白 昊,屈軍鎖,孫 陽(yáng),占 偉

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710121)

基于串口轉(zhuǎn)WiFi的物聯(lián)網(wǎng)終端遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)方法

白 昊,屈軍鎖,孫 陽(yáng),占 偉

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710121)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)同一無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，存在傳輸距離短、可移動(dòng)性差等缺點(diǎn)；針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)終端遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)方法，采用串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，通過(guò)Socket模式下的透?jìng)鳈C(jī)制，傳統(tǒng)的串口設(shè)備能夠無(wú)線接入到互網(wǎng)絡(luò)中基于MQTT消息傳輸協(xié)議的服務(wù)器上，完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，從而使終端設(shè)備突破無(wú)線通信距離的限制，達(dá)到數(shù)據(jù)交互和遠(yuǎn)程控制的目的；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法正確、可靠，可廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

串口；WiFi；遠(yuǎn)程控制；透?jìng)?/p>

0 引言

在與物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備通信中，有線通信方式可移動(dòng)性較差，無(wú)線局域網(wǎng)方式通信距離較短，兩者都難以滿足人們對(duì)于設(shè)備遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)交互的需求。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信和控制技術(shù)的發(fā)展使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在遠(yuǎn)程智能控制上成為可能。本文主要介紹了一種基于串口轉(zhuǎn)WiFi的物聯(lián)網(wǎng)終端遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，將數(shù)據(jù)進(jìn)行透明化傳輸，內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧和IEEE802.11協(xié)議棧，能夠完成用戶串口到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。終端設(shè)備通過(guò)能夠訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線路由器，連接到基于消息傳輸協(xié)議MQTT的服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)設(shè)備上對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)交互，更大程度上實(shí)現(xiàn)信息化和智能化。

1 串口轉(zhuǎn)WiFi的工作模式

當(dāng)與物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)，從通信的距離上可分為局域網(wǎng)通信和廣域網(wǎng)通信，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上可分為自組網(wǎng)(Ad hoc)和基礎(chǔ)網(wǎng)(Infra)，此時(shí)WiFi模塊分別工作在STA(Station)組網(wǎng)模式和AP(Access Point)組網(wǎng)模式。

AP即無(wú)線接入點(diǎn)，此時(shí)WiFi模塊是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，處于網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中所有的通信都要通過(guò)AP來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AP模式結(jié)構(gòu)示意圖

STA即站點(diǎn)，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)的終端(如手機(jī)、筆記本、掌上電腦PDA等)都可以稱作是一個(gè)站點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)的地位是平等的，無(wú)需設(shè)置任何的中心控制結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)不僅具有普通移動(dòng)終端所需的功能，而且具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 STA模式結(jié)構(gòu)示意圖

串口轉(zhuǎn)WiFi模塊可工作于Socket通信模式或命令模式。

在Socket模式下，模塊可工作在透?jìng)?、Httdp Client、Websocket、SSL Client通信模式，串口轉(zhuǎn)WiFi模塊可實(shí)現(xiàn)通用同步/異步收發(fā)傳輸器UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitte)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在命令模式中，可使用AT(Attention)命令對(duì)模塊進(jìn)行UART的設(shè)置。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程通信時(shí)，WiFi模塊工作在STA組網(wǎng)模式，串口轉(zhuǎn)WiFi模塊工作在Socket模式，無(wú)線路由器作為網(wǎng)絡(luò)的總控中心。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。串口設(shè)備通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊將設(shè)備的MAC地址、ID、用戶定義信息等注冊(cè)數(shù)據(jù)打包進(jìn)行Socket透?jìng)魍ㄐ?，?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)給外網(wǎng)服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器這個(gè)橋梁，與終端設(shè)備的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)或者WiFi網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)交互的目的。

圖3 遠(yuǎn)程控制拓?fù)涫疽鈭D

2 Socket模式下的透?jìng)魍ㄐ艡C(jī)制

WiFi轉(zhuǎn)串口模塊的整體功能框圖如圖4所示。本文使用透?jìng)鞯耐ㄐ拍Ｊ綄?shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)交互，交換網(wǎng)絡(luò)無(wú)論傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是什么，不會(huì)對(duì)其進(jìn)行任何處理，只負(fù)責(zé)將需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)正確的傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。與交換網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)、解調(diào)方式、傳輸方式和通信協(xié)議無(wú)關(guān)的一種數(shù)據(jù)傳輸方式。

