基于串口轉WiFi的物聯網終端遠程控制實現方法

白 昊,屈軍鎖,孫 陽,占 偉

(西安郵電大學 通信與信息工程學院，西安 710121)

基于串口轉WiFi的物聯網終端遠程控制實現方法

白 昊,屈軍鎖,孫 陽,占 偉

(西安郵電大學 通信與信息工程學院，西安 710121)

隨著物聯網技術的高速發展，對同一無線局域網內的設備進行控制時，存在傳輸距離短、可移動性差等缺點；針對此問題，提出了一種物聯網終端遠程控制的實現方法，采用串口轉WiFi模塊，通過Socket模式下的透傳機制，傳統的串口設備能夠無線接入到互網絡中基于MQTT消息傳輸協議的服務器上，完成數據的接收和發送，從而使終端設備突破無線通信距離的限制，達到數據交互和遠程控制的目的；實驗結果表明該方法正確、可靠，可廣泛應用于智能家居、工業控制等領域。

串口；WiFi；遠程控制；透傳

0 引言

在與物聯網終端設備通信中，有線通信方式可移動性較差，無線局域網方式通信距離較短，兩者都難以滿足人們對于設備遠程控制和數據交互的需求。而計算機網絡、通信和控制技術的發展使物聯網設備在遠程智能控制上成為可能。本文主要介紹了一種基于串口轉WiFi的物聯網終端遠程控制的實現方法，通過串口轉WiFi模塊，將數據進行透明化傳輸，內置的TCP/IP協議棧和IEEE802.11協議棧，能夠完成用戶串口到無線網絡之間的轉換。終端設備通過能夠訪問互聯網的無線路由器，連接到基于消息傳輸協議MQTT的服務器上，實現在移動設備上對物聯網終端進行遠程控制和數據交互，更大程度上實現信息化和智能化。

1 串口轉WiFi的工作模式

當與物聯網終端設備進行無線通信時，從通信的距離上可分為局域網通信和廣域網通信，從拓撲結構上可分為自組網(Ad hoc)和基礎網(Infra)，此時WiFi模塊分別工作在STA(Station)組網模式和AP(Access Point)組網模式。

AP即無線接入點，此時WiFi模塊是一個網絡的創建者，處于網絡的中心節點，網絡中所有的通信都要通過AP來實現數據的轉發。結構如圖1所示。

圖1 AP模式結構示意圖

STA即站點，無線通信網絡中每一個的終端(如手機、筆記本、掌上電腦PDA等)都可以稱作是一個站點。網絡中所有結點的地位是平等的，無需設置任何的中心控制結點。網絡中的結點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉發能力。結構如圖2所示。

圖2 STA模式結構示意圖

串口轉WiFi模塊可工作于Socket通信模式或命令模式。

在Socket模式下，模塊可工作在透傳、Httdp Client、Websocket、SSL Client通信模式，串口轉WiFi模塊可實現通用同步/異步收發傳輸器UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitte)與網絡設備之間的數據傳輸。在命令模式中，可使用AT(Attention)命令對模塊進行UART的設置。

物聯網設備進行遠程通信時，WiFi模塊工作在STA組網模式，串口轉WiFi模塊工作在Socket模式，無線路由器作為網絡的總控中心。網絡拓撲結構如圖3所示。串口設備通過串口轉WiFi模塊將設備的MAC地址、ID、用戶定義信息等注冊數據打包進行Socket透傳通信，數據經過路由器轉發給外網服務器，通過服務器這個橋梁，與終端設備的2G/3G/4G網絡或者WiFi網絡形成一個完整的網絡結構，從而達到遠程控制和數據交互的目的。

圖3 遠程控制拓撲示意圖

2 Socket模式下的透傳通信機制

WiFi轉串口模塊的整體功能框圖如圖4所示。本文使用透傳的通信模式實現物聯網設備的遠程控制和數據交互，交換網絡無論傳輸的數據是什么，不會對其進行任何處理，只負責將需要轉發的數據正確的傳輸到目的節點。與交換網絡的介質、解調方式、傳輸方式和通信協議無關的一種數據傳輸方式。

圖4 整體功能框圖

2.1 UART組幀機制

WiFi轉串口模塊當接收到串口設備UART發送過來的數據時，會不斷檢查相鄰2個字節的時間間隔。如果時間間隔大于設定的打包時間nms，則認為一幀的數據發送完畢，否則一直接收數據。組幀流程如圖5所示。

圖5 組幀示意圖

2.2 透傳模式

在透傳模式下的Socket連接，可采用TCP或UDP兩種方式。當模塊UART接口寫入數據時，模塊會自動向Socket轉發數據。而模塊通過Socket接收的數據，都將通過UART接口發送出去。

當Socket設置成TCP Server狀態時，Socket TCP Server模式下可支持最多3個TCP Client建立連接，當有第4個TCP Client接入時，會斷開第一個Client的連接。在多TCP鏈路連接的情況下，從TCP傳輸的數據會被逐個轉發到UART接口上。從UART接口上接收到的數據會被復制成多份，分別向每一個TCP 鏈接轉發一份。

當Socket設置成UDP Server狀態時，若串口先接收到數據，模塊會將數據轉發到已設置好IP和端口的服務器中，如果UDP Server接收到數據，模塊會記錄下發送數據的源地址，當串口接收到數據后，模塊會向該地址轉發數據。在UDP Client模式下，模塊只向已設置好的IP和端口的服務器發送數據，并且也只能接收該服務器發送的數據，其他地址轉發的數據將會被丟棄，不會轉發到UART口。

