摘 要：針對目前智能窗戶發展不夠成熟以及產品成本過高的問題，在國內光纖以太網和云計算技術迅猛發展、無線局域網普及的背景下，開發了物聯網智能窗戶系統。設計采用arduino控制芯片以及各種傳感器芯片組建智能窗戶，并通過 ESP8266WIFI芯片接入互聯網;利用偽造序列號的方式完成TCP協議的NAT穿越，實現手機終端到智能窗戶的點對點連接;通過云虛擬主機平臺，實現對智能窗戶的管理。該智能窗戶系統具備實時監測，遠程控制，智能安防等功能，滿足了用戶對智能生活的要求。

　　關鍵詞：智能家居;P2P連接;物聯網;遠程監控

　　0 引言

　　目前智能家居領域發展火熱，智能窗戶的出現滿足了人們對智能生活的要求。智能窗戶種類很多，但是現有智能窗戶大多數僅僅是本地智能，即根據環境溫度的變化，實現自動開關。只有少數智能窗戶具備遠程控制的功能，但也都是利用了移動通訊 GSM 模塊，這種方式傳輸的數據量小，而且根本不具備實時性[2] 。綜上所述，現有智能窗戶主要有以下幾點不足：①數據傳輸量很小，不具備實時監控的功能;②不具備智能安防的功能;③窗體驅動模塊設計不好，導致只能用較高電壓驅動窗體，存在較大的安全隱患。為了克服這些不足，本文設計并實現了一種操作簡單，具備智能安防與遠程監控功能的新一代智能窗戶。

　　1 系統設計

　　1.1 需求分析從整體來看，智能窗戶系統應劃分為兩個部分：遠程通訊部分和本地智能部分，如圖1所示。其中，遠程通訊部分負責手機客戶端到智能窗戶的通訊，并且負責將環境數值以及窗戶的狀態發送到手機的客戶端上。本地智能部分負責檢測各種環境數據，并根據預先的設定，進行窗戶的開關控制[4] 。

　　1.2 技術分析

　　1.2.1 遠程監測及遠程控制分析小到可穿戴設備，大到智能家居，交通工具等。未來智能設備的數量將是數以億計的。在本設計中，數據存儲于智能窗戶的 SD 卡中，而不必上傳到服務器，數據的分布式存儲緩解了服務器硬盤的壓力。另外，由于我們平時接入互聯網的設備絕大部分都處于NAT防火墻之后，外網中的設備無法直接訪問局域網內的終端。傳統解決方案是通過服務器轉發數據。但是物聯網設備數目龐大，服務器將無法承受巨大的轉發壓力。而且中央服務器使得網絡中的數據流量集中到一點，不能夠充分利用空閑的線路[3] 。本設計利用集中式對等網絡實現點對點通訊，在不需要服務器轉發數據的情況下就能將手機連接到智能窗戶。

　　1.2.2 NAT穿越分析如圖2所示，本設計通過偽造序列號的方式完成 TCP協議的NAT穿越。

　　Phone 向 MiddleServer 建 立 TCP 請 求 連 接 ， MiddleServer獲得host_p_addr和host_p_port映射后的 nat_p_addr和nat_p_port的信息，并通告給Window。 Phone第二次發起TCP請求時，設定TTL值，使得數據包剛好到達 NATA ，Phone 抓包獲得剛發出的 TCP 序列號，通過 UDP 協議直接通告給 Window， Window 便可以偽造一個 TCP SYN 包，其中源地址： nat_p_addr，端 口 號 ：nat_p_port，目 標 地 址 ： host_w_addr，端口號：host_w_port。Window收到自己偽造的TCP包，于是產生了一個SYN_ACK的包。 NATB 為建立一個映射后轉發該包。NATA收到后，將該數據包的目的地址改為host_p_addr，目標端口號改為host_p_port并轉發。Phone收到轉發的數據包后，如符合SYN的確認要求，就會再次發送SYN_ACK，作為第三次握手返回出去。至此 NATA 和 NATB 建立了映射表，Phone 和 Window之間能夠直接通信[1] 。