圖4 整體功能框圖

2.1 UART組幀機(jī)制

WiFi轉(zhuǎn)串口模塊當(dāng)接收到串口設(shè)備UART發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)不斷檢查相鄰2個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔。如果時(shí)間間隔大于設(shè)定的打包時(shí)間nms，則認(rèn)為一幀的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，否則一直接收數(shù)據(jù)。組幀流程如圖5所示。

圖5 組幀示意圖

2.2 透?jìng)髂Ｊ?/p>

在透?jìng)髂Ｊ较碌腟ocket連接，可采用TCP或UDP兩種方式。當(dāng)模塊UART接口寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，模塊會(huì)自動(dòng)向Socket轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而模塊通過(guò)Socket接收的數(shù)據(jù)，都將通過(guò)UART接口發(fā)送出去。

當(dāng)Socket設(shè)置成TCP Server狀態(tài)時(shí)，Socket TCP Server模式下可支持最多3個(gè)TCP Client建立連接，當(dāng)有第4個(gè)TCP Client接入時(shí)，會(huì)斷開(kāi)第一個(gè)Client的連接。在多TCP鏈路連接的情況下，從TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)被逐個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)到UART接口上。從UART接口上接收到的數(shù)據(jù)會(huì)被復(fù)制成多份，分別向每一個(gè)TCP 鏈接轉(zhuǎn)發(fā)一份。

當(dāng)Socket設(shè)置成UDP Server狀態(tài)時(shí)，若串口先接收到數(shù)據(jù)，模塊會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到已設(shè)置好IP和端口的服務(wù)器中，如果UDP Server接收到數(shù)據(jù)，模塊會(huì)記錄下發(fā)送數(shù)據(jù)的源地址，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后，模塊會(huì)向該地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在UDP Client模式下，模塊只向已設(shè)置好的IP和端口的服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，并且也只能接收該服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，其他地址轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)將會(huì)被丟棄，不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到UART口。

在建立Socket連接前需先發(fā)送注冊(cè)數(shù)據(jù)包，將設(shè)備的MAC地址、ID、以及用戶定義信息發(fā)送給服務(wù)器。在TCP Client模式下注冊(cè)包可以設(shè)置為連接時(shí)第一次發(fā)送或者在每個(gè)數(shù)據(jù)包前添加，而在UDP Client模式下注冊(cè)包數(shù)據(jù)會(huì)在每個(gè)數(shù)據(jù)包前添加。

在透?jìng)髂Ｊ较驴砷_(kāi)啟加密功能。模塊的串口接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行加密處理，然后傳輸?shù)絊ocket端。Socket端接收到加密數(shù)據(jù)時(shí)，模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密處理，然后將數(shù)據(jù)透?jìng)鹘o串口。開(kāi)啟加密解密功能會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時(shí)間，導(dǎo)致數(shù)據(jù)可能發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，需通過(guò)增大發(fā)送數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔來(lái)降低錯(cuò)誤率。

3 遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備首次配置時(shí)，設(shè)備會(huì)通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊自建一個(gè)WIFI網(wǎng)絡(luò)，以便將AP和服務(wù)器配置信息寫(xiě)入到終端設(shè)備中，完成遠(yuǎn)程設(shè)備的上線。當(dāng)用戶加入到該無(wú)線局域網(wǎng)后，會(huì)讀取終端設(shè)備的基本信息，獲取到相應(yīng)的IP地址、端口號(hào)、MAC地址等信息，進(jìn)行系統(tǒng)初始化。配置信息的寫(xiě)入可通過(guò)手動(dòng)方式或者smart-config方式。配置好相應(yīng)的工作模式、AP信息(服務(wù)集標(biāo)識(shí)SSID、密碼和加密方式)和服務(wù)器信息(IP地址、端口號(hào))后，終端設(shè)備的信息將通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)注冊(cè)到服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器中。物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備配置流程圖如圖6所示。

圖6 設(shè)備配置流程圖

設(shè)備有服務(wù)器和客戶機(jī)兩種工作模式，在服務(wù)器模式下，串口轉(zhuǎn)WIFI模塊處于被動(dòng)式聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，在每次數(shù)據(jù)交換之前，設(shè)備處于等待的狀態(tài)，當(dāng)有客戶端發(fā)起連接邀請(qǐng)，才進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在客戶機(jī)模式下，串口轉(zhuǎn)WiFi模塊處于主動(dòng)式聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，在每次數(shù)據(jù)交換前，由設(shè)備主動(dòng)發(fā)起連接，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