在建立Socket連接前需先發送注冊數據包，將設備的MAC地址、ID、以及用戶定義信息發送給服務器。在TCP Client模式下注冊包可以設置為連接時第一次發送或者在每個數據包前添加，而在UDP Client模式下注冊包數據會在每個數據包前添加。

在透傳模式下可開啟加密功能。模塊的串口接收到數據后進行加密處理，然后傳輸到Socket端。Socket端接收到加密數據時，模塊對數據進行解密處理，然后將數據透傳給串口。開啟加密解密功能會增大網絡數據傳輸的延遲時間，導致數據可能發生傳輸錯誤，需通過增大發送數據包之間的時間間隔來降低錯誤率。

3 遠程控制的實現過程

物聯網終端設備首次配置時，設備會通過串口轉WiFi模塊自建一個WIFI網絡，以便將AP和服務器配置信息寫入到終端設備中，完成遠程設備的上線。當用戶加入到該無線局域網后，會讀取終端設備的基本信息，獲取到相應的IP地址、端口號、MAC地址等信息，進行系統初始化。配置信息的寫入可通過手動方式或者smart-config方式。配置好相應的工作模式、AP信息(服務集標識SSID、密碼和加密方式)和服務器信息(IP地址、端口號)后，終端設備的信息將通過互聯網注冊到服務器上，實現終端設備連接到互聯網服務器中。物聯網終端設備配置流程圖如圖6所示。

圖6 設備配置流程圖

設備有服務器和客戶機兩種工作模式，在服務器模式下，串口轉WIFI模塊處于被動式聯網狀態，在每次數據交換之前，設備處于等待的狀態，當有客戶端發起連接邀請，才進行數據交換。在客戶機模式下，串口轉WiFi模塊處于主動式聯網狀態，在每次數據交換前，由設備主動發起連接，然后再進行數據的交換。

在服務器端通過部署Apache apollo，使用輕量級的、基于代理的“發布/訂閱”模式的MQTT消息傳輸協議。該協議具有簡潔、開放、小巧和可靠的特點，特別適用于低帶寬、不可靠連接，以及CPU內存資源緊張的嵌入式設備和移動終端上。

MQTT可分為MQTT消息代理和MQTT客戶端，客戶端直接使用MQTT協議與消息代理進行連接，結構如圖7所示。發布/訂閱是一種消息模式，消息的發布者與訂閱者通過代理服務器中的特定的主題作為中介進行數據的交互，不需要通過TCP來建立直接的通信連接，消息發布者發送的消息會進入一個發送隊列中；訂閱者對于一個或多個類別表達興趣，于是接收感興趣的消息，而無需關心誰是消息的發布者，解除應用程序的耦合。此外，MQTT提供3個級別的Qos服務質量，使得客戶端和服務器之間能準確無誤的接收消息。

圖7 MQTT架構圖

4 效果驗證與分析

首先終端設備上電后會進入默認的AP模式，自動組建一個SSID為TEST-Device的無線局域網絡，如圖8(a)所示。配置設備成功連接上該網絡后，可對設備的工作模式和服務器進行設置，如圖8(b)所示。輸入無線路由器(可連接到互聯網的AP設備)SSID和密碼信息，如圖8(c)所示，將配置信息寫入到設備后，設備在服務器注冊成功后即可連接到互聯網服務器進行遠程控制和數據交互。從互聯網向設備發送的交互數據和遠程控制信息，通過服務器轉發給設備連接互聯網的AP設備，AP作為設備的網絡中心，將數據通過WiFi轉串口模塊轉發給終端設備的串口模塊。通過串口調試助手可將遠程控制信息成功顯示，串口顯示如圖9所示。通過實驗驗證，基于串口轉WiFI模塊的物聯網終端遠程控制方法可將客戶端的控制命令通過服務器實時下發給設備端，實現物聯網設備的遠程控制。

圖8 配置示意圖

圖9 串口顯示測試

5 結論

基于串口轉WiFi的物聯網終端遠程控制實現方法，不受位置和線纜的束縛，可移動性較好、交互性更強，可完成設備的數據傳輸和遠程控制，使得設備間交互更加方便、快捷。該方法成本較低，可靠性高，可廣泛應用于智能家居、工業控制等領域，具有良好的拓展性和通用性。

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Remote Control of Internet of Things Terminal Implementation Method Based on Serial to WiFi

Bai Hao，Qu Junsuo，Sun Yang，Zhan Wei

(College of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts & Telecommunications, Xi’an 710121, China)

With the rapid development of the Internet of things technology, control of devices in the same wireless local area network,there is a short transmission distance, poor mobility etc. To tackle this problem, here is one proposed remote control of Internet of things terminal implementation method, the serial to WiFi module, through the socket mode of transmission mechanism, the traditional serial port device can access the server based on the MQTT message transmission protocol in the Internet to complete the data sending and receiving, so that the terminal devices to break through the limitation of wireless communication distance, to achieve the purpose of remote data exchange and control. Experimental results show that the method is correct and reliable, and can be widely used in smart home, industrial control and other fields.

serial; WiFi; remote control; transparent transmission

2016-07-15；

2016-08-24。

白 昊(1992-)，男，內蒙古巴彥淖爾人，碩士研究生，主要從事物聯網技術及應用方向的研究。

屈軍鎖(1968-)，男，陜西渭南人，教授，碩士研究生導師，主要從事寬帶通信與信息化方向的研究。

1671-4598(2017)01-0149-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.042

TP393

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