基于智能家居物联网产品的通信设计与实现

王 臻 成 瀚 桂 林

（公牛集团股份有限公司 慈溪 315314）

引言

随着电子技术的发展，通信技术的进步，产品的定义发生了较大的变化，特别是与生活息息相关的生活电器。人们开始不满足于简单的手动操作，厌倦繁琐的控制，定制简便、界面友好的手机应用逐渐成为主流。与它的通信协议也由开始的私有协议逐步被通用性更好、安全性更高的物联网通信所替代。因此，在智能家居产品的开发中，物联网的接入成为我们避不开的思考。

例如电饭煲，随着需求的提升功能越来越多，最终布满产品甚至导致选择困扰，通过接入物联网平台将设置简洁化，并实现了一键定制；又例如空调，一般采用距离较近的红外控制，开启后需要较长时间等待，通过接入物联网平台实现了远程控制，并可根据习惯设置任务，省去了开启后等待的问题；再例如家里的灯具和窗帘，睡前需要一个个去关闭，通过接入物联网平台可以设置睡眠模式实现整体调整灯光亮度、关闭窗帘的一系列操作。可见接入物联网不仅能方便控制，还能提升生活的舒适感受，满足我们对电器使用的更高要求。

1 物联网产品的通信

物联网通信是一种通用的开发方式，它不同于私有协议，具有协议规范、内容可读性高的特点，这也是为什么接入物联网能实现互联互通的原因，而实现它得益于MQTT和JSON的应用。

1.1 MQTT协议

MQTT是一个轻巧、开放、简单、规范、易于实现的通用协议，是一种标准消息队列。有别于动辄几十上百条的私有协议，MQTT定义规范、分类明确，有效内容仅十四条，不仅使用方便，解读也很容易。而且基础通信仅需完成连接、订阅和发布消息三条即可，入手开发比较方便。

它使用发布、订阅的消息模式，特别适用于对代码封装要求严格、网络带宽非常昂贵的环境，正如我们需要接入的物联网环境以及机器之间的通信环境。消息具有一对多的分发特点，通信可以根据应用场景选择三种不同的通信质量，协议数据交互及传输消耗均较少确保了较少的流量消耗。

交互时我们比较关系的是通信质量，有最多一次、至少一次、仅一次三种方式。它们在应用中有着各自的特点和适用的场景：

最多一次，应用与对数据要求不高的情况，类似于UDP通信，是允许数据丢失的，例如非故障传感器返回的信息；

至少一次，应用于对数据要求较高的情况，类似于TCP通信，数据通信一定要达成，例如需要立即执行的故障传感器；

仅一次，应用于需要较准确的场景，避免因多次通信请求导致错误的发生，例如收费和校时功能。

1.1.1 连接CONNECT

通信的前置操作，就像是钥匙，开启后才能搭建设备与服务器的通信，由固定包头、可变包头、消息体三部分组成。

1.1.1.1 固定包头

固定包头含首字节和可变长度两部分。

首字节的高4位用于表示报文类型，bit4置1表示CONNECT，即CONNECT的首字节为0×10；可变长度表示后面所有数据的长度，可通过1～4字节表示，其中每字节的bit7有特殊意义，置1下个字节会继续表示数据长度，并将内容衔接到上一字节的bit7处，例如长度为128字节表示为0×80，但是因为bit7置1了，因此需要表示为0×80 0×01。

1.1.1.2 可变包头

可变包头含固定长度标识、MQTT标识、协议级别、链接标志、保活时间五部分。

固定长度：

固定的值，表示后面MQTT标识的长度，为0×00 0×04。

MQTT标识：

MQTT大写的ASCII码对应值，为0×4D 0×51 0×54 0×54。

协议级别：

协议的等级，此处遵循的是MQTT3.1.1版本，对应为等级4。

链接标志：

连接标记，由具有特定意义的位组合而成，组成方式如表1所示。Clean Session置1表示需清除Session；Will Flag置1表示需要在设备掉线后提醒订阅方掉线；QoS为0表示进行最多一次的服务质量通信，为1表示进行最少一次的服务质量通信，为2表示进行仅一次的服务质量通信；Will Retain置1表示新订阅者也能收到离线消息；Password置1表示消息体包含Password，UserName置1表示消息体包含User Name。此处链接标志我们假设消息体带有User Name和Password，且需要清除Session，那么链接标志即为0×C2。

