基于MQTT的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧于輝，秦會(huì)斌

（杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與材料研究所，浙江杭州310018）

0 引言

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與嵌入式技術(shù)，可以將家庭中的各種設(shè)備通過(guò)APP進(jìn)行無(wú)線控制，實(shí)現(xiàn)家居智能化[1]。因此設(shè)計(jì)一款低成本、高可靠、使用簡(jiǎn)便、用戶體驗(yàn)高的智能家居系統(tǒng)具有很重要的意義。傳統(tǒng)的智能化家居系統(tǒng)一旦手機(jī)綁定成功，解綁過(guò)程比較復(fù)雜，需要手機(jī)端和硬件端同時(shí)操作才能解綁，也不能根據(jù)用戶需求動(dòng)態(tài)地添加、刪除設(shè)備，使得用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)通用性都比較差[2]。

針對(duì)傳統(tǒng)智能家居出現(xiàn)的問題，本文提出并設(shè)計(jì)了基于MQTT控制的智能家居系統(tǒng)，可以動(dòng)態(tài)添加、刪除設(shè)備及實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的近遠(yuǎn)場(chǎng)控制，同時(shí)在設(shè)備端增加一鍵刪除功能，手機(jī)端和硬件端都可同時(shí)刪除設(shè)備信息。系統(tǒng)通過(guò)ESP8266 WIFI模塊直接控制家居，不需要額外的MCU，大大減少了成本和體積[3][4]。由于MQTT協(xié)議精簡(jiǎn)、易于實(shí)現(xiàn)，在控制功耗和節(jié)約帶寬上表現(xiàn)出很好的性能[5-7]，系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議進(jìn)行消息推送。在內(nèi)網(wǎng)通過(guò)基于UDP的SmartConfig等實(shí)現(xiàn)了用戶的個(gè)人信息管理、設(shè)備的個(gè)人配網(wǎng)綁定，并且無(wú)論在內(nèi)網(wǎng)還是外網(wǎng)都可以隨時(shí)隨地控制家居設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 MQTT的優(yōu)勢(shì)

MQTT協(xié)議最早由IBM公司在1999年提出，是ISO標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC PRF 20922）下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。該協(xié)議工作在TCP/IP協(xié)議族上，屬于為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況設(shè)計(jì)的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議。同CoAP、HTTP等其他協(xié)議相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）每消息的標(biāo)題可以短至2個(gè)字節(jié)。同時(shí)，對(duì)于HTTP，為每個(gè)新請(qǐng)求消息重新建立HTTP連接會(huì)導(dǎo)致重大的開銷，而MQTT所使用的永久連接顯著減少了這一開銷。

（2）能夠從斷開等故障中恢復(fù)，而且沒有進(jìn)一步的代碼需求。相反，HTTP無(wú)法原生地實(shí)現(xiàn)此目的，需要客戶端重試編碼，這可能增加冪等性問題。

（3）專門針對(duì)低功耗目標(biāo)而設(shè)計(jì)。HTTP的設(shè)計(jì)沒有考慮此因素，功耗較高。

（4）HTTP堆棧上，維護(hù)數(shù)百萬(wàn)個(gè)并發(fā)連接需要做大量工作來(lái)提供支持，而且大多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品都需要為處理這一數(shù)量級(jí)的永久連接而進(jìn)行優(yōu)化。IBM提供了IBM MessageSight單機(jī)架裝載服務(wù)器，經(jīng)過(guò)測(cè)試能處理多達(dá)100萬(wàn)個(gè)通過(guò)MQTT并發(fā)連接的設(shè)備。

MQTT以上的優(yōu)勢(shì)再加上其完全開源，國(guó)內(nèi)外的許多云供應(yīng)商如騰訊、阿里、百度以及Azure、AWS、Bluemix均有對(duì)MQTT的支持，已經(jīng)形成了較好的生態(tài)圈。所以，MQTT應(yīng)用在智能家居中較為方便。

