基于Android手機(jī)遠(yuǎn)程遙控家居窗戶(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者/趙景豪，山東省聊城市外國(guó)語(yǔ)學(xué)校

基于Android手機(jī)遠(yuǎn)程遙控家居窗戶(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者/趙景豪，山東省聊城市外國(guó)語(yǔ)學(xué)校

窗戶(hù)是家的第二扇大門(mén)，人們卻經(jīng)常一時(shí)疏忽，忘記緊鎖窗戶(hù)，從而給家里帶來(lái)了很多不必要的麻煩。針對(duì)此現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一款基于Android手機(jī)遠(yuǎn)程遙控家居窗戶(hù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用樹(shù)莓派作為主控核心，搭配了L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和直流電機(jī)。此外，該系統(tǒng)引入了具有外網(wǎng)IP的阿里云服務(wù)器作為中間橋梁，打破了內(nèi)外網(wǎng)IP之間無(wú)法直接通信的壁壘。該系統(tǒng)可以讓主人隨時(shí)隨地在Android手機(jī)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)，極大地方便了主人對(duì)于窗戶(hù)的管理控制，同時(shí)又讓家的安全性得到了充分的保證。

樹(shù)莓派；遠(yuǎn)程遙控；智能窗戶(hù)；Android手機(jī)

引言

窗戶(hù)是家的重要組成部分，同時(shí)也是家的第二個(gè)“門(mén)”，由于忘記關(guān)閉窗戶(hù)，驟起的沙塵暴或者狂風(fēng)暴雨勢(shì)必將家里掃蕩了個(gè)遍，等你回來(lái)，家里早已一片狼藉。另一方面，人們經(jīng)常出遠(yuǎn)門(mén)忘記緊鎖窗戶(hù)，一回家發(fā)現(xiàn)，家里早已被竊賊搜刮干凈了。因此，時(shí)刻關(guān)緊窗戶(hù)就顯得極其重要。

此外，隨著Andorid智能手機(jī)價(jià)格的走低和互聯(lián)網(wǎng)的普及，手機(jī)網(wǎng)民的規(guī)模增長(zhǎng)迅猛，據(jù)艾媒網(wǎng)的報(bào)道，2016年中國(guó)智能手機(jī)用戶(hù)規(guī)模達(dá)6.24億，其中Android手機(jī)占比73.1%，IOS占比19.7%，幾乎每個(gè)家庭人員均手握一部智能手機(jī)（通常人們隨身攜帶手機(jī)）。因此，如何設(shè)計(jì)一款基于手機(jī)端遠(yuǎn)程家居窗戶(hù)控制系統(tǒng)就顯得極其有意義。該系統(tǒng)能夠?qū)⑹謾C(jī)與窗戶(hù)緊密聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制窗戶(hù)的功能，保證窗戶(hù)時(shí)刻處于緊閉狀態(tài)，從而使得家的安全性得到充分的保障。另一方面，由于設(shè)備IP分為內(nèi)網(wǎng)IP和外網(wǎng)IP，為了滿(mǎn)足所有用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)的需求，該控制系統(tǒng)必須能夠解決內(nèi)外網(wǎng)IP設(shè)備無(wú)法直接通信的問(wèn)題。

基于上述的考慮，本文將設(shè)計(jì)一款基于Android手機(jī)遠(yuǎn)程遙控家居窗戶(hù)的控制系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款基于Android手機(jī)遠(yuǎn)程遙控家具窗戶(hù)的控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。該系統(tǒng)選用樹(shù)莓派作為主控核心，樹(shù)莓派通過(guò)GPIO口控制L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)來(lái)關(guān)閉或開(kāi)啟窗戶(hù)。其中，樹(shù)莓派控制系統(tǒng)采用Python語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)（Python是一款開(kāi)源的語(yǔ)言，其具有豐富和強(qiáng)大的庫(kù)，可以更加便捷、靈活的實(shí)現(xiàn)控制模塊程序的編寫(xiě)）。

同時(shí)，Android手機(jī)作為客戶(hù)端，通過(guò)SSH遠(yuǎn)程訪問(wèn)家居的控制設(shè)備（樹(shù)莓派）。SSH是專(zhuān)為遠(yuǎn)程登錄會(huì)話(huà)和其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供安全性的協(xié)議。

