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Python大创项目参考 智能家居控制(半成品且未参赛)建议用于电气、计科、通信相关专业——blog8

时间:2024-04-08 16:32:49浏览次数:17  
标签:socket Python bytes self 大创 智能家居 packet time device

(优质长文警告⚠️,全文包含代码共计22000+字,完整阅读时间较长)

智能家居行业是指通过互联网、物联网、人工智能等先进技术将家庭设备和设施连接起来,实现智能化控制和管理的新兴产业。

本项目参考了github开源“博联智能家居”,采用博联旗下鸿雁系列智能插座和路由,算是二次开发。

目录

step1: 鸿雁插座有一个自带的app,可以实现一些基础操作,我们第一步要做的事,就是获知该app是怎么控制的。

step2: github上搜索broadlink,了解其基础功能。

step3: 成果转化,可以选择移植到微信小程序,或者PC端上,据我所知博联还是比较友好也是一个十分支持二次开发的厂商。

部分代码展示


下面简单说说项目思路:

step1: 鸿雁插座有一个自带的app,可以实现一些基础操作,我们第一步要做的事,就是获知该app是怎么控制的。

主要工具:wireshark(截获数据)、socket套接字编程(监视和接收)

Wireshark是一个开源网络分析工具,用于捕获和分析网络数据包。它可以运行在Windows、Mac和Linux操作系统上,并且支持多种协议的分析,包括常见的TCP/IP协议、HTTP、FTP、DNS等。

通过Wireshark,用户可以实时捕获网络数据包,并对数据包进行深入分析。它提供了一系列强大的功能,包括:

  1. 数据包捕获:Wireshark可以通过网络接口捕获传输的数据包,用户可以选择感兴趣的数据包进行分析。

  2. 实时分析:Wireshark可以实时显示捕获的数据包,并提供详细的统计信息,如源IP地址、目的IP地址、协议类型、数据长度等。

  3. 数据包过滤:Wireshark支持灵活的过滤功能,用户可以根据协议类型、源/目的IP地址、端口号等条件过滤数据包,以便更好地分析感兴趣的数据。

  4. 统计功能:Wireshark提供了各种统计功能,如流量统计、协议分布图、包大小分布等,帮助用户更好地理解网络流量情况。

  5. 解码支持:Wireshark支持数百种协议的解码,用户可以查看和分析特定协议的数据包。

  6. 导出功能:Wireshark可以将捕获的数据包导出为多种格式,如文本文件、CSV文件、HTML文件等,方便用户进一步处理和保存。

截获相关数据之后,使用socket模拟发送过程,并进行测试。

step2: github上搜索broadlink,了解其基础功能。

pip install broadlink

这玩意没啥好说的,自己去看,我这一时半会也说不清楚,在文章的最后会附上相关代码。

主要工具:pip

broadlink的代码量不是很大(小几千行?),花个大半天就能理解的差不多,后续我们要做的算是一定程度的仿写,所以对其的了解程度非常重要。

下面附上实现其主要功能的程序段:

"""Support for Broadlink devices."""
import socket
import threading
import random
import time
import typing as t

from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes

from . import exceptions as e
from .const import (
    DEFAULT_BCAST_ADDR,
    DEFAULT_PORT,
    DEFAULT_RETRY_INTVL,
    DEFAULT_TIMEOUT,
)
from .protocol import Datetime

HelloResponse = t.Tuple[int, t.Tuple[str, int], str, str, bool]


def scan(
    timeout: int = DEFAULT_TIMEOUT,
    local_ip_address: str = None,
    discover_ip_address: str = DEFAULT_BCAST_ADDR,
    discover_ip_port: int = DEFAULT_PORT,
) -> t.Generator[HelloResponse, None, None]:
    """Broadcast a hello message and yield responses."""
    conn = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    conn.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
    conn.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_BROADCAST, 1)

    if local_ip_address:
        conn.bind((local_ip_address, 0))
        port = conn.getsockname()[1]
    else:
        local_ip_address = "0.0.0.0"
        port = 0

    packet = bytearray(0x30)
    packet[0x08:0x14] = Datetime.pack(Datetime.now())
    packet[0x18:0x1C] = socket.inet_aton(local_ip_address)[::-1]
    packet[0x1C:0x1E] = port.to_bytes(2, "little")
    packet[0x26] = 6