1.2 基于MQTT的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)總體可分為4部分：基于Android平臺(tái)的客戶端、云服務(wù)器、WIFI模塊、智能家居設(shè)備。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1中WIFI模塊通過(guò)發(fā)送心跳包和云服務(wù)器維持長(zhǎng)連接，主動(dòng)上報(bào)設(shè)備狀態(tài)，用戶通過(guò)Android客戶端登錄家居控制APP配置網(wǎng)絡(luò)，WIFI模塊通過(guò)UDP廣播獲取連接WIFI所需要的用戶名和密碼，連上WIFI，此時(shí)設(shè)備和客戶端處于同一網(wǎng)段內(nèi)，Android客戶端可以直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行添加、刪除、控制等操作。若客戶端和設(shè)備不在同一網(wǎng)段時(shí)，客戶端通過(guò)HTTP通信連接到云服務(wù)器，云服務(wù)器將指令經(jīng)過(guò)MQTT推送機(jī)制轉(zhuǎn)發(fā)給WIFI模塊，從而控制設(shè)備。系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)相結(jié)合的方式控制設(shè)備，有效解決了內(nèi)網(wǎng)不可用時(shí)不能控制設(shè)備的問題，確保用戶隨時(shí)隨地控制家居設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的WIFI模塊選用ESP8266，該模塊是2015年推出的WIFI芯片，主要由網(wǎng)路模塊、控制模塊和微處理器模塊三部分組成[8]。其電路如圖2所示。

2.1 通信部分的固件編程設(shè)計(jì)

硬件部分采用ESP8266 WIFI模塊，完成相關(guān)功能需要對(duì)其固件進(jìn)行編程，主要的設(shè)計(jì)思路如下:

首先讓ESP8266進(jìn)入混雜模式，進(jìn)而進(jìn)入SmartConfig模式，在SmartConfig的模式下，通過(guò)UDP廣播獲取連接WIFI所需要的用戶名和密碼，同時(shí)還要獲取與之相配對(duì)的手機(jī)號(hào)碼，該號(hào)碼用于告訴云端服務(wù)器ESP8266與哪部手機(jī)配對(duì)。代碼和注釋如下：

case SC_STATUS_FIND_CHANNEL://開始掃描信道

caseSC_STATUS_GETTING_SSID_PSWD://獲取配置模式是微信的AirKiss還是SmartConfig

圖2 ESP8266模塊電路圖

case SC_STATUS_LINK://此狀態(tài)可以得到WIFI的用戶名和密碼

接著根據(jù)MQTT協(xié)議來(lái)搭建MQTT客戶端，其過(guò)程如下：

（1）與MQTT服務(wù)器建立TCP連接。

（2）根據(jù)MQTT協(xié)議進(jìn)行連接、訂閱、設(shè)置心跳包等操作，考慮到綁定過(guò)程的唯一性，其訂閱內(nèi)容是ESP8266的mac地址。

搭建完MQTT的客戶端后，需要搭建另一個(gè)客戶端，可以與云端服務(wù)器進(jìn)行通信，其過(guò)程如下：

（1）與云端服務(wù)器建立TCP連接。

（2）通過(guò)HTTP的post請(qǐng)求來(lái)上傳設(shè)備信息到云端服務(wù)器中。

代碼和注釋如下：

os_sprintf（databuf，"telphone=%s&type=3&mac="MACSTR"&name=fan&status=0&data1=2&data2=%d&data3=0"，telnum，MAC2STR（mac_addr），turnonoff）;

//將要傳的數(shù)據(jù)通過(guò)字符串的形式給databuf

os_sprintf（buf，"POST/suibian/mqtt/desend.action HTTP/1.1 Host:主機(jī)地址 User-Agent:ESP8266 Content-Length:%d Cache-Control:no-cache Content-type:application/x-www-formurlencoded %s"，os_strlen（databuf），databuf）;

//根據(jù)HTTP中的post請(qǐng)求模式，將字符串傳遞給buf

InterNet_TCP_SendData（buf，0，pCon）;

//通過(guò)TCP發(fā)送請(qǐng)求

2.2 控制部分的固件編程設(shè)計(jì)

智能家居設(shè)備有多種，這里以控制單燈和風(fēng)扇為例，其他設(shè)備類似。

2.2.1 對(duì)單燈的控制

主要通過(guò)PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)單燈亮度的控制，ESP8266的PWM波產(chǎn)生方式有兩種，一種是調(diào)用內(nèi)部的API函數(shù)，這種方式產(chǎn)生的PWM波具有較高的調(diào)節(jié)精度，但缺點(diǎn)是這種精度的調(diào)節(jié)主要靠后面的窄波，也就是說(shuō)每個(gè)PWM波周期都具有一小段窄波，所以該模式下PWM波的占空比達(dá)不到100%。另一種是通過(guò)定時(shí)器進(jìn)行軟件編程來(lái)產(chǎn)生PWM波，該模式下PWM波的占空比可以達(dá)到100%，但調(diào)節(jié)精度要低很多。由于我們所控制的小燈采用的是上拉模式（必須保證占空比100%），其調(diào)節(jié)精度不需要那么細(xì)致，所以采用第二種方法比較合理。

