一款基于WiFi無線的電源開關指令系統設計

殷華英

(承德石油高等專科學校 計算機與信息工程系，河北 承德 067000)

1 無線電源開關工作原理

在智能家居環境中，無線開關是最常用也是必不可少的一種接入設備，通過它，用戶可以控制和監控無線智能家居環境中不同電器的狀態，如空調的開關、窗簾的開合、電燈的開閉等[1-2]。相比傳統開關，無線開關操作更靈活、更方便、更安全，可以通過智能手持設備、手機等，進行遠程控制。如在回家前，提前打開空調，營造一個舒適的環境，或者因為出門，忘了關閉電器電源，可以方便通過手機上的APP，進行遠程關閉以節約能源。

在無線開關中，一個關鍵部件是串口WiFi模塊，通過它實現串口數據到無線數據的轉換[3]。串口WiFi模塊基于通用程序接口特性，符合IEEE802.11 協議棧網絡標準，內置TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口、WiFi無線網和互聯網3個接口之間的任意透明轉換，使傳統串口設備更好的加入無線網絡。現在家用無線開關中，大多采用基于WiFi的數據傳輸方式，利用無線路由器作為中控中心，配合適配無線開關的手機APP應用，根據操作說明，配置設備開關，或針對不同應用場景進行設置，從而實現手機遠程控制。無線WiFi電源開關基本工作原理如圖1所示。

在圖1中，一個服務器記錄各個開關的狀態，并通過網絡發送相關控制指令。無線開關通過WiFi連接路由器接入網絡，與服務器進行數據通信。手機終端可以通過數據網絡或WiFi的方式，與服務器或與路由器相連。在外網斷開時，手機、路由器和無線開關形成局域網，路由器作為數據轉發部件，會將手機終端發送的指令完成數據的轉發，數據信號經過無線路由器轉發，從而實現局域網無線控制。外網連接時，相關設備形成一個廣域網，無線路由器作為中控中心，無線開關中WiFi模塊mac地址會被事先寫入服務器。手機通過程序連接服務器，操作開關，發送指令，這些指令再由服務器傳給無線路由進行轉發，從而完成對開關的控制。

無線電源開關在第一次使用時，手機APP和其相連，完成一些初始化設置。如開關名稱、分組、設置路由器IP地址以及模式設置等，這些信息將在其與服務器相連后傳至服務器進行保存。

WiFi無線開關工作模式一般有兩種，一種是AP模式，在該模式下，無線開關本身為一個連接熱點，等待其它設備連接，手機等智能終端直接與其相連，對其進行控制。但這種模式下，手機和無線開關的連接受距離限制比較大，而且在設備切換時比較麻煩。第二種是STA模式，這種模式下，手機和無線開關由無線路由器進行相連，或者手機通過4G、5G網絡與服務器相連，指令會由路由器進行轉發。也可以無線開關以定時方式發送報送指令，以獲取執行指令。這種模式下，能充分發揮手機APP的作用，實現對無線開關的遠程控制與管理。

2 無線電源開關結構

筆者在與某公司合作期間，該公司針對目前市場的需求，擬開發出一款WiFi無線開關產品，本人也參與到該產品的研發過程。經過一段時間研制，其產品初步成型，產品背面和正面如圖2所示。

在圖2的右圖中，提供了一個復位按鈕，長按恢復出廠設置，短按進行AP和STA模式切換。同時在面板上設置了觸控按鍵，在網絡斷開時可以像傳統開關一樣進行手動控制。本開關提供兩種工作模式：AP模式和STA模式。AP模式是默認模式，在AP模式下，手機可以直接與其相連，然后發送設置指令進行設置，并可通過發送模式切換指令轉換到STA模式。在STA模式下，手機和開關通過路由器和服務器相連，手機APP向云服務器發出指令，命令執行時，開關定時向云服務器發出報送指令，云服務器返回需要執行的指令集合，開關逐條順序執行，不再做回復。在開關面板上，設置紅綠兩個指示燈， 靜態指示指明當前工作模式，如紅燈亮表示AP模式，綠燈亮表示STA模式。閃爍指示標識工作狀態如WiFi連接不上、云服務器不能連接等。

3 指令系統

3.1 基本指令格式

在整個開關系統使用過程中，無線開關或手機APP發出的每條指令，都會得到一條回復指令。對于這兩種格式，其指令格式如下：

1)發送指令基本格式

S,命令編碼, ,參數1, 參數2,…,E

參數說明：s為指令第一個標識，各參數之間用逗號分隔，命令編碼為指令標識，由一個字母和數字構成，占定長2個字節。:表示指令順序碼，占定長7個字節，用數字從1 000 000～9 999 999，用完再循環使用。E表示指令結束。

