳛橥ㄐ沛溌?，打開(kāi)設(shè)備即自動(dòng)連接WiFi以接入服務(wù)器），設(shè)備連接后用戶(hù)發(fā)送注冊(cè)信息（注冊(cè)信息的驗(yàn)證名，如lisi，需與設(shè)備提供的驗(yàn)證名相同），公眾號(hào)提示驗(yàn)證成功，如圖6所示。

（3） 控制智能設(shè)備打開(kāi)或關(guān)閉。驗(yàn)證成功后，用戶(hù)點(diǎn)擊自定義菜單“智能開(kāi)關(guān)”，智能設(shè)備打開(kāi)或關(guān)閉，公眾號(hào)向用戶(hù)推送“開(kāi)關(guān)打開(kāi)”或“開(kāi)關(guān)關(guān)閉”消息，如圖7所示。

經(jīng)測(cè)試，用戶(hù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地向公眾號(hào)發(fā)送控制指令控制智能設(shè)備，智能設(shè)備處于可以連接網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中。若部署在家中，可設(shè)置WiFi讓智能設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，以方便控制。為了更全面地實(shí)現(xiàn)智能家居的功能，在家庭中部署一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，用來(lái)收集各ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，以及轉(zhuǎn)發(fā)用戶(hù)發(fā)送的對(duì)各智能設(shè)備的控制指令，可以使用戶(hù)控制更多設(shè)備。

3 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通過(guò)WiFi透?jìng)鞯奈⑿偶译娍刂葡到y(tǒng)的研發(fā)與實(shí)現(xiàn)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展情況，分析了智能家電控制需求，提出借助于微信公眾平臺(tái)提供的功能實(shí)現(xiàn)智能家電控制。探討系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程及開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，如開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建、開(kāi)發(fā)工具的使用、編程過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)的分析等，以及項(xiàng)目的需求分析、功能分析和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，編程實(shí)現(xiàn)了本控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了功能測(cè)試，結(jié)果可滿(mǎn)足功能需求和設(shè)計(jì)要求。endprint

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