2.2.2 對(duì)電機(jī)的控制

主要利用PWM波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。由于ESP8266引腳所產(chǎn)生的PWM波無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，故增加L298N驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)還增加兩個(gè)控制引腳來(lái)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。以下是PWM轉(zhuǎn)速調(diào)整程序：

voidpwm_check_high（void*arg）{os_timer_setfn（&PWMTimer_ALL，（os_timer_func_t*）pwm_check_high，NULL）;//進(jìn)行下一次定時(shí)

os_timer_arm_us（&PWMTimer_ALL，1000，0）;

//周期為1000us

if（HIGH_LOW==1000）

//HIGH_LOW表示高電平的時(shí)間，若為1000全高

{gpio_output_set（BIT12，0，BIT12，0）;

os_timer_disarm（&PWMTimer_HIGH）;}

else if（HIGH_LOW==0）//全為低電平時(shí)

{gpio_output_set（0，BIT12，BIT12，0）;

os_timer_disarm（&PWMTimer_HIGH）;}

else{//0到1000之間

gpio_output_set（BIT12，0，BIT12，0）;

os_timer_setfn（&PWMTimer_HIGH，pwm_check_low，NULL）;

//從HIGH_LOW時(shí)間后開始輸出低電平

os_timer_arm_us（&PWMTimer_HIGH，HIGH_LOW，0）;}}

2.2.3 一鍵式解綁的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)WiFi模塊采集到一段時(shí)間的低電平時(shí)，觸發(fā)解綁過(guò)程，該過(guò)程步驟如下：

馬上斷開HTTP，斷開MQTT，斷開WIFI，清除flash內(nèi)所綁定的電話號(hào)碼記錄，清除WIFI的用戶名和密碼，進(jìn)入SmartConfig模式。

3 客戶端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 客戶端功能設(shè)計(jì)

基于Android的控制客戶端主要實(shí)現(xiàn)用戶個(gè)人信息管理、設(shè)備信息管理、設(shè)備配網(wǎng)連接和設(shè)備的遠(yuǎn)場(chǎng)控制，如圖3所示。

圖3 客戶端功能模塊

（1）用戶信息管理。手機(jī)客戶端使用用戶手機(jī)號(hào)碼或者QQ、微信、微博等第三方賬號(hào)進(jìn)行注冊(cè)登錄，登錄成功的用戶可以在個(gè)人中心管理界面查看和修改個(gè)人信息。

（2）設(shè)備信息管理。系統(tǒng)暫時(shí)采用一對(duì)多原則，即一個(gè)用戶可以擁有多臺(tái)設(shè)備，但一個(gè)設(shè)備只能歸屬一個(gè)用戶。成功添加設(shè)備后，用戶可以在設(shè)備列表界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行增、刪、改、查、分享等一系列操作，應(yīng)用會(huì)自動(dòng)在云平臺(tái)服務(wù)器對(duì)設(shè)備的操作進(jìn)行同步。其中設(shè)備的內(nèi)部信息需要進(jìn)入控制界面才能進(jìn)行相應(yīng)的更改。

（3）設(shè)備配網(wǎng)連接。使用ESP官網(wǎng)提供的ESP8266無(wú)線WIFI模塊，通過(guò)基于UDP的SmartConfig協(xié)議，當(dāng)設(shè)備和客戶端處于同一個(gè)局域網(wǎng)時(shí)，通過(guò)UDP廣播將自身連接的WIFI屬性傳遞給ESP8266無(wú)線WIFI模塊，模塊成功連接上網(wǎng)絡(luò)便自動(dòng)完成與用戶賬號(hào)的綁定，即設(shè)備連接成功。

（4）遠(yuǎn)近場(chǎng)設(shè)備控制。設(shè)備的配網(wǎng)必須在同一個(gè)局域網(wǎng)之下，但設(shè)備的控制沒有網(wǎng)絡(luò)的限制，設(shè)備成功添加到用戶設(shè)備列表后，點(diǎn)擊設(shè)備，通過(guò)相應(yīng)的控制和觸發(fā)按扭即可完成對(duì)設(shè)備的控制，應(yīng)用集成了多個(gè)控制APP，可以對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行專一性控制。

