應(yīng)用場(chǎng)景說明：
在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，現(xiàn)代人對(duì)自己的生活的要求越來越高，家電設(shè)備也迅猛增加，但是日常生活中，人們不擅長對(duì)于家電的管理，而造成了大量的不必要的能耗損失。在這樣的一種情況下，如果有一套智能家居系統(tǒng)能夠管理家庭電器的狀態(tài)，我們也可以隨時(shí)的控制家電，這樣我們的生活效率將會(huì)有很大程度上的提高。
在這樣的一個(gè)需求的大背景下，我們又對(duì)設(shè)備和設(shè)備之間，人和設(shè)備之間，進(jìn)行了一番詳細(xì)的分析。首先我們來看設(shè)備和設(shè)備之間的需求。
1.假設(shè)在N市的A設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生改變，我們需要遠(yuǎn)在M市的B設(shè)備的狀態(tài)也發(fā)生改變，這種需求我們稱為不同網(wǎng)段的設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)需求。
2.假設(shè)在N市的A設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生改變，我們需要當(dāng)前統(tǒng)一網(wǎng)段下的B設(shè)備也發(fā)生改變，這種需求我們稱為同一網(wǎng)段的設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)需求。
3.假設(shè)主人遠(yuǎn)行，而忘記了自己家有沒有鎖門，有沒有關(guān)燈，有沒有不該開啟的電器設(shè)備關(guān)閉，這是我們需要得知家中設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，并調(diào)控到最佳狀態(tài)。我們稱之為人機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)控需求。
4.假設(shè)在家庭與廣域網(wǎng)斷網(wǎng)的情況下，我們還可以得知和控制家庭的設(shè)備，而不是失去對(duì)于家庭設(shè)備間的控制。我們稱之為遠(yuǎn)程失聯(lián)需求。
基于國內(nèi)市場(chǎng)的大需求和我們自行分析的小需求下，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套滿足于以上四點(diǎn)控制剛性需求的智能家居控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明
我們現(xiàn)在有了上面的需求分析，這時(shí)我們就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行選型和架構(gòu)了，我們對(duì)于設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)需求進(jìn)行分析后選擇了一種物聯(lián)網(wǎng)廣泛使用的推送消息的協(xié)議機(jī)制(mqtt),然后對(duì)它進(jìn)行二次開發(fā)和封裝。下面我們就來看看系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：
結(jié)構(gòu)：
1.節(jié)點(diǎn)事件上報(bào)(publish nodeid event),這個(gè)場(chǎng)景用于當(dāng)人在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行了改變，這時(shí)，該設(shè)備應(yīng)該向主服務(wù)器進(jìn)行通報(bào)，事件的發(fā)生，以及當(dāng)前的狀態(tài)，還有為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的熱插拔，當(dāng)設(shè)備連上這套系統(tǒng)后，它便會(huì)廣播上線通知，當(dāng)設(shè)備異常斷開系統(tǒng)后，會(huì)發(fā)送遺言離線通知，方便我們對(duì)節(jié)點(diǎn)事件異常進(jìn)行及時(shí)的處理。
2.節(jié)點(diǎn)屬性上報(bào)(publish nodeid property),當(dāng)人為的改變了設(shè)備后，主服務(wù)器和在線的控制端將會(huì)受到該設(shè)備節(jié)點(diǎn)的屬性上報(bào)通知，這個(gè)行為主要是及時(shí)的獲取設(shè)備點(diǎn)的狀態(tài)信息。當(dāng)設(shè)備剛上線是也會(huì)進(jìn)行屬性播報(bào)，以便控制端熱加載設(shè)備。
3.節(jié)點(diǎn)方法被調(diào)用（subscribe nodeid call | publish 0 ack),當(dāng)N市的A設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變，M市的B設(shè)備也要發(fā)生狀態(tài)的改變，就會(huì)直接讓A去控制B設(shè)備，這時(shí)我們成A為控制器，B為執(zhí)行器。那么A就會(huì)調(diào)用控制遠(yuǎn)程設(shè)備命令，B就會(huì)收到call命令之后執(zhí)行命令并返回一個(gè)ack以確認(rèn)信息的無誤性。
4.系統(tǒng)廣播事件(subscribe 0 system),當(dāng)所有的設(shè)備同時(shí)接受統(tǒng)一命令的調(diào)控時(shí),我們?yōu)榱颂岣咝畔⑻幚淼男适褂孟到y(tǒng)廣播事件來統(tǒng)一調(diào)度。
在這五個(gè)控制總命令下，我們還將設(shè)計(jì)針對(duì)每種設(shè)備的控制子命令格式。從而達(dá)到既從屬分布式控制有歸屬于集中式控制系統(tǒng)。
智能家居互聯(lián)的通訊協(xié)議：
1.角色定義：?
