作者/趙景豪，山東省聊城市外國語學校

基于Android手機遠程遙控家居窗戶系統(tǒng)的設計

作者/趙景豪，山東省聊城市外國語學校

窗戶是家的第二扇大門，人們卻經常一時疏忽，忘記緊鎖窗戶，從而給家里帶來了很多不必要的麻煩。針對此現(xiàn)象，本文設計了一款基于Android手機遠程遙控家居窗戶的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用樹莓派作為主控核心，搭配了L298N電機驅動模塊和直流電機。此外，該系統(tǒng)引入了具有外網IP的阿里云服務器作為中間橋梁，打破了內外網IP之間無法直接通信的壁壘。該系統(tǒng)可以讓主人隨時隨地在Android手機平臺遠程控制窗戶的開關，極大地方便了主人對于窗戶的管理控制，同時又讓家的安全性得到了充分的保證。

樹莓派；遠程遙控；智能窗戶；Android手機

引言

窗戶是家的重要組成部分，同時也是家的第二個“門”，由于忘記關閉窗戶，驟起的沙塵暴或者狂風暴雨勢必將家里掃蕩了個遍，等你回來，家里早已一片狼藉。另一方面，人們經常出遠門忘記緊鎖窗戶，一回家發(fā)現(xiàn)，家里早已被竊賊搜刮干凈了。因此，時刻關緊窗戶就顯得極其重要。

此外，隨著Andorid智能手機價格的走低和互聯(lián)網的普及，手機網民的規(guī)模增長迅猛，據(jù)艾媒網的報道，2016年中國智能手機用戶規(guī)模達6.24億，其中Android手機占比73.1%，IOS占比19.7%，幾乎每個家庭人員均手握一部智能手機（通常人們隨身攜帶手機）。因此，如何設計一款基于手機端遠程家居窗戶控制系統(tǒng)就顯得極其有意義。該系統(tǒng)能夠將手機與窗戶緊密聯(lián)系起來，實現(xiàn)遠程控制窗戶的功能，保證窗戶時刻處于緊閉狀態(tài)，從而使得家的安全性得到充分的保障。另一方面，由于設備IP分為內網IP和外網IP，為了滿足所有用戶網絡的需求，該控制系統(tǒng)必須能夠解決內外網IP設備無法直接通信的問題。

基于上述的考慮，本文將設計一款基于Android手機遠程遙控家居窗戶的控制系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)總體框架設計

本文設計了一款基于Android手機遠程遙控家具窗戶的控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。該系統(tǒng)選用樹莓派作為主控核心，樹莓派通過GPIO口控制L298N電機驅動模塊，從而驅動直流電機實現(xiàn)正反轉來關閉或開啟窗戶。其中，樹莓派控制系統(tǒng)采用Python語言進行編寫（Python是一款開源的語言，其具有豐富和強大的庫，可以更加便捷、靈活的實現(xiàn)控制模塊程序的編寫）。

同時，Android手機作為客戶端，通過SSH遠程訪問家居的控制設備（樹莓派）。SSH是專為遠程登錄會話和其他網絡服務提供安全性的協(xié)議。

此外，為了克服內外網IP設備無法直接傳輸數(shù)據(jù)的問題，本文引入了具有外網IP的服務器（該服務器為阿里云服務器），使其作為中介，并實現(xiàn)了從阿里云服務器（外面IP設備）到樹莓派（內網IP設備）之間的反向代理和端口轉發(fā)的功能。由于樹莓派和阿里云服務器之間實現(xiàn)了反向代理和端口轉發(fā)的聯(lián)系，因此，手機客戶端通過SSH訪問阿里云的IP地址，等價于訪問了樹莓派的IP地址。

2.硬件部分

■ 2.1 樹莓派（Raspberry Pi）

樹莓派設計的初衷在于為學生計算機編程教育提供便捷式的服務，其大小與卡片的尺寸相當，功能類似于一臺微小型的電腦，可以搭載Linux操作系統(tǒng)。本文選用的樹莓派型號為樹莓派三代B型（即，Raspberry Pi 3 Model B）該控制設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；

圖1 基于Android手機遠程遙控家居窗戶系統(tǒng)的總體框架圖

◎SD卡：可以裝載操作系統(tǒng)；

◎以太網接口：連接外界因特網；

◎4個USB口：可以用來連接外部設備，如鍵盤或者鼠標等；

◎板載WiFi；

◎板載藍牙。

■2.2 直流電機

本文采用的電機為小型直流電機，又稱為“馬達”。該電機具有正負極之分，正極接正電壓，負極接負電壓，則電機正轉；反之，電機則反轉。此外，電機的轉速正比于正負極兩端電壓差值的絕對值，即兩端電壓差越大，電機轉速越快，反之則越慢。通常，可以采用PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調制來實現(xiàn)對電機轉速的控制。所謂脈沖寬度調制，即作用于直流電機兩端的電壓脈沖根據(jù)不同時刻的控制信號具有不同的占空比（高電平的持續(xù)時間占一個脈沖周期的百分比），電機兩端相同時間等效的有效電壓不同，使得直流電機的轉速跟著發(fā)生改變。

