基于智能家居物聯網產品的通信設計與實現

王 臻 成 瀚 桂 林

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315314）

引言

隨著電子技術的發展，通信技術的進步，產品的定義發生了較大的變化，特別是與生活息息相關的生活電器。人們開始不滿足于簡單的手動操作，厭倦繁瑣的控制，定制簡便、界面友好的手機應用逐漸成為主流。與它的通信協議也由開始的私有協議逐步被通用性更好、安全性更高的物聯網通信所替代。因此，在智能家居產品的開發中，物聯網的接入成為我們避不開的思考。

例如電飯煲，隨著需求的提升功能越來越多，最終布滿產品甚至導致選擇困擾，通過接入物聯網平臺將設置簡潔化，并實現了一鍵定制；又例如空調，一般采用距離較近的紅外控制，開啟后需要較長時間等待，通過接入物聯網平臺實現了遠程控制，并可根據習慣設置任務，省去了開啟后等待的問題；再例如家里的燈具和窗簾，睡前需要一個個去關閉，通過接入物聯網平臺可以設置睡眠模式實現整體調整燈光亮度、關閉窗簾的一系列操作。可見接入物聯網不僅能方便控制，還能提升生活的舒適感受，滿足我們對電器使用的更高要求。

1 物聯網產品的通信

物聯網通信是一種通用的開發方式，它不同于私有協議，具有協議規范、內容可讀性高的特點，這也是為什么接入物聯網能實現互聯互通的原因，而實現它得益于MQTT和JSON的應用。

1.1 MQTT協議

MQTT是一個輕巧、開放、簡單、規范、易于實現的通用協議，是一種標準消息隊列。有別于動輒幾十上百條的私有協議，MQTT定義規范、分類明確，有效內容僅十四條，不僅使用方便，解讀也很容易。而且基礎通信僅需完成連接、訂閱和發布消息三條即可，入手開發比較方便。

它使用發布、訂閱的消息模式，特別適用于對代碼封裝要求嚴格、網絡帶寬非常昂貴的環境，正如我們需要接入的物聯網環境以及機器之間的通信環境。消息具有一對多的分發特點，通信可以根據應用場景選擇三種不同的通信質量，協議數據交互及傳輸消耗均較少確保了較少的流量消耗。

交互時我們比較關系的是通信質量，有最多一次、至少一次、僅一次三種方式。它們在應用中有著各自的特點和適用的場景：

最多一次，應用與對數據要求不高的情況，類似于UDP通信，是允許數據丟失的，例如非故障傳感器返回的信息；

至少一次，應用于對數據要求較高的情況，類似于TCP通信，數據通信一定要達成，例如需要立即執行的故障傳感器；

僅一次，應用于需要較準確的場景，避免因多次通信請求導致錯誤的發生，例如收費和校時功能。

1.1.1 連接CONNECT

通信的前置操作，就像是鑰匙，開啟后才能搭建設備與服務器的通信，由固定包頭、可變包頭、消息體三部分組成。

1.1.1.1 固定包頭

固定包頭含首字節和可變長度兩部分。

首字節的高4位用于表示報文類型，bit4置1表示CONNECT，即CONNECT的首字節為0×10；可變長度表示后面所有數據的長度，可通過1～4字節表示，其中每字節的bit7有特殊意義，置1下個字節會繼續表示數據長度，并將內容銜接到上一字節的bit7處，例如長度為128字節表示為0×80，但是因為bit7置1了，因此需要表示為0×80 0×01。

1.1.1.2 可變包頭

可變包頭含固定長度標識、MQTT標識、協議級別、鏈接標志、保活時間五部分。

固定長度：

固定的值，表示后面MQTT標識的長度，為0×00 0×04。

MQTT標識：

MQTT大寫的ASCII碼對應值，為0×4D 0×51 0×54 0×54。

協議級別：

協議的等級，此處遵循的是MQTT3.1.1版本，對應為等級4。

鏈接標志：

連接標記，由具有特定意義的位組合而成，組成方式如表1所示。Clean Session置1表示需清除Session；Will Flag置1表示需要在設備掉線后提醒訂閱方掉線；QoS為0表示進行最多一次的服務質量通信，為1表示進行最少一次的服務質量通信，為2表示進行僅一次的服務質量通信；Will Retain置1表示新訂閱者也能收到離線消息；Password置1表示消息體包含Password，UserName置1表示消息體包含User Name。此處鏈接標志我們假設消息體帶有User Name和Password，且需要清除Session，那么鏈接標志即為0×C2。

