一款基于WiFi無線的電源開關(guān)指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)

殷華英

(承德石油高等專科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程系，河北 承德 067000)

1 無線電源開關(guān)工作原理

在智能家居環(huán)境中，無線開關(guān)是最常用也是必不可少的一種接入設(shè)備，通過它，用戶可以控制和監(jiān)控?zé)o線智能家居環(huán)境中不同電器的狀態(tài)，如空調(diào)的開關(guān)、窗簾的開合、電燈的開閉等[1-2]。相比傳統(tǒng)開關(guān)，無線開關(guān)操作更靈活、更方便、更安全，可以通過智能手持設(shè)備、手機(jī)等，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。如在回家前，提前打開空調(diào)，營造一個(gè)舒適的環(huán)境，或者因?yàn)槌鲩T，忘了關(guān)閉電器電源，可以方便通過手機(jī)上的APP，進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)閉以節(jié)約能源。

在無線開關(guān)中，一個(gè)關(guān)鍵部件是串口WiFi模塊，通過它實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)到無線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[3]。串口WiFi模塊基于通用程序接口特性，符合IEEE802.11 協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、WiFi無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)3個(gè)接口之間的任意透明轉(zhuǎn)換，使傳統(tǒng)串口設(shè)備更好的加入無線網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在家用無線開關(guān)中，大多采用基于WiFi的數(shù)據(jù)傳輸方式，利用無線路由器作為中控中心，配合適配無線開關(guān)的手機(jī)APP應(yīng)用，根據(jù)操作說明，配置設(shè)備開關(guān)，或針對(duì)不同應(yīng)用場景進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制。無線WiFi電源開關(guān)基本工作原理如圖1所示。

在圖1中，一個(gè)服務(wù)器記錄各個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相關(guān)控制指令。無線開關(guān)通過WiFi連接路由器接入網(wǎng)絡(luò)，與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。手機(jī)終端可以通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或WiFi的方式，與服務(wù)器或與路由器相連。在外網(wǎng)斷開時(shí)，手機(jī)、路由器和無線開關(guān)形成局域網(wǎng)，路由器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)部件，會(huì)將手機(jī)終端發(fā)送的指令完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。外網(wǎng)連接時(shí)，相關(guān)設(shè)備形成一個(gè)廣域網(wǎng)，無線路由器作為中控中心，無線開關(guān)中WiFi模塊mac地址會(huì)被事先寫入服務(wù)器。手機(jī)通過程序連接服務(wù)器，操作開關(guān)，發(fā)送指令，這些指令再由服務(wù)器傳給無線路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而完成對(duì)開關(guān)的控制。

無線電源開關(guān)在第一次使用時(shí)，手機(jī)APP和其相連，完成一些初始化設(shè)置。如開關(guān)名稱、分組、設(shè)置路由器IP地址以及模式設(shè)置等，這些信息將在其與服務(wù)器相連后傳至服務(wù)器進(jìn)行保存。

WiFi無線開關(guān)工作模式一般有兩種，一種是AP模式，在該模式下，無線開關(guān)本身為一個(gè)連接熱點(diǎn)，等待其它設(shè)備連接，手機(jī)等智能終端直接與其相連，對(duì)其進(jìn)行控制。但這種模式下，手機(jī)和無線開關(guān)的連接受距離限制比較大，而且在設(shè)備切換時(shí)比較麻煩。第二種是STA模式，這種模式下，手機(jī)和無線開關(guān)由無線路由器進(jìn)行相連，或者手機(jī)通過4G、5G網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器相連，指令會(huì)由路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。也可以無線開關(guān)以定時(shí)方式發(fā)送報(bào)送指令，以獲取執(zhí)行指令。這種模式下，能充分發(fā)揮手機(jī)APP的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線開關(guān)的遠(yuǎn)程控制與管理。

2 無線電源開關(guān)結(jié)構(gòu)

筆者在與某公司合作期間，該公司針對(duì)目前市場的需求，擬開發(fā)出一款WiFi無線開關(guān)產(chǎn)品，本人也參與到該產(chǎn)品的研發(fā)過程。經(jīng)過一段時(shí)間研制，其產(chǎn)品初步成型，產(chǎn)品背面和正面如圖2所示。

