多个Zigbee监测网络远程监控的实现 | |
多个Zigbee监测网络远程监控的实现 作者:李 强 1.概述 基于IEEE802.15.4标准的ZigBee传感器网络技术是一种短距离、低速率无线网络技术。其低功耗、易部署等特性,使它在无线监控、工业自动化、家居智能化等领域成了应用研究的热点。 结合IP网络技术,可方便地实现对Zigbee监测网络的远程监控。通常的实现方式是在两种异质网络的结合点(网关节点)上实现一个嵌入式的WebServer。对于多个Zigbee监测网络,这种实现方式在集中监管上存在一定的困难。 本文给出了利用IBM的Websphere消息中间件技术,对多个Zigbee监测网络进行远程集中管理的实现方法。 2.IBM中间件 IBM的WebSphere消息中间件产品,根据功能、应用对象的不同有不同的版本。WebSphere Connection Server Micro Edition,称为微型消息代理,主要用于嵌入式的应用,使用MQTT通信协议。 MQTT是IBM开发,在2001年发布的一个开放、轻型的消息传输协议,专门用于远程传感应用等低带宽的网络通信,并支持发布/订阅消息传递模式。 消息中间件系统的基本元素是客户端、消息和消息代理。在发布/订阅消息传递模式中,发布者和订阅者是客户端,通过连接到消息代理在网络中传递数据。发布者向消息代理发送特定主题的消息,订阅者向消息代理订阅特定主题的消息,发布者和订阅者之间的连接由消息代理管理。当消息代理收到发布提供的消息后,由它向订阅者传递所订阅的消息。 3.实现原理 采用中间件技术后,整个系统结构由两层结构变成了三层结构,如图1所示。 图1系统结构 底层为多个Zigbee监测网络,负责监测数据的采集。每个Zigbee监测网络有一个网关节点和若干的数据采集节点。监测网络采用星型结构,网关节点作为每个监测网络的基站。网关节点具有双重功能,一是充当网络协调器的角色,负责网络的自动建立和维护、数据汇集;二是作为监测网络与中间层交互的接口,与中间层的消息代理传递消息。 中间层为消息代理,完成消息的路由功能。分别接收管理应用、网关节点发来的消息,然后进行转发,使管理应用与监测网络的网关间实现数据交互。 上层为管理应用,作为人机接口,实时显示各个Zigbee监测网络的监测数据;接收用户的各种设置参数和控制命令。 网关节点与管理应用间的数据传递是双向的,即网关节点接收到数据采集节点发来的监测数据后,预处理后形成消息发给消息代理,由消息代理转给管理应用;管理应用收到用户的设置参数或控制命令后,形成消息传递给消息代理,再由消息代理发给网关节点。所以,它们即是消息的提供者,也是消息的使用者。 发布/订阅模型允许多个消息提供者向同一主题发布消息。因此,多个Zigbee监测网络通过其网关节点分别连接到消息代理,向同一主题发布有关监测数据的消息。管理应用通过订阅同一个主题,就能获得所有监测网络的监测数据。 另外,发布/订阅模型还允许多个消息使用者订阅同一个主题,消息代理会向不同的订阅者广播。因此,不同网关节点订阅同一主题后,管理应用只需向消息代理发送一条控制命令,多个监测网络的网关节点就能收到同一条控制命令。 4. 具体实现 4.1. 与消息代理间的消息传递 通过MQTT协议实现管理应用、监测网络中网关节点与中间层消息代理间的数据传输。 首先需要对中间层的消息代理进行配置,主要包括:创建连接工厂、创建主题、创建激活规范等。 在消息代理上需要创建两个主题,一个用于传递监测数据,一个用于传递控制命令。不同监测网络的网关节点向监测数据主题提供消息,管理应用订阅监测数据主题。管理应用向控制命令主题提供消息,不同的网关节点订阅控制命令主题。 网关节点、管理应用作为客户端,还需要编写专门的消息收、发送模块。虽然它们运行平台不同,网关节点运行于嵌入式设备的Linux环境,管理应用运行于台式机的Windows环境,但它们实现的步骤和原理是一样的。用MQTT库实现消息的发布和订阅模块,主要包括以下几个部分。 一、连接 MQTT 1) 生成连接字符串:指定消息代理主机的IP地址和MQTT分配的端口号,端口号缺省值为 1883; 2) 设置连接属性,包括客户机的标识、订阅类型、发送活动消息的间隔时间; 3) 创建 MQTT 客户机对象。 二、向代理发布信息 直接使用MQTT 提供的API函数publish,需要提供主题、消息、服务质量等参数。 三、向代理订阅消息 订阅是由 MQTT 对象处理的,要求有两个数组参数。分别是订阅主题数组、服务质量数组。这两个数组是“索引关联的”。 主题数组是一个字符串对象数组,主题按层次结构排列,并且通过“/”字符分隔。 服务质量数组是一个整数类型的数组。服务质量的值可以为 0、1 和 2,根据具体的应用设置。通常将服务质量的值置为2,使消息仅传递一次,以减少传输开销。 四、接收来自代理的消息 要使应用能接收到订阅的消息,必须创建一个回调处理函数,并且在MQTT客户端注册。 用MqttSimpleCallback 接口创建简单接口的对象,并实现connectionLost 和 publishArrived两个方法。 