表1 鏈接標志字節內容組成

保活時間：

最大不發送數據的時間間隔，單位為秒，用以服務器確認設備是否在線的時間當量，一般在1.5倍的該時間內收到客戶端的報文即認為設備離線。此處我們假定需要的保活時間為100 s，則此位為0×00 0×64。

1.1.1.3 消息體

消息體的基礎內容有clientId、安全模式、算法類型，還有做為補充的timestamp，然后是由鏈接標志確定的User Name和 Password。

消息體的每一項都分為長度和內容兩部分，前兩個字節表示當前消息體的字節長度，后面的字節即為消息體的實際內容。

clientId是用戶設置的長度最大64字節的設備唯一碼，假設此處為ALSJ-00000001；安全模式有TLS直連模式的2和TCP直連模式的3，此處我們選擇TCP直連模式；算法類型可以選擇hmacmd5和hmacsha1，這里我們選擇hmacsha1；補充部分此處暫不做討論。

根據上述設定及連接規則“clientId|securemode,sig nmethod|”,可以得到消息體的基礎內容一為“ALSJ-00000001|securemode=3,signmethod=hmacsha1|”；

在鏈接標志置位User Name的情況下，假設此時clientId對 應 的Device Name為ALSJ-00000001，Product Key為a1SwMLEkaCz，根據上述設定及連接規則“DeviceName&ProductKey”，可以得到消息體的基礎內容二為“ALSJ-00000001&a1SwMLEkaCz”；

在鏈接標志置位Password的情況下，又假設此 時Device Secret為fzcxQhVRSwCDk6Z0XH9AeCy qZ0sjGxtA，根據上述設定及連接內容“clientId$de viceName$productKey$”，可以得到消息體的源碼內 容 為“clientIdALSJ-00000001deviceNameALSJ-00000001productKeya1SwMLEkaCz”， 再 使 用 Device Secret對此進行hmacsha1加密后即可得到消息體的基礎內容三為“8a4b0b81a63016946c7f0ce19473f6de7546fe6d”；

通過組合基礎內容一、二、三后進行消息推送，即可與云端Device Name為ALSJ-00000001、ClientID為ALSJ-00000001、Product Key為 a1SwMLEkaCz、Device Secret為fzcxQhVRSwCDk6Z0XH9AeCyqZ0sjGxtA的數字設備構成連接。

1.1.2 訂閱SUBSCRIBE

訂閱的數據結構與連接CONNECT相同，也由固定包頭、可變包頭、消息體三部分組成，為想要接收到的內容。

固定包頭：

與連接有區別的是此處的首字節為0×82。

可變包頭：

此處與連接有較大區別，僅有報文標識符。報文標識符為自己定義，服務器應答時會回復該值，用于確認回復與發送的關系，假定此處為0×00 0×0A。

消息體：

與訂閱內容相關，保持長度加內容的方式。需要訂閱的內容有屬性、事件、服務等，幾種內容的格式是完全相同的，僅Topic有差異。這里假定需要訂閱的屬性為/sys/a1SwMLEkaCz/ALSJ-00000001/thing/service/property/set，報文等級為0x00的等級1。

針對例子對內容進行組合即可完成屬性的訂閱操作，訂閱后我們就可以收到屬性的內容了，也可以進行發布消息來改變屬性。

1.1.3 發布消息PUBLISH

發布消息的數據結構與連接CONNECT相同，不過數據內容與訂閱更相近些。

固定包頭：首字節為0×30。

可變包頭：與訂閱相同采用報文標識符的形式，值得注意的是具有可變包頭的情況是QoS為1、2時才具備的，QoS為0時是沒有可變包頭字節的。假定此處QoS為0×

消息體：

為Topic與物模型內容組合的方式，這里涉及物模型的JSON格式推送詳見下節。首先需要關聯推送的Topic，它可以是屬性、事件、服務中的一種，但格式完全相同。假定此時需要推送的方式為屬性，屬性Topic為“/sys/a1SwMLEkaCz/ALSJ-00000001/thing/event/property/post”，屬性物模型PowerSwitch為關閉狀態0，則推送的 JSON 內容為 {“method”:”thing.service.property.set”,”id”:”1061986371”,”params”:{“PowerSwitch”:0},”version”:”1.0.1_0001”}，將Topic與JSON內容組合進行消息的推送即可實現關燈的操作。需要注意的是通信一問一答的方式需要通過id進行對應，params中的內容可直接讀取，閱讀非常方便。