    checksum = sum(packet, 0xBEAF) & 0xFFFF
    packet[0x20:0x22] = checksum.to_bytes(2, "little")

    start_time = time.time()
    discovered = []

    try:
        while (time.time() - start_time) < timeout:
            time_left = timeout - (time.time() - start_time)
            conn.settimeout(min(DEFAULT_RETRY_INTVL, time_left))
            conn.sendto(packet, (discover_ip_address, discover_ip_port))

            while True:
                try:
                    resp, host = conn.recvfrom(1024)
                except socket.timeout:
                    break

                devtype = resp[0x34] | resp[0x35] << 8
                mac = resp[0x3A:0x40][::-1]

                if (host, mac, devtype) in discovered:
                    continue
                discovered.append((host, mac, devtype))

                name = resp[0x40:].split(b"\x00")[0].decode()
                is_locked = bool(resp[0x7F])
                yield devtype, host, mac, name, is_locked
    finally:
        conn.close()


def ping(address: str, port: int = DEFAULT_PORT) -> None:
    """Send a ping packet to an address.

    This packet feeds the watchdog timer of firmwares >= v53.
    Useful to prevent reboots when the cloud cannot be reached.
    It must be sent every 2 minutes in such cases.
    """
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) as conn:
        conn.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_BROADCAST, 1)
        packet = bytearray(0x30)
        packet[0x26] = 1
        conn.sendto(packet, (address, port))


class Device:
    """Controls a Broadlink device."""

    TYPE = "Unknown"

    __INIT_KEY = "097628343fe99e23765c1513accf8b02"
    __INIT_VECT = "562e17996d093d28ddb3ba695a2e6f58"

    def __init__(
        self,
        host: t.Tuple[str, int],
        mac: t.Union[bytes, str],
        devtype: int,
        timeout: int = DEFAULT_TIMEOUT,
        name: str = "",
        model: str = "",
        manufacturer: str = "",
        is_locked: bool = False,
    ) -> None:
        """Initialize the controller."""
        self.host = host
        self.mac = bytes.fromhex(mac) if isinstance(mac, str) else mac
        self.devtype = devtype
        self.timeout = timeout
        self.name = name
        self.model = model
        self.manufacturer = manufacturer
        self.is_locked = is_locked
        self.count = random.randint(0x8000, 0xFFFF)
        self.iv = bytes.fromhex(self.__INIT_VECT)
        self.id = 0
        self.type = self.TYPE  # For backwards compatibility.
        self.lock = threading.Lock()

        self.aes = None
        self.update_aes(bytes.fromhex(self.__INIT_KEY))

    def __repr__(self) -> str:
        """Return a formal representation of the device."""
        return (
            "%s.%s(%s, mac=%r, devtype=%r, timeout=%r, name=%r, "
            "model=%r, manufacturer=%r, is_locked=%r)"
        ) % (
            self.__class__.__module__,
            self.__class__.__qualname__,
            self.host,
            self.mac,
            self.devtype,
            self.timeout,
            self.name,
            self.model,
            self.manufacturer,
            self.is_locked,
        )

    def __str__(self) -> str:
        """Return a readable representation of the device."""
        return "%s (%s / %s:%s / %s)" % (
            self.name or "Unknown",
            " ".join(filter(None, [self.manufacturer, self.model, hex(self.devtype)])),
            *self.host,
            ":".join(format(x, "02X") for x in self.mac),
        )

    def update_aes(self, key: bytes) -> None:
        """Update AES."""
        self.aes = Cipher(
            algorithms.AES(bytes(key)), modes.CBC(self.iv), backend=default_backend()
        )

    def encrypt(self, payload: bytes) -> bytes:
        """Encrypt the payload."""
        encryptor = self.aes.encryptor()
        return encryptor.update(bytes(payload)) + encryptor.finalize()

    def decrypt(self, payload: bytes) -> bytes:
        """Decrypt the payload."""
        decryptor = self.aes.decryptor()
        return decryptor.update(bytes(payload)) + decryptor.finalize()