表1 链接标志字节内容组成

保活时间：

最大不发送数据的时间间隔，单位为秒，用以服务器确认设备是否在线的时间当量，一般在1.5倍的该时间内收到客户端的报文即认为设备离线。此处我们假定需要的保活时间为100 s，则此位为0×00 0×64。

1.1.1.3 消息体

消息体的基础内容有clientId、安全模式、算法类型，还有做为补充的timestamp，然后是由链接标志确定的User Name和 Password。

消息体的每一项都分为长度和内容两部分，前两个字节表示当前消息体的字节长度，后面的字节即为消息体的实际内容。

clientId是用户设置的长度最大64字节的设备唯一码，假设此处为ALSJ-00000001；安全模式有TLS直连模式的2和TCP直连模式的3，此处我们选择TCP直连模式；算法类型可以选择hmacmd5和hmacsha1，这里我们选择hmacsha1；补充部分此处暂不做讨论。

根据上述设定及连接规则“clientId|securemode,sig nmethod|”,可以得到消息体的基础内容一为“ALSJ-00000001|securemode=3,signmethod=hmacsha1|”；

在链接标志置位User Name的情况下，假设此时clientId对 应 的Device Name为ALSJ-00000001，Product Key为a1SwMLEkaCz，根据上述设定及连接规则“DeviceName&ProductKey”，可以得到消息体的基础内容二为“ALSJ-00000001&a1SwMLEkaCz”；

在链接标志置位Password的情况下，又假设此 时Device Secret为fzcxQhVRSwCDk6Z0XH9AeCy qZ0sjGxtA，根据上述设定及连接内容“clientId$de viceName$productKey$”，可以得到消息体的源码内 容 为“clientIdALSJ-00000001deviceNameALSJ-00000001productKeya1SwMLEkaCz”， 再 使 用 Device Secret对此进行hmacsha1加密后即可得到消息体的基础内容三为“8a4b0b81a63016946c7f0ce19473f6de7546fe6d”；

通过组合基础内容一、二、三后进行消息推送，即可与云端Device Name为ALSJ-00000001、ClientID为ALSJ-00000001、Product Key为 a1SwMLEkaCz、Device Secret为fzcxQhVRSwCDk6Z0XH9AeCyqZ0sjGxtA的数字设备构成连接。

1.1.2 订阅SUBSCRIBE

订阅的数据结构与连接CONNECT相同，也由固定包头、可变包头、消息体三部分组成，为想要接收到的内容。

固定包头：

与连接有区别的是此处的首字节为0×82。

可变包头：

此处与连接有较大区别，仅有报文标识符。报文标识符为自己定义，服务器应答时会回复该值，用于确认回复与发送的关系，假定此处为0×00 0×0A。

消息体：

与订阅内容相关，保持长度加内容的方式。需要订阅的内容有属性、事件、服务等，几种内容的格式是完全相同的，仅Topic有差异。这里假定需要订阅的属性为/sys/a1SwMLEkaCz/ALSJ-00000001/thing/service/property/set，报文等级为0x00的等级1。

针对例子对内容进行组合即可完成属性的订阅操作，订阅后我们就可以收到属性的内容了，也可以进行发布消息来改变属性。

1.1.3 发布消息PUBLISH

发布消息的数据结构与连接CONNECT相同，不过数据内容与订阅更相近些。

固定包头：首字节为0×30。

可变包头：与订阅相同采用报文标识符的形式，值得注意的是具有可变包头的情况是QoS为1、2时才具备的，QoS为0时是没有可变包头字节的。假定此处QoS为0×

消息体：

为Topic与物模型内容组合的方式，这里涉及物模型的JSON格式推送详见下节。首先需要关联推送的Topic，它可以是属性、事件、服务中的一种，但格式完全相同。假定此时需要推送的方式为属性，属性Topic为“/sys/a1SwMLEkaCz/ALSJ-00000001/thing/event/property/post”，属性物模型PowerSwitch为关闭状态0，则推送的 JSON 内容为 {“method”:”thing.service.property.set”,”id”:”1061986371”,”params”:{“PowerSwitch”:0},”version”:”1.0.1_0001”}，将Topic与JSON内容组合进行消息的推送即可实现关灯的操作。需要注意的是通信一问一答的方式需要通过id进行对应，params中的内容可直接读取，阅读非常方便。