節(jié)點(diǎn)，設(shè)備，控制器，服務(wù)器
2.主題結(jié)構(gòu)：
?yqmiot/<accountid>/<receiver>/<sender>/<command>
3.消息結(jié)構(gòu)：
{
receiver:?,???#?接受者nodeid
sender:?,???????#?發(fā)送者nodeid
name:?,????????#?主命令(名字有帶商定)
action:?,???????#?子命令(可為null)
callseq:?,?????#?調(diào)用序號(hào)(多次調(diào)用時(shí)確定回包對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求)?(非call和ack命令可以為null)
params:?,???????#?命令參數(shù)
#?seq:?,???????????#?包序號(hào)(用戶篩選重復(fù)數(shù)據(jù)包)?暫未使用
}
備注：receiver,sender,name?未來這三者在發(fā)送數(shù)據(jù)包中可能被省略，因主題中已經(jīng)存在。
屬性上報(bào)(property)
-command: "property"
-params:?設(shè)備屬性?({"name":?"hello",?"status":?"正忙呢",?"yqmiot.property.nodeid":?27888})
事件上報(bào)(event)
-command: "event"
-action:?事件名?("yqmiot.event.online",?"yqmiot.event.offline")
-params:?事件參數(shù)
方法調(diào)用(call)
-command: "call"
-action:?方法名?("yqmiot.method.ping",?"yqmiot.method.test")
-callseq:?調(diào)用序號(hào)(每次調(diào)用都必須唯一)
-params:?方法參數(shù)
調(diào)用響應(yīng)(ack)
-command: "ack"
-action:?call包中的action
-callseq:?call包中的seq
-params:?回應(yīng)參數(shù)
其他(暫未使用)
服務(wù)器 nodeid: 0
全頻道廣播?nodeid:?0xffffffff
全服廣播?accountid:?0,?nodeid:?0
我們把通信協(xié)議搭建好了之后，就來開始構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，接下來就是要使用編程語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。從協(xié)議開始，一步一步構(gòu)建 整套系統(tǒng)的通訊層和應(yīng)用層，以及控制端。
系統(tǒng)的構(gòu)建：
1.設(shè)備控制端的構(gòu)建：
我們是基于可以運(yùn)行嵌入式linux系統(tǒng)的設(shè)備，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。由于linux系統(tǒng)的便利性。我們使用了python這種腳本對(duì)設(shè)備客戶端進(jìn)行了編程處理，接下來我們一步步的看，被控器的客戶端構(gòu)建。
1.1.引入依賴包和常用參數(shù).