    def auth(self) -> bool:
        """Authenticate to the device."""
        self.id = 0
        self.update_aes(bytes.fromhex(self.__INIT_KEY))

        packet = bytearray(0x50)
        packet[0x04:0x14] = [0x31] * 16
        packet[0x1E] = 0x01
        packet[0x2D] = 0x01
        packet[0x30:0x36] = "Test 1".encode()

        response = self.send_packet(0x65, packet)
        e.check_error(response[0x22:0x24])
        payload = self.decrypt(response[0x38:])

        self.id = int.from_bytes(payload[:0x4], "little")
        self.update_aes(payload[0x04:0x14])
        return True

    def hello(self, local_ip_address=None) -> bool:
        """Send a hello message to the device.

        Device information is checked before updating name and lock status.
        """
        responses = scan(
            timeout=self.timeout,
            local_ip_address=local_ip_address,
            discover_ip_address=self.host[0],
            discover_ip_port=self.host[1],
        )
        try:
            devtype, _, mac, name, is_locked = next(responses)

        except StopIteration as err:
            raise e.NetworkTimeoutError(
                -4000,
                "Network timeout",
                f"No response received within {self.timeout}s",
            ) from err

        if mac != self.mac:
            raise e.DataValidationError(
                -2040,
                "Device information is not intact",
                "The MAC address is different",
                f"Expected {self.mac} and received {mac}",
            )

        if devtype != self.devtype:
            raise e.DataValidationError(
                -2040,
                "Device information is not intact",
                "The product ID is different",
                f"Expected {self.devtype} and received {devtype}",
            )

        self.name = name
        self.is_locked = is_locked
        return True

    def ping(self) -> None:
        """Ping the device.

        This packet feeds the watchdog timer of firmwares >= v53.
        Useful to prevent reboots when the cloud cannot be reached.
        It must be sent every 2 minutes in such cases.
        """
        ping(self.host[0], port=self.host[1])

    def get_fwversion(self) -> int:
        """Get firmware version."""
        packet = bytearray([0x68])
        response = self.send_packet(0x6A, packet)
        e.check_error(response[0x22:0x24])
        payload = self.decrypt(response[0x38:])
        return payload[0x4] | payload[0x5] << 8

    def set_name(self, name: str) -> None:
        """Set device name."""
        packet = bytearray(4)
        packet += name.encode("utf-8")
        packet += bytearray(0x50 - len(packet))
        packet[0x43] = self.is_locked
        response = self.send_packet(0x6A, packet)
        e.check_error(response[0x22:0x24])
        self.name = name

    def set_lock(self, state: bool) -> None:
        """Lock/unlock the device."""
        packet = bytearray(4)
        packet += self.name.encode("utf-8")
        packet += bytearray(0x50 - len(packet))
        packet[0x43] = bool(state)
        response = self.send_packet(0x6A, packet)
        e.check_error(response[0x22:0x24])
        self.is_locked = bool(state)

    def get_type(self) -> str:
        """Return device type."""
        return self.type

    def send_packet(self, packet_type: int, payload: bytes) -> bytes:
        """Send a packet to the device."""
        self.count = ((self.count + 1) | 0x8000) & 0xFFFF
        packet = bytearray(0x38)
        packet[0x00:0x08] = bytes.fromhex("5aa5aa555aa5aa55")
        packet[0x24:0x26] = self.devtype.to_bytes(2, "little")
        packet[0x26:0x28] = packet_type.to_bytes(2, "little")
        packet[0x28:0x2A] = self.count.to_bytes(2, "little")
        packet[0x2A:0x30] = self.mac[::-1]
        packet[0x30:0x34] = self.id.to_bytes(4, "little")

        p_checksum = sum(payload, 0xBEAF) & 0xFFFF
        packet[0x34:0x36] = p_checksum.to_bytes(2, "little")

        padding = (16 - len(payload)) % 16
        payload = self.encrypt(payload + bytes(padding))
        packet.extend(payload)

        checksum = sum(packet, 0xBEAF) & 0xFFFF
        packet[0x20:0x22] = checksum.to_bytes(2, "little")

        with self.lock and socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) as conn:
            timeout = self.timeout
            start_time = time.time()