当与代理的连接意外终止时,就调用 connectionLost 方法。如果出现这种情况,则此方法试图重新连接到代理。如果 connectionLost 方法无法重新连接,则会抛出异常来通知客户机重新连接失败。 publishArrived 方法通知系统订阅主题的消息已到达客户端。 4.2. 与数据采集节点间的数据传递 网关节点作为ZigBee监测网络与IP网络的连接点,除了要与上一层的消息代理进行数据传递,还要与Zigbee监测网络中的数据采集节点间进行数据传递,获得原始的监测数据和向数据采集节点传递设置参数。 4.2.1. 网关节点的硬件结构 网关节点的硬件结构如图2所示。主要分成两大部分:系统运行的硬件平台和IEEE802.15.4无线通信模块。 图2 网关节点的硬件结构 CPU选用AMD的 Au1550。它是一款多功能、高性能、低功耗、高集成度的网络安全处理器。 无线通信模块采用飞思卡尔的MC13192。它实现了IEEE802.15.4物理层的数据传输,可以自动完成数据的校验和封装。 Au1550与MC13192通过3线SPI接口、一个片选线和一个中断请求线相连,完成数据传输和控制。 4.2.2. 网关节点的软件设计 图3 网关节点软件系统的结构 根据网关节点的功能,软件系统主要完成两个功能,一是负责网络的建立和维护、汇集监测网络中的监测数据、向数据采集节点发送设置参数。这一部分为实时部分,由内核模块实现,运行于内核态;二是与远程的消息代理之间的消息传递、原始监测数据的预处理。这部分为非实时部分运行于用户空间。 当MC13192接收到IEEE802.15.4物理层的数据后,产生中断请求触发数据处理任务读取,校验正确后写入FIFO中,用户空间的应用程序则定时读取FIFO中的数据,然后将原始数据形成文本格式的消息发送给消息代理。 当用户空间的应用程序收到消息代理发来的控制消息后,转换成控制命令字写入FIFO中,内核模块中FIFO读取任务则定时读取FIFO的控制命令,形成MAC层的帧格式,通过SPI传递给MC13192。 一、Au1550与MC13192间的数据传输 MC13192与Au1550之间通过SPI进行数据传输。将SPI的通信模式设为主从方式,Au1550为主机,MC13192为从设备。数据的传输完全由主机Au1550通过片选信号控制完成。 SPI数据帧由帧头和数据组成。帧头为8位,第一位为读写标志位,R/W=1表示读操作(从到主),R/W=0表示写操作(主到从)。低六位表示MC13192中寄存器的地址。 MC13192设置成包传输模式,它就会将接收到的主机数据暂存到发送RAM中,当接收完成后再以包的形式发送出去。同样,收到IEEE802.15.4数据帧后,存储到接收RAM中,确定数据帧的长度、进行校验和和链路质量的计算,数据校验正确后向主机发出中断请求,请求主机将数据读走。 二、实时任务与非实时应用间的数据传输 实时任务与非实时应用间采用FIFO进行数据传递。每一个FIFO都是在一个方向上传送数据。要实现实时任务与非实时应用间的双向传输,需要建立两个FIFO。一个FIFO用于实时任务向非实时应用发送原始监控数据,一个FIFO用于接收非实时应用的控制命令。 在实时任务一侧,不管FIFO状态是什么,任何读写入操作都是非阻塞的。因此,读写后都立即返回。在内核模块中FIFO通过rtf_create()来创建,rtf_put()向FIFO写数据, rtf_get()从FIFO读数据。FIFO的读过程由一个周期性的实时线程完成。 从应用程序一侧来看,FIFO就像一个常规文件。因此,调用文件打开函数来获得相关FIFO的指针,获得指针后通过读写函数实现对FIFO的读写操作。数据的读操作也由专门的线程用轮询方式完成,数据的发送操作则直接用函数调用方式。 5. 结束语 本文给出基于中间件技术的分层体系结构,实现对多个Zigbee监测网络的集中管理的方法,并给出了数据传递、网关节点等关键技术的具体实现。这种方式有效地解决了星型拓扑结构Zigbee监测网络监测范围受限的问题。通过增加监测网络的个数来扩大监测范围或多点分布式监测,而且还不会影响到管理应用。 本文的创新点:利用基于中间件技术的分层体系结构,实现了对多个ZigBee监测网络的集中管理,有效地解决了星型拓扑结构Zigbee监测网络监测范围受限的问题。星形拓扑结构具有结构简单、易于部署的特点,而且节点间不需要路由,可以有效节省节点的能耗。增加监测网络的个数可以扩大监测范围,但存在对多个监测网络集中管理的问题。 参考文献 [1] Motorola.MC13192/MC13193 Reference Manual [2] LAN-MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE, 2003 [3] IBM.Websphere Using Java,2004. |
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