1.2 JSON通信

JSON则是一种格式化的文本数据交换格式，有很好的可读性，同时其结构化的报文也非常方便设备解析。JSON数据对比私有协议的数据就像C语言相对于汇编，可更直观地解读，获取内容、排查问题。

JSON的语法结构是以JavaScript对象表示语法的子集。数据在名称/值对中成对出现，数据由逗号分隔，使用斜杆来转义字符，大括号保存对象，中括号保存数组，且数组可以包含多个对象。表示的内容有两种，分别是对象和数组，并根据使用的灵活性value是可以嵌套的。

JSON对象：

大括号内指定的内容称为对象，是由名称/值对组成的集合，每个名称/值对之间使用逗号分隔。一个对象以左括号开始右括号结束，每个名称后跟一个冒号并接上具体的值，值的类型有字符串、数值等。具体形式如图1所示。

图1 JSON对象的内容格式

例如 {“LedNumber”:1，“PowerSwitch”:0，“Description”:”LeftLight”}，这个对象就表示了三个名称/值对，其名称分别为“LedNumber”、“PowerSwitch”、“Description”，定义值分别为数量1、状态0、名称LeftLight。

JSON数组：

中括号内指定的内容为数组，一般中间为多个对象，且多个对象格式相近，每个对象以逗号隔开。具体形式如图2所示。

图2 JSON数组的内容格式

例如

表征的是一个数组，里面有4个对象，分别对应LedNumber 号码为1、2、3、4的对象内容，并在每个对象内定义了PowerSwitch的状态及Description的字符描述。

JSON 值的嵌套：

是指名称/值对中的值进行了重定义，嵌套入了新的对象或是数组，用于定义更多的信息。具体形式如图3所示。

图3 名称/值对中值的类型展示

这里我们例举个嵌套例子便于理解。

例子是个对象，里面包含了两个名称/值对，其名称分别为“params”和“temp”，其中params也是一个对象，内部包含一个名称/值对，其名称为“state”，值由一个嵌套的数组替代，而数组又包含了4个对象，分别对应了号码为LedNumber1、2、3、4的PowerSwitch状态和Description字符描述。

可以看出，状态的给出是非常工整的，也易于查看，不需像私有协议一样频繁查看协议进行解读。使用中，我们只需要将名称/值对通过固定的方式进行组合、嵌套就可以很容易的与云端进行数据的交互了，其中交互信息里的名称/值对在平台上一般称为物模型，对其进行定义和替换即可完成内容的传递。

2 技术特点/优势

在产品的设计中，我们比较关心的是数据的交互，而数据的交互最关键的是属性、事件与服务，分别对应三种不同的数据交互方式。

属性的交互可通过对物模型的读写实现状态的获取或控制，但时效性一般，例如对灯具开关属性的获取或控制；事件的交互为产品发起，具有较高的时效性，一般为紧急状况的特别推送，例如灯具发生的过温故障；属性交互为服务端发起，具有较高的时效性，需要产品立即执行，例如灯具定时任务的下发。

根据产品的功能特性对属性、事件、服务进行合理定义，应用中设定好它们的实现逻辑，再结合产品本身的成熟方案，那么一个好的物联网产品也就呼之欲出了。

3 结语

从标准的MQTT协议、格式化的JSON通信，不难看出物联网极力想做的是统一，根本目的是互联互通，从而实现智能家居产品的联动，并最终构建智慧社区。

我们身边也不乏这种例子，例如小米的小爱同学，通过与它的交互，可以实现对接入的电视进行开启、关闭等操作，对接入的窗帘进行打开和关上的控制，对接入的空调进行温度的调控，以及对接入的灯具进行统一的管理等等。

因此掌握好这项技术，并将它应用到智能家居的产品中，给用户带来更便捷、更具新意、更有科技感的产品，势必具有深远的意义。