            while True:
                time_left = timeout - (time.time() - start_time)
                conn.settimeout(min(DEFAULT_RETRY_INTVL, time_left))
                conn.sendto(packet, self.host)

                try:
                    resp = conn.recvfrom(2048)[0]
                    break
                except socket.timeout as err:
                    if (time.time() - start_time) > timeout:
                        raise e.NetworkTimeoutError(
                            -4000,
                            "Network timeout",
                            f"No response received within {timeout}s",
                        ) from err

        if len(resp) < 0x30:
            raise e.DataValidationError(
                -4007,
                "Received data packet length error",
                f"Expected at least 48 bytes and received {len(resp)}",
            )

        nom_checksum = int.from_bytes(resp[0x20:0x22], "little")
        real_checksum = sum(resp, 0xBEAF) - sum(resp[0x20:0x22]) & 0xFFFF

        if nom_checksum != real_checksum:
            raise e.DataValidationError(
                -4008,
                "Received data packet check error",
                f"Expected a checksum of {nom_checksum} and received {real_checksum}",
            )

        return resp

step3: 成果转化,可以选择移植到微信小程序,或者PC端上,据我所知博联还是比较友好也是一个十分支持二次开发的厂商。

对于微信小程序,我后续有时间会结合自己经历,写一写详细的引导性教学,感兴趣的小伙伴可以点下关注。

主要工具:微信开发者工具、QT、tkinter、pyinstaller……

大多数学生应该和我一样,大创不是为了做出什么真正有用的东西,主要追求的还是:听起来有那么一点创新点,又能混到学分,还能学到东西……

为什么说是成果转化呢,目前鸿雁的控制方式较为单一(仅支持手机app),且手机app上面的功能并为开发完全(就是看了代码知道的),完全可以在原有的功能基础上,加上一些自己的东西,反映出所谓“创新点”。

一下是我通过测试使用官方app了解到的功能:

  1. 远程控制:通过手机APP,用户可以随时随地远程控制插座的开关状态,无需亲自操作插座。

  2. 定时控制:鸿雁智能插座支持定时开关功能,用户可以设置定时开关时间,方便自动化控制电器设备。比如,可以设定插座在晚上10点关闭,早上7点开启,实现自动化的电器控制。

  3. 节能模式:鸿雁智能插座还支持节能模式,用户可以根据需要设定插座关闭时间,防止设备长时间待机造成能源浪费。

  4. 电量统计:插座内置电量统计功能,能够实时显示已使用的电量,方便用户了解电器设备的电量消耗情况。

  5. 安全保护:鸿雁智能插座具有过载保护和短路保护功能,可以确保使用过程中的安全性。

想一想人们还需要什么,结合现有包,扩充其功能。

所谓创新点,不仅仅体现在功能上,也可以是实现形式。

step4: 画大饼(bushi)

………………

部分代码展示

下面主要展示部分代码,涉及一些基础操作测试:

基础功能展示——使用python控制开闭

首先是使用我们的python程序实现插座的开闭功能(前提是保证你的电脑和插座处于同意局域网之下):

device_ip = "设备IP"
device_port = 80
device_mac = "设备mac地址"
device_type = "broadlink.mp1"
try:
    device = broadlink.mp1(host=(device_ip, device_port), mac=bytearray.fromhex(device_mac))
    device.auth()
except ValueError:
    pass


def test():
    print("开始监听")
    while True:
        data, address = s.recvfrom(1024)
        print(data)
        print(address)
    pass


t1 = t2 = t3 = t4 = "on"


def run1():
    global t1
    if t1 == "on":
        print("您打开了s1")
        t1 = "off"

    else:
        print("您关闭了s1")
        t1 = "on"

    if t1 == "on":
        try:
            device.set_power(1, True)
        except:
            pass
    elif t1 == "off":
        try:
            device.set_power(1, False)
        except:
            pass
    try:
        if device.check_power()[socket]:
            print("on")
        else:
            print("off")
    except NameError:
        pass
    print(f"设备状态测试:{t1}\t")

基础功能展示——(粗糙的

标签:socket,Python,bytes,self,大创,智能家居,packet,time,device
From: https://blog.csdn.net/m0_66653437/article/details/137511564

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