在圖2的右圖中，提供了一個(gè)復(fù)位按鈕，長按恢復(fù)出廠設(shè)置，短按進(jìn)行AP和STA模式切換。同時(shí)在面板上設(shè)置了觸控按鍵，在網(wǎng)絡(luò)斷開時(shí)可以像傳統(tǒng)開關(guān)一樣進(jìn)行手動(dòng)控制。本開關(guān)提供兩種工作模式：AP模式和STA模式。AP模式是默認(rèn)模式，在AP模式下，手機(jī)可以直接與其相連，然后發(fā)送設(shè)置指令進(jìn)行設(shè)置，并可通過發(fā)送模式切換指令轉(zhuǎn)換到STA模式。在STA模式下，手機(jī)和開關(guān)通過路由器和服務(wù)器相連，手機(jī)APP向云服務(wù)器發(fā)出指令，命令執(zhí)行時(shí)，開關(guān)定時(shí)向云服務(wù)器發(fā)出報(bào)送指令，云服務(wù)器返回需要執(zhí)行的指令集合，開關(guān)逐條順序執(zhí)行，不再做回復(fù)。在開關(guān)面板上，設(shè)置紅綠兩個(gè)指示燈， 靜態(tài)指示指明當(dāng)前工作模式，如紅燈亮表示AP模式，綠燈亮表示STA模式。閃爍指示標(biāo)識(shí)工作狀態(tài)如WiFi連接不上、云服務(wù)器不能連接等。

3 指令系統(tǒng)

3.1 基本指令格式

在整個(gè)開關(guān)系統(tǒng)使用過程中，無線開關(guān)或手機(jī)APP發(fā)出的每條指令，都會(huì)得到一條回復(fù)指令。對(duì)于這兩種格式，其指令格式如下：

1)發(fā)送指令基本格式

S,命令編碼, ,參數(shù)1, 參數(shù)2,…,E

參數(shù)說明：s為指令第一個(gè)標(biāo)識(shí)，各參數(shù)之間用逗號(hào)分隔，命令編碼為指令標(biāo)識(shí)，由一個(gè)字母和數(shù)字構(gòu)成，占定長2個(gè)字節(jié)。:表示指令順序碼，占定長7個(gè)字節(jié)，用數(shù)字從1 000 000～9 999 999，用完再循環(huán)使用。E表示指令結(jié)束。

2)回復(fù)指令基本格式

執(zhí)行指令發(fā)送出去后，需要返回指令的執(zhí)行結(jié)果，系統(tǒng)可以根據(jù)回復(fù)指令中信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，其格式如下：

S,<原命令>, <原xh>,,E

參數(shù)說明： 為指令是否執(zhí)行成功的標(biāo)志位， T(true)表示成功，F(xiàn)(false)表示失敗。

3.2 具體功能指令及回復(fù)指令格式

根據(jù)具體功能，無線開關(guān)包括以下四種指令。

3.2.1 報(bào)送指令

報(bào)送指令是無線開關(guān)用來向云服務(wù)器定時(shí)循環(huán)報(bào)送狀態(tài)，開關(guān)從云端獲取給自己的指令同時(shí)上傳狀態(tài)。這是為了減輕服務(wù)器輪詢的負(fù)擔(dān)，采用了從開關(guān)發(fā)送指令的方法。命令格式：

S,A0,,,,<開關(guān)ID>,,,,E

參數(shù)說明： 為無線開關(guān)的管理用戶，在云服務(wù)器上注冊(cè)生成，一般每個(gè)家庭對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶， 為用戶密碼。<開關(guān)ID>每個(gè)無線開關(guān)的唯一編碼，由單片機(jī)唯一ID生成。表示第n個(gè)繼電器狀態(tài)，保存繼電器狀態(tài)可以在網(wǎng)絡(luò)斷開重新連接后進(jìn)行恢復(fù)。

回復(fù)指令：為一個(gè)指令集，包括下文提到的設(shè)置指令和控制指令, 多個(gè)指令之間用 分開，最后以空指令結(jié)束?？罩噶罡袷饺缦拢?/p>