# -*- encoding: utf-8 -*-
importlogging
importtime
importsys
importgetopt
importjson
frompaho.mqtt.clientimportClientasMqtt
VERSION?="1.0.1"
"""
每個(gè)設(shè)備都擁有三類特性：屬性，事件，方法。
屬性表示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，比如：電力狀態(tài)，照明開關(guān)等。每當(dāng)屬性發(fā)生改變就會(huì)立即上報(bào)。
事件表示設(shè)備當(dāng)前發(fā)生了什么，按下按鈕，電力不足警告等。
方法則是設(shè)備對(duì)外提供的操作接口，通過它可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。比如：重啟，打開照明，關(guān)機(jī)等。
"""
YQMIOT_OK?=0
YQMIOT_TIMEOUT?=1
YQMIOT_BROADCAST_RECEIVER?=0#?廣播接受者id
#?系統(tǒng)命令
YQMIOT_COMMAND_PROPERTY?="property"#?屬性上報(bào)
YQMIOT_COMMAND_EVENT?="event"#?事件上報(bào)
YQMIOT_COMMAND_CALL?="call"#?方法調(diào)用
YQMIOT_COMMAND_ACK?="ack"#?方法響應(yīng)
#?系統(tǒng)事件
YQMIOT_EVENT_ONLINE?="yqmiot.event.online"#?上線通知
YQMIOT_EVENT_OFFLINE?="yqmiot.event.offline"#?下線通知
YQMIOT_EVENT_TEST?="yqmiot.event.test"#?按下測(cè)試按鈕
#?系統(tǒng)屬性
YQMIOT_PROPERTY_NODEID?="yqmiot.property.nodeid"#?節(jié)點(diǎn)id號(hào)
YQMIOT_PROPERTY_ACCOUNTID?="yqmiot.property.accountid"#?節(jié)點(diǎn)所在賬號(hào)id（頻道id）頻道隔離
YQMIOT_PROPERTY_MODEL?="yqmiot.property.model"#?設(shè)備所屬類型
YQMIOT_PROPERTY_VERSION?="yqmiot.property.version"#?設(shè)備所屬固件版本號(hào)
#?系統(tǒng)方法
YQMIOT_METHOD_PING?="yqmiot.method.ping"#?ping連通測(cè)試
YQMIOT_METHOD_TEST?="yqmiot.method.test"#?方法調(diào)用測(cè)試
logging.basicConfig(level=logging.DEBUG,
format='[%(asctime)s]?%(levelname)s?%(message)s',
datefmt='%Y-%m-%d?%H:%M:%S')
root?=?logging.getLogger()
root.setLevel(logging.NOTSET)
1.2.mqtt通訊層的基本封裝
classMqttClient(object):
"""Mqtt通訊封裝"""
def__init__(self,address):
ifnotisinstance(address,tuple)?orlen(address)?!=2:
raiseValueError("Invalid?address.")
defon_connect(client,userdata,flags,rc):
self.handleConnected()
defon_message(client,userdata,msg):
self.handleMessage(msg.topic,?msg.payload)
self.client?=?Mqtt()
self.address?=?address
self.client.on_connect?=?on_connect
self.client.on_message?=?on_message
defhandleConnected(self):
pass
defhandleMessage(self,topic,payload):
pass
defpublish(self,topic,payload=None,qos=0,retain=False):
self.client.publish(topic,?payload,?qos,?retain)
defsubscribe(self,topic,qos=0):
self.client.subscribe(topic,?qos)
defstart(self):
self.client.connect_async(self.address[0],self.address[1])
self.client.loop_start()
defstop(self):
self.client.loop_stop()
defusername_pw_set(self,username,password=None):
self.client.username_pw_set(username,?password)
defwill_set(self,topic,payload=None,qos=0,retain=False):
self.client.will_set(topic,?payload,?qos,?retain)
1.3.家居互聯(lián)通訊層封裝
classYqmiotBase(MqttClient):
"""月球貓互聯(lián)通訊基類"""
def__init__(self,address,accountid,nodeid,authkey=None,username=None,password=None):
"""username和password是mqtt賬號(hào)密碼。"""
super(YqmiotBase,self).__init__(address)
self.username?=?username
self.password?=?password
self.accountid?=?accountid
self.nodeid?=?nodeid
self.authkey?=?authkey#TODO
self.callMethodInfo?=?{}#
self.callMethodTimeout?=10*1000#?方法調(diào)用超時(shí)時(shí)間TODO處理多線程問題。調(diào)用超時(shí)
self.callseq?=0
ifself.accountid?<=0orself.nodeid?<=0:
raiseValueError("Invalid?accountid?or?nodeid.")