■2.3 L298N電機驅動模塊

L298N電機驅動模塊可以同時驅動兩個直流電機。該模塊共有4根控制引腳，分別與樹莓派GPIO口的3號，4號，5號，6號引腳進行連接。其中，IN1和IN2控制電機motor1，IN3和IN4控制電機motro2。此外，L298N驅動需外接電源+12V ～+24V進行供電。

L298N驅動具有兩種工作模式，一方面，當使能A（控制電機motor1）、使能B（控制電機motor2）時，可以分別從IN1、IN2輸入PWM（Pulse Width Modulation）信號來控制電機motor1的轉速和方向。同時，可以分別從IN3、IN4輸入相同PWM脈沖信號來控制電機motor2的轉速和方向。另一方面，若禁止A和B使能時，即可通過樹莓派的GPIO口向IN1、IN2、IN3、IN4四個引腳輸入邏輯“1”(GPIO.HIGH)和邏輯“0”(GPIO.LOW)來控制電機motor1和電機motor2。

3.軟件部分

■3.1 整體系統(tǒng)的流程圖

整個遠程控制系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。首先，手機客戶端采用SSH協(xié)議，通過IP地址和端口號向具有外網IP的阿里云服務器發(fā)起連接請求；其次，阿里云服務器將數(shù)據(jù)包原封不動的發(fā)送給主控核心樹莓派；最后，樹莓派再通過GPIO口控制L298N電機驅動模塊，從而實現(xiàn)對直流電機進行正反轉的控制，達到開啟和關閉窗戶的目的。

圖2 基于Android手機遠程遙控家居窗戶系統(tǒng)的流程圖

■3.2 SSH協(xié)議

SSH是一種網絡協(xié)議，用于計算機之間的加密登錄。如果一個用戶在自己的本地計算機使用SSH協(xié)議登錄另一臺遠程計算機，我們就可以認為，這種登錄是安全的，即使被中途截獲，密碼也不會泄露。SSH主要用于遠程登錄，假定你要以用戶名user，登錄遠程主機host，只要一條簡單命令就可以了，即： ssh user@host 。

其中，SSH的工作流程如下：

（1）遠程主機收到用戶的登錄請求，把自己的公鑰發(fā)給用戶。

（2）用戶使用這個公鑰，將登錄密碼加密后，發(fā)送回來。

（3）遠程主機用自己的私鑰，解密登錄密碼，如果密碼正確，就同意用戶登錄。

■3.3 反向代理和端口轉發(fā)

本文采用遠程服務器與樹莓派之間進行反向代理和端口轉發(fā)的方法，解決了內外網IP設備無法直接進行通信的問題（內網IP設備可以直接訪問外網IP設備，外網IP設備卻無法直接訪問內網IP設備）。其中，阿里云服務器作為中介，一頭連接了Android手機客戶端，另外一頭連接了主控核心樹莓派。

反向代理和端口轉發(fā)的配置步驟如下：

步驟一、 建立A機器到B機器的反向代理【A機器上操作】，命令如下：

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

其中， 為B機器上端口，用來與A機器上的22端口綁定。

步驟二、 建立 B 機器上的正向代理，用作本地轉發(fā)?！綛機器上操作】，命令如下：

ssh –fCNL ＊ : : localhost : lo–calhost

其中， 為本地轉發(fā)端口，用以和外網通信，并將數(shù)據(jù)轉發(fā)到 ，實現(xiàn)可以從其他機器訪問。其中的 ＊表示接受來自任意機器的訪問。

步驟三、在C機器上可以通過B機器ssh到A機器

ssh –p usra@B.B.B.B

其中，SSH 參數(shù)解釋如下：

◎ –f 后臺運行

◎–C 允許壓縮數(shù)據(jù)

◎–N 不執(zhí)行任何命令

◎–R 將端口綁定到遠程服務器，反向代理

◎–L 將端口綁定到本地客戶端，正向代理

4.總結

本文圍繞家居窗戶安全性的考慮，設計了一款基于Android手機遠程遙控家居窗戶的控制系統(tǒng)。主人可以在android手機平臺上，隨時隨地遠程控制家里窗戶的關閉或者開啟。該系統(tǒng)極大地保證了主人因疏忽忘記關窗戶所可能帶來的潛在危險，同時克服了內外網IP之間無法直接通信的問題，使得該系統(tǒng)能夠更加廣泛為用戶提供遠程管理家居窗戶的服務。

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