S,A0,,E

如果沒有需要執(zhí)行的指令，僅回復(fù)空指令。

3.2.2 設(shè)置指令

1)設(shè)置路由WiFi參數(shù)：這是在AP模式下，手機(jī)向無線開關(guān)發(fā)送的指令，命令格式：

S,C1, , ,,, ,E

參數(shù)說明：C1為該指令的標(biāo)識(shí)，是路由器的網(wǎng)絡(luò)名稱，為登錄路由器的密碼，和表示通道號(hào)和加密方式，為空表示取默認(rèn)值。

回復(fù)指令格式：S,C1,,,E

由于本指令與WiFi模式關(guān)聯(lián)，不需要馬上生效，在切換到STA模式或重新加電時(shí)生效。

2)設(shè)置云服務(wù)器參數(shù)：用來設(shè)置服務(wù)器的相關(guān)信息。命令格式：

S,C2,,,,,,E

參數(shù)說明：為服務(wù)器地址，為端口號(hào)， 為開關(guān)的管理用戶，由云服務(wù)器注冊(cè)生成，一般每個(gè)家庭一個(gè)用戶。表示用戶密碼。通過執(zhí)行該命令，無線開關(guān)將會(huì)和指定的服務(wù)器進(jìn)行報(bào)送。

回復(fù)指令格式：S,C2,,,E

3)設(shè)置報(bào)送指令時(shí)間間隔，命令格式：

S,C3,,,E

參數(shù)說明：表示無線開關(guān)報(bào)送到服務(wù)器的時(shí)間間隔，取值范圍為1～600秒。

回復(fù)指令格式：S,C3,,,E

4)設(shè)置WiFi工作模式：設(shè)置無線開關(guān)在AP和STA模式進(jìn)行切換。命令格式：

S,C4,,,E

參數(shù)說明：為設(shè)置的工作模式，可取AP或STA。

回復(fù)指令格式：S,C4,,,E

5)設(shè)置新的AP密碼，設(shè)置無線開關(guān)在AP模式下的新密碼。命令格式：

S,C5,,,E

參數(shù)說明： 為Ap模式下新的連接密碼。

回復(fù)指令格式：S,C5,,,E

3.2.3 查詢指令

1)查詢當(dāng)前參數(shù)，該指令執(zhí)行后將返回動(dòng)態(tài)記憶的主要參數(shù),但不含密碼，命令格式：

S,B0,,E

回復(fù)指令格式：S,B0,., ,,,, ,,E

2)查詢繼電器狀態(tài)，命令格式：

S,B3,,E

回復(fù)指令格式：S,B3,,,,,E

3.2.4 控制指令

1)單繼電器控制，設(shè)置某一個(gè)指定的繼電器狀態(tài)，命令格式：

S,A1,,,,E

參數(shù)說明： 表示繼電器序號(hào), 可取1,2,3。表示第n個(gè)繼電器狀態(tài)。

回復(fù)指令格式：S,A1,,,E

2)多繼電器控制，設(shè)置某多個(gè)指定的繼電器狀態(tài)，命令格式：

S,A3,,,,,E

參數(shù)說明：表示要設(shè)置的n個(gè)繼電器狀態(tài)。

回復(fù)指令格式：S,A3,,,E

4 指令系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)無線開關(guān)的兩種連接模式，指令測(cè)試也分兩種情形，在AP模式下，計(jì)算機(jī)先通過WiFi連接到無線開關(guān)，進(jìn)行模擬測(cè)試，打開“tcp調(diào)試助手”這一款軟件，該軟件是一款網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具，功能非常強(qiáng)大，支持TCP Server、TCP Client、UDP等通信模式，可以幫助網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試人員檢查所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟硬件的數(shù)據(jù)收發(fā)狀況，提高開發(fā)的速度。無線開關(guān)默認(rèn)ip地址為192.168.5.1，端口為8000。通過該軟件連接成功后，發(fā)送相關(guān)指令進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程中，未發(fā)現(xiàn)指令出現(xiàn)異常情況。在STA模式下，先開發(fā)出一個(gè)包含服務(wù)器和手機(jī)APP的測(cè)試系統(tǒng)。通過手機(jī)APP，執(zhí)行功能，完成指令的發(fā)送。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，所有指令均得到了正常執(zhí)行，和設(shè)計(jì)的結(jié)果完成一致。