2)回復指令基本格式

執行指令發送出去后，需要返回指令的執行結果，系統可以根據回復指令中信息進行相應的處理，其格式如下：

S,<原命令>, <原xh>,,E

參數說明： 為指令是否執行成功的標志位， T(true)表示成功，F(false)表示失敗。

3.2 具體功能指令及回復指令格式

根據具體功能，無線開關包括以下四種指令。

3.2.1 報送指令

報送指令是無線開關用來向云服務器定時循環報送狀態，開關從云端獲取給自己的指令同時上傳狀態。這是為了減輕服務器輪詢的負擔，采用了從開關發送指令的方法。命令格式：

S,A0,,,,<開關ID>,,,,E

參數說明： 為無線開關的管理用戶，在云服務器上注冊生成，一般每個家庭對應一個用戶， 為用戶密碼。<開關ID>每個無線開關的唯一編碼，由單片機唯一ID生成。表示第n個繼電器狀態，保存繼電器狀態可以在網絡斷開重新連接后進行恢復。

回復指令：為一個指令集，包括下文提到的設置指令和控制指令, 多個指令之間用 分開，最后以空指令結束。空指令格式如下：

S,A0,,E

如果沒有需要執行的指令，僅回復空指令。

3.2.2 設置指令

1)設置路由WiFi參數：這是在AP模式下，手機向無線開關發送的指令，命令格式：

S,C1, , ,,, ,E

參數說明：C1為該指令的標識，是路由器的網絡名稱，為登錄路由器的密碼，和表示通道號和加密方式，為空表示取默認值。

回復指令格式：S,C1,,,E

由于本指令與WiFi模式關聯，不需要馬上生效，在切換到STA模式或重新加電時生效。

2)設置云服務器參數：用來設置服務器的相關信息。命令格式：

S,C2,,,,,,E

參數說明：為服務器地址，為端口號， 為開關的管理用戶，由云服務器注冊生成，一般每個家庭一個用戶。表示用戶密碼。通過執行該命令，無線開關將會和指定的服務器進行報送。

回復指令格式：S,C2,,,E

3)設置報送指令時間間隔，命令格式：

S,C3,,,E

參數說明：表示無線開關報送到服務器的時間間隔，取值范圍為1～600秒。

回復指令格式：S,C3,,,E

4)設置WiFi工作模式：設置無線開關在AP和STA模式進行切換。命令格式：

S,C4,,,E

參數說明：為設置的工作模式，可取AP或STA。

回復指令格式：S,C4,,,E

5)設置新的AP密碼，設置無線開關在AP模式下的新密碼。命令格式：

S,C5,,,E

參數說明： 為Ap模式下新的連接密碼。

回復指令格式：S,C5,,,E

3.2.3 查詢指令

1)查詢當前參數，該指令執行后將返回動態記憶的主要參數,但不含密碼，命令格式：

S,B0,,E

回復指令格式：S,B0,., ,,,, ,,E

2)查詢繼電器狀態，命令格式：

S,B3,,E

回復指令格式：S,B3,,,,,E

3.2.4 控制指令

1)單繼電器控制，設置某一個指定的繼電器狀態，命令格式：

S,A1,,,,E

參數說明： 表示繼電器序號, 可取1,2,3。表示第n個繼電器狀態。

回復指令格式：S,A1,,,E

2)多繼電器控制，設置某多個指定的繼電器狀態，命令格式：

S,A3,,,,,E

參數說明：表示要設置的n個繼電器狀態。

回復指令格式：S,A3,,,E

4 指令系統測試

針對無線開關的兩種連接模式，指令測試也分兩種情形，在AP模式下，計算機先通過WiFi連接到無線開關，進行模擬測試，打開“tcp調試助手”這一款軟件，該軟件是一款網絡調試工具，功能非常強大，支持TCP Server、TCP Client、UDP等通信模式，可以幫助網絡應用設計、開發、測試人員檢查所開發的網絡應用軟硬件的數據收發狀況，提高開發的速度。無線開關默認ip地址為192.168.5.1，端口為8000。通過該軟件連接成功后，發送相關指令進行測試。測試過程中，未發現指令出現異常情況。在STA模式下，先開發出一個包含服務器和手機APP的測試系統。通過手機APP，執行功能，完成指令的發送。在系統運行過程中，所有指令均得到了正常執行，和設計的結果完成一致。