3.2 客戶端框架

客戶端采用MVC架構(gòu)，將應(yīng)用的界面顯示、邏輯控制和業(yè)務(wù)處理分離，降低應(yīng)用的耦合性，增加程序運(yùn)行的健壯性[9][10]，同時(shí)方便后期的運(yùn)行維護(hù)。應(yīng)用中使用的框架有異步網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求框架、基于UDP的SmartConfig框架、LiteOrm輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)框架、ShareSDK的三方登錄或分享框架以及強(qiáng)大的谷歌MD設(shè)計(jì)框架。移動(dòng)端控制設(shè)備使用Volley請(qǐng)求框架，可以有效預(yù)防用戶頻繁操作，防止網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求頻繁操作而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。

3.3 通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用基于UDP協(xié)議的SmartConfig通信和基于TCP的HTTP通信。通信模塊設(shè)備配網(wǎng)連接流程如圖4所示。

圖4 通信模塊設(shè)備配網(wǎng)連接流程圖

新用戶注冊(cè)并且登錄成功后，設(shè)備列表的設(shè)備數(shù)量為0，需要用戶通過(guò)SmartConfig將手機(jī)連接的有效WIFI信息配置給設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，最終完成用戶與設(shè)備的綁定。系統(tǒng)中其他的訪問都是基于TCP的HTTP通信的短連接，除控制命令外，訪問外端需要攜帶用戶基本信息，向服務(wù)器發(fā)送驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)才能完成相應(yīng)的操作，否則視為違規(guī)操作，需要用戶重新登陸完成身份的驗(yàn)證，以確保用戶和設(shè)備信息安全。

3.3.1 UDP通信

客戶端通過(guò)UDP通信發(fā)送WIFI的SSID和密碼到ESP8266WIFI模塊，進(jìn)行SmartConfig配對(duì)，成功則讓模塊連接上網(wǎng)。

//獲取輸入文本

String ssid=etName.getText（）.toString（）;

String passwrod=App.getInstance（）.getUser（）.getUsername（）+etPwd.getText（）.toString（）;

boolean isSsidHidden=cbSsid.isChecked（）;

if（ssid==null||TextUtils.isEmpty（etPwd.get-Text（）））{

Toast.makeText（this，"請(qǐng)先連接路由器"，Toast.LENGTH_SHORT）.show（）;return;}

//本地保存數(shù)據(jù)

share.edit（）.putString（ssid，passwrod）.commit（）;

//啟動(dòng)異步任務(wù)開啟SmartConfig

new ConfigNetWork（this，ssid，bssid，passwrod，isSsidHidden）.execute（）;

3.3.2 HTTP通信

應(yīng)用中主要采用了兩類HTTP通信，一類是常規(guī)HTTP請(qǐng)求，另一類是基于Volley的HTTP網(wǎng)絡(luò)訪問。不涉及頻繁操作并且需要對(duì)身份進(jìn)行驗(yàn)證的訪問采用的是常規(guī)HTTP。但對(duì)設(shè)備的控制采用的是基于Volley的網(wǎng)絡(luò)訪問。Volley小數(shù)據(jù)量和請(qǐng)求隊(duì)列等優(yōu)點(diǎn)保證了用戶的每次操作能得到正確的結(jié)果，同時(shí)也可以預(yù)防因用戶頻繁控制而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)延遲。

RequestParams params=new RequestParams（）;

params.put（"token"，App.getInstance（）.getToken（））;

params.put（"telphone"，tel）;

params.put（"mac"，mac）;

httpclient.post（Const.MAIN+Const.QUERY_SINGLE_DEVICE，params，new AsyncHttpResponse-Handler（））；

//攜帶token查詢單個(gè)設(shè)備

4 云平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

云平臺(tái)由應(yīng)用服務(wù)器、MQTT消息推送服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成，應(yīng)用服務(wù)器主要處理用戶登錄、注冊(cè)、設(shè)備查詢等業(yè)務(wù)邏輯問題，MQTT消息推送服務(wù)器主要負(fù)責(zé)移動(dòng)客戶端控制設(shè)備的命令推送以及設(shè)備上線后將設(shè)備信息的推送，云平臺(tái)的架構(gòu)如圖5所示。

圖5 云平臺(tái)的架構(gòu)

4.1 應(yīng)用服務(wù)器

由于JAVA開發(fā)效率高、性能穩(wěn)定且跨平臺(tái)，應(yīng)用服務(wù)器后臺(tái)采用JAVA編寫，使用Spring+SpringMVC+Mybatis框架，用戶和服務(wù)器的交互使用Md5Hash算法進(jìn)行加密，確保用戶信息的安全。加密代碼如下：