1.2 JSON通信

JSON則是一種格式化的文本數據交換格式，有很好的可讀性，同時其結構化的報文也非常方便設備解析。JSON數據對比私有協議的數據就像C語言相對于匯編，可更直觀地解讀，獲取內容、排查問題。

JSON的語法結構是以JavaScript對象表示語法的子集。數據在名稱/值對中成對出現，數據由逗號分隔，使用斜桿來轉義字符，大括號保存對象，中括號保存數組，且數組可以包含多個對象。表示的內容有兩種，分別是對象和數組，并根據使用的靈活性value是可以嵌套的。

JSON對象：

大括號內指定的內容稱為對象，是由名稱/值對組成的集合，每個名稱/值對之間使用逗號分隔。一個對象以左括號開始右括號結束，每個名稱后跟一個冒號并接上具體的值，值的類型有字符串、數值等。具體形式如圖1所示。

圖1 JSON對象的內容格式

例如 {“LedNumber”:1，“PowerSwitch”:0，“Description”:”LeftLight”}，這個對象就表示了三個名稱/值對，其名稱分別為“LedNumber”、“PowerSwitch”、“Description”，定義值分別為數量1、狀態0、名稱LeftLight。

JSON數組：

中括號內指定的內容為數組，一般中間為多個對象，且多個對象格式相近，每個對象以逗號隔開。具體形式如圖2所示。

圖2 JSON數組的內容格式

例如

表征的是一個數組，里面有4個對象，分別對應LedNumber 號碼為1、2、3、4的對象內容，并在每個對象內定義了PowerSwitch的狀態及Description的字符描述。

JSON 值的嵌套：

是指名稱/值對中的值進行了重定義，嵌套入了新的對象或是數組，用于定義更多的信息。具體形式如圖3所示。

圖3 名稱/值對中值的類型展示

這里我們例舉個嵌套例子便于理解。

例子是個對象，里面包含了兩個名稱/值對，其名稱分別為“params”和“temp”，其中params也是一個對象，內部包含一個名稱/值對，其名稱為“state”，值由一個嵌套的數組替代，而數組又包含了4個對象，分別對應了號碼為LedNumber1、2、3、4的PowerSwitch狀態和Description字符描述。

可以看出，狀態的給出是非常工整的，也易于查看，不需像私有協議一樣頻繁查看協議進行解讀。使用中，我們只需要將名稱/值對通過固定的方式進行組合、嵌套就可以很容易的與云端進行數據的交互了，其中交互信息里的名稱/值對在平臺上一般稱為物模型，對其進行定義和替換即可完成內容的傳遞。

2 技術特點/優勢

在產品的設計中，我們比較關心的是數據的交互，而數據的交互最關鍵的是屬性、事件與服務，分別對應三種不同的數據交互方式。

屬性的交互可通過對物模型的讀寫實現狀態的獲取或控制，但時效性一般，例如對燈具開關屬性的獲取或控制；事件的交互為產品發起，具有較高的時效性，一般為緊急狀況的特別推送，例如燈具發生的過溫故障；屬性交互為服務端發起，具有較高的時效性，需要產品立即執行，例如燈具定時任務的下發。

根據產品的功能特性對屬性、事件、服務進行合理定義，應用中設定好它們的實現邏輯，再結合產品本身的成熟方案，那么一個好的物聯網產品也就呼之欲出了。

3 結語

從標準的MQTT協議、格式化的JSON通信，不難看出物聯網極力想做的是統一，根本目的是互聯互通，從而實現智能家居產品的聯動，并最終構建智慧社區。

我們身邊也不乏這種例子，例如小米的小愛同學，通過與它的交互，可以實現對接入的電視進行開啟、關閉等操作，對接入的窗簾進行打開和關上的控制，對接入的空調進行溫度的調控，以及對接入的燈具進行統一的管理等等。

因此掌握好這項技術，并將它應用到智能家居的產品中，給用戶帶來更便捷、更具新意、更有科技感的產品，勢必具有深遠的意義。