defhandleConnected(self):
super(YqmiotBase,self).handleConnected()
#?偵聽發(fā)送給自己的消息
topic?="yqmiot/{self.accountid}/{self.nodeid}/#".format(self=self)
self.subscribe(topic)
defhandleMessage(self,topic,payload):
super(YqmiotBase,self).handleMessage(topic,?payload)
try:
prefix,?account,?receiver,?sender,?command?=?topic.split("/")
account?=int(account)
receiver?=int(receiver)
sender?=int(sender)
except:
logging.error("Invalid?topic.?{}".format(topic))
return
#?if?prefix?!=?"yqmiot"?\
#?????or?account?!=?self.accountid?\
#?????or?receiver?!=?self.nodeid:?#TODO處理廣播
#?????logging.error("It's?not?my?topic.?{}".format(topic))
#?????return
try:
payload?=?json.loads(payload)
except:
logging.error("Invalid?payload.?{}".format(payload))
return
cmd?=?Command(
name=?command,
action=?payload.get("action"),
receiver=?receiver,
sender=?sender,
callseq=?payload.get("callseq"),
params=?payload.get("params"))
try:
self.handleCommand(cmd)
except:
logging.error("Error?processing?command.?{}".format(topic))
return
defsendCommand(self,cmd):
ifcmd:
try:
accountid?=self.accountid
receiver?=?cmd.receiverifcmd.receiver?!=NoneelseYQMIOT_BROADCAST_RECEIVER#?默認(rèn)接受者是服務(wù)器
sender?=self.nodeid
name?=?cmd.name
action?=?cmd.action
callseq?=?cmd.callseq
params?=?cmd.paramsifcmd.params?!=Noneelse{}
topic?="yqmiot/{}/{}/{}/{}".format(accountid,?receiver,?sender,?name)
payload?=?{"action":?cmd.action,"callseq":?callseq,"params":?params}
self.publish(topic,?json.dumps(payload))
exceptException,?e:
logging.error("Error?sending?command."+str(e))
else:
logging.error("Invalid?cmd.")
defhandleCommand(self,cmd):
ifcmd.name?==?YQMIOT_COMMAND_CALL:
self.handleCommandCall(cmd)
elifcmd.name?==?YQMIOT_COMMAND_ACK:
callseq?=?cmd.callseq
ifcallseq?inself.callMethodInfo:
info?=self.callMethodInfo.pop(callseq)
cmd.action?=?info["action"]
cmd.time?=?millis()?-?info["time"]
self.handleCommandAck(cmd)
else:
logging.error("Drop?unknown?command.")
else:
logging.error("Command?not?supported.")
defhandleCommandCall(self,cmd):
ifcmd.action?==?YQMIOT_METHOD_PING:
self.handleCommandCallPing(cmd)
else:
logging.warn("Could?not?find?method.")
defhandleCommandAck(self,cmd):
ifcmd.action?==?YQMIOT_METHOD_PING:
self.handleCommandCallPingAck(cmd)
defcallMethod(self,receiver,action,params=None):
ifreceiver?and?receiver?!=?YQMIOT_BROADCAST_RECEIVER?and?action:
try:
self.callseq?+=1
cmd?=?Command(
name=?YQMIOT_COMMAND_CALL,
action=?action,
receiver=?receiver,
callseq=self.callseq,
params=?params)
self.callMethodInfo[cmd.callseq]?=?{"action":?action,"callseq":?cmd.callseq,"time":?millis()}
self.sendCommand(cmd)
except:
logging.error("Error?calling?remote?action.")
else:
logging.error("Remote?action?parameter?is?incorrect.")