Public static String md5（String password，String salt）{return new Md5Hash（password，salt，2）.toString（）;}//高強(qiáng)度加密算法，不可逆。

4.2 MQTT消息推送服務(wù)器的設(shè)計(jì)

圖6 MQTT消息推送服務(wù)器發(fā)布訂閱模式

MQTT發(fā)布/訂閱模式如圖6所示。系統(tǒng)中使用MQTT推送協(xié)議完成設(shè)備與用戶的綁定以及用戶控制設(shè)備命令的傳達(dá)。在CentOS系統(tǒng)的服務(wù)器上安裝Mosquitto，通過(guò)訂閱和發(fā)布來(lái)管理所有主題，客戶端和設(shè)備都可以指定主題（topic）發(fā)布消息，服務(wù)器代理接收，并將消息轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)有訂閱者訂閱操作時(shí)，根據(jù)主題獲取發(fā)布的內(nèi)容?？蛻舳讼蛟O(shè)備發(fā)送控制指令流程如圖7所示。

代碼和注解如下：

public void SendControlCmd（final String cmd，final String mac）{

//手機(jī)客戶端依據(jù)mac向服務(wù)器發(fā)送設(shè)備控制命令

Stringurl="http://106.14.9.111:8080/suibian/mqtt/send.action";//服務(wù)器請(qǐng)求地址

int method=Request.Method.POST;

Mapparams=new HashMap<>（）;

//傳遞控制參數(shù)

params.put（"data"，cmd）;

params.put（"topic"，mac）;

return params;

//服務(wù)器將其轉(zhuǎn)發(fā)到MQTT代理服務(wù)器

Messagemessage=MessageBuilder.withPayload（string）.setHeader（MqttHeaders.TOPIC，devic.getTelphone（））.build（）;

//發(fā)布主題和內(nèi)容

mqtt.handleMessage（message）;//提交

圖7 客戶端向設(shè)備發(fā)送控制指令流程

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL和Redis，使用Redis作為MySQL的緩存數(shù)據(jù)庫(kù)，減小了MySQL的壓力。用戶第一次登陸，服務(wù)器驗(yàn)證成功后，會(huì)簽發(fā)一個(gè)Token，并將Token攜帶的信息存放在Redis里，同時(shí)將Token發(fā)送給客戶端，客戶端收到Token以后將其存放在Cookie里?？蛻舳嗣看卧L問服務(wù)器都會(huì)帶著Token，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，會(huì)去Redis服務(wù)器驗(yàn)證Token，如果驗(yàn)證成功，將相關(guān)信息返回給客戶端。

5 系統(tǒng)測(cè)試與界面展示

用戶通過(guò)客戶端登錄后，能夠根據(jù)用戶需要?jiǎng)討B(tài)添加家居設(shè)備、管理用戶信息，管理WIFI模塊下的設(shè)備，以及對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行控制。本測(cè)試選用燈和空調(diào)作為家居設(shè)備，首先通過(guò)手機(jī)客戶端配網(wǎng)連接，WIFI模塊通過(guò)UDP廣播來(lái)獲取連接WIFI所需要的用戶名和密碼，連接上網(wǎng)絡(luò)；手機(jī)客戶端添加設(shè)備（燈和空調(diào)），對(duì)燈進(jìn)行打開、關(guān)閉、調(diào)節(jié)亮度操作，對(duì)空調(diào)進(jìn)行打開、關(guān)閉、調(diào)溫、調(diào)風(fēng)速操作，實(shí)時(shí)控制家居設(shè)備。設(shè)備控制視圖如圖8所示。

圖8 設(shè)備控制視圖

手機(jī)客戶端和硬件端都可以解綁，長(zhǎng)按硬件端按鈕，手機(jī)和硬件端同時(shí)刪除設(shè)備信息，快速解綁。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于MQTT的智能家居系統(tǒng)，選用ESP8266WIFI模塊進(jìn)行通信和控制，成本低、體積?。徊捎肕QTT推送機(jī)制，速度快、實(shí)時(shí)性好，通過(guò)內(nèi)外網(wǎng)配合的方式通信，時(shí)效性高；一鍵式清除設(shè)備，使綁定和解綁過(guò)程更加直觀和方便。本系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)添加和控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備隨時(shí)隨地控制。