此外，為了克服內(nèi)外網(wǎng)IP設(shè)備無(wú)法直接傳輸數(shù)據(jù)的問(wèn)題，本文引入了具有外網(wǎng)IP的服務(wù)器（該服務(wù)器為阿里云服務(wù)器），使其作為中介，并實(shí)現(xiàn)了從阿里云服務(wù)器（外面IP設(shè)備）到樹(shù)莓派（內(nèi)網(wǎng)IP設(shè)備）之間的反向代理和端口轉(zhuǎn)發(fā)的功能。由于樹(shù)莓派和阿里云服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)了反向代理和端口轉(zhuǎn)發(fā)的聯(lián)系，因此，手機(jī)客戶(hù)端通過(guò)SSH訪問(wèn)阿里云的IP地址，等價(jià)于訪問(wèn)了樹(shù)莓派的IP地址。

2.硬件部分

■ 2.1 樹(shù)莓派（Raspberry Pi）

樹(shù)莓派設(shè)計(jì)的初衷在于為學(xué)生計(jì)算機(jī)編程教育提供便捷式的服務(wù)，其大小與卡片的尺寸相當(dāng)，功能類(lèi)似于一臺(tái)微小型的電腦，可以搭載Linux操作系統(tǒng)。本文選用的樹(shù)莓派型號(hào)為樹(shù)莓派三代B型（即，Raspberry Pi 3 Model B）該控制設(shè)備主要包括以下部分：

◎ CPU：64 位、四核、 ARM、 Cortex–A53 、1.2GHz；

◎GPIO引腳數(shù)：40個(gè)；

圖1 基于Android手機(jī)遠(yuǎn)程遙控家居窗戶(hù)系統(tǒng)的總體框架圖

◎SD卡：可以裝載操作系統(tǒng)；

◎以太網(wǎng)接口：連接外界因特網(wǎng)；

◎4個(gè)USB口：可以用來(lái)連接外部設(shè)備，如鍵盤(pán)或者鼠標(biāo)等；

◎板載WiFi；

◎板載藍(lán)牙。

■2.2 直流電機(jī)

本文采用的電機(jī)為小型直流電機(jī)，又稱(chēng)為“馬達(dá)”。該電機(jī)具有正負(fù)極之分，正極接正電壓，負(fù)極接負(fù)電壓，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，電機(jī)則反轉(zhuǎn)。此外，電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于正負(fù)極兩端電壓差值的絕對(duì)值，即兩端電壓差越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，反之則越慢。通常，可以采用PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。所謂脈沖寬度調(diào)制，即作用于直流電機(jī)兩端的電壓脈沖根據(jù)不同時(shí)刻的控制信號(hào)具有不同的占空比（高電平的持續(xù)時(shí)間占一個(gè)脈沖周期的百分比），電機(jī)兩端相同時(shí)間等效的有效電壓不同，使得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟著發(fā)生改變。

■2.3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。該模塊共有4根控制引腳，分別與樹(shù)莓派GPIO口的3號(hào)，4號(hào)，5號(hào)，6號(hào)引腳進(jìn)行連接。其中，IN1和IN2控制電機(jī)motor1，IN3和IN4控制電機(jī)motro2。此外，L298N驅(qū)動(dòng)需外接電源+12V ～+24V進(jìn)行供電。

L298N驅(qū)動(dòng)具有兩種工作模式，一方面，當(dāng)使能A（控制電機(jī)motor1）、使能B（控制電機(jī)motor2）時(shí)，可以分別從IN1、IN2輸入PWM（Pulse Width Modulation）信號(hào)來(lái)控制電機(jī)motor1的轉(zhuǎn)速和方向。同時(shí)，可以分別從IN3、IN4輸入相同PWM脈沖信號(hào)來(lái)控制電機(jī)motor2的轉(zhuǎn)速和方向。另一方面，若禁止A和B使能時(shí)，即可通過(guò)樹(shù)莓派的GPIO口向IN1、IN2、IN3、IN4四個(gè)引腳輸入邏輯“1”(GPIO.HIGH)和邏輯“0”(GPIO.LOW)來(lái)控制電機(jī)motor1和電機(jī)motor2。

3.軟件部分

■3.1 整體系統(tǒng)的流程圖

整個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。首先，手機(jī)客戶(hù)端采用SSH協(xié)議，通過(guò)IP地址和端口號(hào)向具有外網(wǎng)IP的阿里云服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求；其次，阿里云服務(wù)器將數(shù)據(jù)包原封不動(dòng)的發(fā)送給主控核心樹(shù)莓派；最后，樹(shù)莓派再通過(guò)GPIO口控制L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)的控制，達(dá)到開(kāi)啟和關(guān)閉窗戶(hù)的目的。