　　2 軟件實現

　　服務器端系統采用 hibernate 和 spring 框架開發，利用了mysql數據庫，搭建在tomcat上。

　　2.1 功能描述

　　2.1.1 注冊與登錄模塊模塊功能：用戶在服務器注冊并登錄賬戶，綁定智能窗戶，便于對智能窗戶的管理。同時方便以后再添加和管理設備。用戶打開手機客戶端，進入登錄頁面。如果沒有帳號則選擇注冊。客戶端將用戶登錄信息提交到服務器，Tomcat 收到 Post 請求，將數據轉發到 LoginServlet處理。LoginServlet對數據做初步驗證，檢查用戶名密碼是否合法，之后將數據封裝成一個JavaBean 對象，轉發給業務邏輯層處理。業務邏輯層Service通過Dao對象中封裝的函數訪問數據庫，如果數據庫中沒有賬戶信息，則拋出異常信息：登錄失敗，上層的 LoginServlet 捕獲到異常信息后，頁面跳回到登錄狀態。反之，如果存在賬戶則登陸成功，跳轉到智能窗戶控制頁面[8] 。同樣，注冊頁面通過查詢數據庫檢驗賬戶是否存在，若賬戶合法則將賬戶寫入到數據庫，并跳轉到登錄頁面。其功能流程圖如圖4所示。

　　2.1.2 綁定模塊模塊功能：用戶賬戶與智能窗戶進行綁定，便于對智能窗戶的管理。前提業務：注冊與登錄。手機客戶端登錄賬戶后，點擊添加設備選項。用手機掃描智能窗戶上的二維碼，獲得智能窗戶的 ID 值，點擊綁定后，數據提交到服務器上。其效果圖如圖5所示。

　　查詢數據庫，如果數據庫中存在該智能窗戶的ID 值并且沒有其他用戶綁定該窗戶，則向客戶端發送確認消息，用戶點擊確認后，服務器上用戶賬戶的數據表中便寫入了智能窗戶的ID值，從而實現綁定。如果數據庫中不存在該智能窗戶的ID值，或者該 ID已經被其他用戶綁定，則向客戶端發送錯誤信息，由用戶選擇是否繼續綁定。

　　3 結束語

　　目前，4G網絡逐漸普及，5G網絡的研究也在進行中。我國光纖以太網發展迅速，網絡通訊速度正在飛快地提升，物聯網的概念必將深入人心。就本設計所應用的技術來說，面對數目龐大的物聯網智能設備，本設計所采用的數據分布式存儲是緩解服務器壓力的有效方式。同時，當前人們所用的互聯網接入工具無非就是智能手機、電腦等用來瀏覽網頁的設備，連接方式僅限于客戶端—瀏覽器模型，本設計所應用的 TCP NAT 穿越技術，實現了點對點連接。不同于某些傳統的P2P下載軟件或者視頻軟件，本設計所應用的P2P連接技術所實現的是實時控制與監測。當物聯網設備普及時，點對點連接將是緩解服務器轉發壓力的有效方式。

　　另外，僅就本設計來說，智能窗戶具備實時監測、遠程控制的功能。相比于傳統的通過GSM模塊發送消息的智能窗戶，本設計的數據傳輸速度更快，而且實時監控能力更強，窗戶工作電壓為 5V，更安全，且功耗低。

　　參考文獻(References):

　　[1] 蔡康.P2P對等網絡原理與應用[M].科學出版社,2011.

　　[2] 桂勁松.物聯網系統設計[M].電子工業出版社,2013.

　　[3] 諶璽,張洋.思科CCNA認證詳解與實驗指南[M].電子工業出版社,2014.

　　《物聯網智能窗戶系統的設計與實現》來源：《計算機時代》，作者：王 超，林百順，馮開屏，李清清。