摘 要：针对目前智能窗户发展不够成熟以及产品成本过高的问题，在国内光纤以太网和云计算技术迅猛发展、无线局域网普及的背景下，开发了物联网智能窗户系统。设计采用arduino控制芯片以及各种传感器芯片组建智能窗户，并通过 ESP8266WIFI芯片接入互联网;利用伪造序列号的方式完成TCP协议的NAT穿越，实现手机终端到智能窗户的点对点连接;通过云虚拟主机平台，实现对智能窗户的管理。该智能窗户系统具备实时监测，远程控制，智能安防等功能，满足了用户对智能生活的要求。
关键词：智能家居;P2P连接;物联网;远程监控
0 引言
目前智能家居领域发展火热，智能窗户的出现满足了人们对智能生活的要求。智能窗户种类很多，但是现有智能窗户大多数仅仅是本地智能，即根据环境温度的变化，实现自动开关。只有少数智能窗户具备远程控制的功能，但也都是利用了移动通讯 GSM 模块，这种方式传输的数据量小，而且根本不具备实时性[2] 。综上所述，现有智能窗户主要有以下几点不足：①数据传输量很小，不具备实时监控的功能;②不具备智能安防的功能;③窗体驱动模块设计不好，导致只能用较高电压驱动窗体，存在较大的安全隐患。为了克服这些不足，本文设计并实现了一种操作简单，具备智能安防与远程监控功能的新一代智能窗户。
1 系统设计
1.1 需求分析从整体来看，智能窗户系统应划分为两个部分：远程通讯部分和本地智能部分，如图1所示。其中，远程通讯部分负责手机客户端到智能窗户的通讯，并且负责将环境数值以及窗户的状态发送到手机的客户端上。本地智能部分负责检测各种环境数据，并根据预先的设定，进行窗户的开关控制[4] 。
1.2 技术分析
1.2.1 远程监测及远程控制分析小到可穿戴设备，大到智能家居，交通工具等。未来智能设备的数量将是数以亿计的。在本设计中，数据存储于智能窗户的 SD 卡中，而不必上传到服务器，数据的分布式存储缓解了服务器硬盘的压力。另外，由于我们平时接入互联网的设备绝大部分都处于NAT防火墙之后，外网中的设备无法直接访问局域网内的终端。传统解决方案是通过服务器转发数据。但是物联网设备数目庞大，服务器将无法承受巨大的转发压力。而且中央服务器使得网络中的数据流量集中到一点，不能够充分利用空闲的线路[3] 。本设计利用集中式对等网络实现点对点通讯，在不需要服务器转发数据的情况下就能将手机连接到智能窗户。
1.2.2 NAT穿越分析如图2所示，本设计通过伪造序列号的方式完成 TCP协议的NAT穿越。
Phone 向 MiddleServer 建 立 TCP 请 求 连 接 ， MiddleServer获得host_p_addr和host_p_port映射后的 nat_p_addr和nat_p_port的信息，并通告给Window。 Phone第二次发起TCP请求时，设定TTL值，使得数据包刚好到达 NATA ，Phone 抓包获得刚发出的 TCP 序列号，通过 UDP 协议直接通告给 Window， Window 便可以伪造一个 TCP SYN 包，其中源地址： nat_p_addr，端 口 号 ：nat_p_port，目 标 地 址 ： host_w_addr，端口号：host_w_port。Window收到自己伪造的TCP包，于是产生了一个SYN_ACK的包。 NATB 为建立一个映射后转发该包。NATA收到后，将该数据包的目的地址改为host_p_addr，目标端口号改为host_p_port并转发。Phone收到转发的数据包后，如符合SYN的确认要求，就会再次发送SYN_ACK，作为第三次握手返回出去。至此 NATA 和 NATB 建立了映射表，Phone 和 Window之间能够直接通信[1] 。
2 软件实现
服务器端系统采用 hibernate 和 spring 框架开发，利用了mysql数据库，搭建在tomcat上。
2.1 功能描述
2.1.1 注册与登录模块模块功能：用户在服务器注册并登录账户，绑定智能窗户，便于对智能窗户的管理。同时方便以后再添加和管理设备。用户打开手机客户端，进入登录页面。如果没有帐号则选择注册。客户端将用户登录信息提交到服务器，Tomcat 收到 Post 请求，将数据转发到 LoginServlet处理。LoginServlet对数据做初步验证，检查用户名密码是否合法，之后将数据封装成一个JavaBean 对象，转发给业务逻辑层处理。业务逻辑层Service通过Dao对象中封装的函数访问数据库，如果数据库中没有账户信息，则抛出异常信息：登录失败，上层的 LoginServlet 捕获到异常信息后，页面跳回到登录状态。反之，如果存在账户则登陆成功，跳转到智能窗户控制页面[8] 。同样，注册页面通过查询数据库检验账户是否存在，若账户合法则将账户写入到数据库，并跳转到登录页面。其功能流程图如图4所示。
2.1.2 绑定模块模块功能：用户账户与智能窗户进行绑定，便于对智能窗户的管理。前提业务：注册与登录。手机客户端登录账户后，点击添加设备选项。用手机扫描智能窗户上的二维码，获得智能窗户的 ID 值，点击绑定后，数据提交到服务器上。其效果图如图5所示。
查询数据库，如果数据库中存在该智能窗户的ID 值并且没有其他用户绑定该窗户，则向客户端发送确认消息，用户点击确认后，服务器上用户账户的数据表中便写入了智能窗户的ID值，从而实现绑定。如果数据库中不存在该智能窗户的ID值，或者该 ID已经被其他用户绑定，则向客户端发送错误信息，由用户选择是否继续绑定。
3 结束语
目前，4G网络逐渐普及，5G网络的研究也在进行中。我国光纤以太网发展迅速，网络通讯速度正在飞快地提升，物联网的概念必将深入人心。就本设计所应用的技术来说，面对数目庞大的物联网智能设备，本设计所采用的数据分布式存储是缓解服务器压力的有效方式。同时，当前人们所用的互联网接入工具无非就是智能手机、电脑等用来浏览网页的设备，连接方式仅限于客户端—浏览器模型，本设计所应用的 TCP NAT 穿越技术，实现了点对点连接。不同于某些传统的P2P下载软件或者视频软件，本设计所应用的P2P连接技术所实现的是实时控制与监测。当物联网设备普及时，点对点连接将是缓解服务器转发压力的有效方式。
另外，仅就本设计来说，智能窗户具备实时监测、远程控制的功能。相比于传统的通过GSM模块发送消息的智能窗户，本设计的数据传输速度更快，而且实时监控能力更强，窗户工作电压为 5V，更安全，且功耗低。
参考文献(References):
[1] 蔡康.P2P对等网络原理与应用[M].科学出版社,2011.
[2] 桂劲松.物联网系统设计[M].电子工业出版社,2013.
[3] 谌玺,张洋.思科CCNA认证详解与实验指南[M].电子工业出版社,2014.
《物联网智能窗户系统的设计与实现》来源：《计算机时代》，作者：王 超，林百顺，冯开屏，李清清。