defcallMethodPing(self,receiver):
self.callMethod(receiver,?YQMIOT_METHOD_PING)
defhandleCommandCallPing(self,cmd):
self.sendCommand(cmd.reply())
defhandleCommandCallPingAck(self,cmd):
pass
1.4.互聯(lián)客戶端封裝
classYqmiotClient(YqmiotBase):
"""月球貓互聯(lián)客戶端
屬性定時(shí)上報(bào)
屬性變更上報(bào)
事件上報(bào)
處理方法調(diào)用，并回包"""
defstart(self):
#?離線通知
topic?="yqmiot/{}/{}/{}/{}".format(self.accountid,?YQMIOT_BROADCAST_RECEIVER,self.nodeid,?YQMIOT_COMMAND_EVENT)
payload?=?{"action":?YQMIOT_EVENT_OFFLINE}
self.will_set(topic,?json.dumps(payload))
super(YqmiotClient,self).start()
defhandleConnected(self):
super(YqmiotClient,self).handleConnected()
logging.info("Connect?server?successfully.")
#?上線通知
self.reportEvent(YQMIOT_EVENT_ONLINE)
#TODO推送下線遺言
defreportProperty(self,params):
"""屬性上報(bào)
params(dict)?設(shè)備屬性集"""
ifisinstance(params,dict):
try:
cmd?=?Command(
name=?YQMIOT_COMMAND_PROPERTY,
receiver=?YQMIOT_BROADCAST_RECEIVER,
params=?params)
self.sendCommand(cmd)
except:
logging.error("An?error?occurred?while?reporting?the?property.")
else:
raiseTypeError("Incorrect?params?type.")
defreportEvent(self,action,params=None):
"""事件上報(bào)
action?事件名
params?參數(shù)"""
ifaction:
try:
cmd?=?Command(
name=?YQMIOT_COMMAND_EVENT,
action=?action,
receiver=?YQMIOT_BROADCAST_RECEIVER,
params=?params)
self.sendCommand(cmd)
except:
logging.error("An?error?occurred?while?reporting?the?event.")
else:
raiseTypeError("Incorrect?action?type.")
1.5.家居系統(tǒng)互聯(lián)控制器封裝
classYqmiotController(YqmiotBase):
"""
月球貓互聯(lián)控制器
"""
#?訂閱廣播消息
defhandleConnected(self):
super(YqmiotController,self).handleConnected()
logging.info("Connect?server?successfully.")
#?偵聽設(shè)備上報(bào)
topic?="yqmiot/{self.accountid}/0/#".format(self=self)
self.subscribe(topic)
defhandleCommand(self,cmd):
ifcmd.name?==?YQMIOT_COMMAND_PROPERTY:
self.handleCommandProperty(cmd)
elifcmd.name?==?YQMIOT_COMMAND_EVENT:
self.handleCommandEvent(cmd)
else:
super(YqmiotController,self).handleCommand(cmd)
defhandleCommandProperty(self,cmd):
print"設(shè)備?{}?上報(bào)屬性：{}".format(cmd.sender,?cmd.params)
defhandleCommandEvent(self,cmd):
print"設(shè)備?{}?上報(bào)事件：{}?參數(shù)：{}".format(cmd.sender,?cmd.action,?cmd.params)
到這里為止，我們的控制系統(tǒng)的客戶端已經(jīng)封裝完畢，但是這才剛剛起步，我們有了客戶端，那我們還需要遠(yuǎn)程控制器，我們?yōu)榱撕?jiǎn)便起見使用了web終端的方案。來進(jìn)行對(duì)設(shè)備客戶端的控制，由于代碼量很大我這里就簡(jiǎn)要的介紹一下。
在控制端中主要使用的mqtt推送協(xié)議，然后轉(zhuǎn)換成socket以便實(shí)時(shí)控制。因?yàn)槲覀兊募夹g(shù)棧使用的是vuejs，大家如果不了解可以先去了解了解，這是一種以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的web解決方案，告別了傳統(tǒng)的dom節(jié)點(diǎn)控制。使得運(yùn)行速度和性能得到了很大的提升。我們?cè)诳刂频玫絪ocket數(shù)據(jù)后，然后進(jìn)行分發(fā)進(jìn)入各種控制器，分別管理不同數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)的調(diào)配。
實(shí)踐效果：
好下面我們就來看看最后達(dá)到的控制效果吧！
項(xiàng)目地址：https://github.com/yqmiot