圖2 基于Android手機(jī)遠(yuǎn)程遙控家居窗戶(hù)系統(tǒng)的流程圖

■3.2 SSH協(xié)議

SSH是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于計(jì)算機(jī)之間的加密登錄。如果一個(gè)用戶(hù)在自己的本地計(jì)算機(jī)使用SSH協(xié)議登錄另一臺(tái)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，我們就可以認(rèn)為，這種登錄是安全的，即使被中途截獲，密碼也不會(huì)泄露。SSH主要用于遠(yuǎn)程登錄，假定你要以用戶(hù)名user，登錄遠(yuǎn)程主機(jī)host，只要一條簡(jiǎn)單命令就可以了，即： ssh user@host 。

其中，SSH的工作流程如下：

（1）遠(yuǎn)程主機(jī)收到用戶(hù)的登錄請(qǐng)求，把自己的公鑰發(fā)給用戶(hù)。

（2）用戶(hù)使用這個(gè)公鑰，將登錄密碼加密后，發(fā)送回來(lái)。

（3）遠(yuǎn)程主機(jī)用自己的私鑰，解密登錄密碼，如果密碼正確，就同意用戶(hù)登錄。

■3.3 反向代理和端口轉(zhuǎn)發(fā)

本文采用遠(yuǎn)程服務(wù)器與樹(shù)莓派之間進(jìn)行反向代理和端口轉(zhuǎn)發(fā)的方法，解決了內(nèi)外網(wǎng)IP設(shè)備無(wú)法直接進(jìn)行通信的問(wèn)題（內(nèi)網(wǎng)IP設(shè)備可以直接訪問(wèn)外網(wǎng)IP設(shè)備，外網(wǎng)IP設(shè)備卻無(wú)法直接訪問(wèn)內(nèi)網(wǎng)IP設(shè)備）。其中，阿里云服務(wù)器作為中介，一頭連接了Android手機(jī)客戶(hù)端，另外一頭連接了主控核心樹(shù)莓派。

反向代理和端口轉(zhuǎn)發(fā)的配置步驟如下：

步驟一、 建立A機(jī)器到B機(jī)器的反向代理【A機(jī)器上操作】，命令如下：

ssh –fCNR : localhost:22 usr_b@B.B.B.B

其中， 為B機(jī)器上端口，用來(lái)與A機(jī)器上的22端口綁定。

步驟二、 建立 B 機(jī)器上的正向代理，用作本地轉(zhuǎn)發(fā)。【B機(jī)器上操作】，命令如下：

ssh –fCNL ＊ : : localhost : lo–calhost

其中， 為本地轉(zhuǎn)發(fā)端口，用以和外網(wǎng)通信，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 ，實(shí)現(xiàn)可以從其他機(jī)器訪問(wèn)。其中的 ＊表示接受來(lái)自任意機(jī)器的訪問(wèn)。

步驟三、在C機(jī)器上可以通過(guò)B機(jī)器ssh到A機(jī)器

ssh –p usra@B.B.B.B

其中，SSH 參數(shù)解釋如下：

◎ –f 后臺(tái)運(yùn)行

◎–C 允許壓縮數(shù)據(jù)

◎–N 不執(zhí)行任何命令

◎–R 將端口綁定到遠(yuǎn)程服務(wù)器，反向代理

◎–L 將端口綁定到本地客戶(hù)端，正向代理

4.總結(jié)

本文圍繞家居窗戶(hù)安全性的考慮，設(shè)計(jì)了一款基于Android手機(jī)遠(yuǎn)程遙控家居窗戶(hù)的控制系統(tǒng)。主人可以在android手機(jī)平臺(tái)上，隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程控制家里窗戶(hù)的關(guān)閉或者開(kāi)啟。該系統(tǒng)極大地保證了主人因疏忽忘記關(guān)窗戶(hù)所可能帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)，同時(shí)克服了內(nèi)外網(wǎng)IP之間無(wú)法直接通信的問(wèn)題，使得該系統(tǒng)能夠更加廣泛為用戶(hù)提供遠(yuǎn)程管理家居窗戶(hù)的服務(wù)。

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