在服務(wù)器端通過(guò)部署Apache apollo，使用輕量級(jí)的、基于代理的“發(fā)布/訂閱”模式的MQTT消息傳輸協(xié)議。該協(xié)議具有簡(jiǎn)潔、開(kāi)放、小巧和可靠的特點(diǎn)，特別適用于低帶寬、不可靠連接，以及CPU內(nèi)存資源緊張的嵌入式設(shè)備和移動(dòng)終端上。

MQTT可分為MQTT消息代理和MQTT客戶端，客戶端直接使用MQTT協(xié)議與消息代理進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)如圖7所示。發(fā)布/訂閱是一種消息模式，消息的發(fā)布者與訂閱者通過(guò)代理服務(wù)器中的特定的主題作為中介進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，不需要通過(guò)TCP來(lái)建立直接的通信連接，消息發(fā)布者發(fā)送的消息會(huì)進(jìn)入一個(gè)發(fā)送隊(duì)列中；訂閱者對(duì)于一個(gè)或多個(gè)類別表達(dá)興趣，于是接收感興趣的消息，而無(wú)需關(guān)心誰(shuí)是消息的發(fā)布者，解除應(yīng)用程序的耦合。此外，MQTT提供3個(gè)級(jí)別的Qos服務(wù)質(zhì)量，使得客戶端和服務(wù)器之間能準(zhǔn)確無(wú)誤的接收消息。

圖7 MQTT架構(gòu)圖

4 效果驗(yàn)證與分析

首先終端設(shè)備上電后會(huì)進(jìn)入默認(rèn)的AP模式，自動(dòng)組建一個(gè)SSID為TEST-Device的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，如圖8(a)所示。配置設(shè)備成功連接上該網(wǎng)絡(luò)后，可對(duì)設(shè)備的工作模式和服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置，如圖8(b)所示。輸入無(wú)線路由器(可連接到互聯(lián)網(wǎng)的AP設(shè)備)SSID和密碼信息，如圖8(c)所示，將配置信息寫(xiě)入到設(shè)備后，設(shè)備在服務(wù)器注冊(cè)成功后即可連接到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)交互。從互聯(lián)網(wǎng)向設(shè)備發(fā)送的交互數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制信息，通過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)的AP設(shè)備，AP作為設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中心，將數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi轉(zhuǎn)串口模塊轉(zhuǎn)發(fā)給終端設(shè)備的串口模塊。通過(guò)串口調(diào)試助手可將遠(yuǎn)程控制信息成功顯示，串口顯示如圖9所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于串口轉(zhuǎn)WiFI模塊的物聯(lián)網(wǎng)終端遠(yuǎn)程控制方法可將客戶端的控制命令通過(guò)服務(wù)器實(shí)時(shí)下發(fā)給設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖8 配置示意圖

圖9 串口顯示測(cè)試

5 結(jié)論

基于串口轉(zhuǎn)WiFi的物聯(lián)網(wǎng)終端遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)方法，不受位置和線纜的束縛，可移動(dòng)性較好、交互性更強(qiáng)，可完成設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制，使得設(shè)備間交互更加方便、快捷。該方法成本較低，可靠性高，可廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域，具有良好的拓展性和通用性。

[1] Scaglia Sergio.潘琢金,譯.嵌入式internet tcp/ip基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

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Remote Control of Internet of Things Terminal Implementation Method Based on Serial to WiFi

Bai Hao，Qu Junsuo，Sun Yang，Zhan Wei

(College of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts & Telecommunications, Xi’an 710121, China)

With the rapid development of the Internet of things technology, control of devices in the same wireless local area network,there is a short transmission distance, poor mobility etc. To tackle this problem, here is one proposed remote control of Internet of things terminal implementation method, the serial to WiFi module, through the socket mode of transmission mechanism, the traditional serial port device can access the server based on the MQTT message transmission protocol in the Internet to complete the data sending and receiving, so that the terminal devices to break through the limitation of wireless communication distance, to achieve the purpose of remote data exchange and control. Experimental results show that the method is correct and reliable, and can be widely used in smart home, industrial control and other fields.

serial; WiFi; remote control; transparent transmission

2016-07-15；

2016-08-24。

白 昊(1992-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，碩士研究生，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用方向的研究。

屈軍鎖(1968-)，男，陜西渭南人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事寬帶通信與信息化方向的研究。

1671-4598(2017)01-0149-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.042

TP393

A