MQTT--多个Zigbee监测网络远程监控的实现

本贴最后更新于 4127 天前,其中的信息可能已经水流花落
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。

系统结构

  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。

网关节点的硬件结构

  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

网关节点软件系统的结构

  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.

原文地址:http://www.nuogeng.com.cn/ShowSolution.asp?id=179

相关帖子

欢迎来到这里!

我们正在构建一个小众社区,大家在这里相互信任,以平等 • 自由 • 奔放的价值观进行分享交流。最终,希望大家能够找到与自己志同道合的伙伴,共同成长。

注册 关于
请输入回帖内容 ...

推荐标签 标签

  • jsoup

    jsoup 是一款 Java 的 HTML 解析器,可直接解析某个 URL 地址、HTML 文本内容。它提供了一套非常省力的 API,可通过 DOM,CSS 以及类似于 jQuery 的操作方法来取出和操作数据。

    6 引用 • 1 回帖 • 477 关注
  • Electron

    Electron 基于 Chromium 和 Node.js,让你可以使用 HTML、CSS 和 JavaScript 构建应用。它是一个由 GitHub 及众多贡献者组成的活跃社区共同维护的开源项目,兼容 Mac、Windows 和 Linux,它构建的应用可在这三个操作系统上面运行。

    15 引用 • 136 回帖 • 1 关注
  • 分享

    有什么新发现就分享给大家吧!

    248 引用 • 1792 回帖
  • Kubernetes

    Kubernetes 是 Google 开源的一个容器编排引擎,它支持自动化部署、大规模可伸缩、应用容器化管理。

    110 引用 • 54 回帖
  • 安装

    你若安好,便是晴天。

    132 引用 • 1184 回帖
  • Linux

    Linux 是一套免费使用和自由传播的类 Unix 操作系统,是一个基于 POSIX 和 Unix 的多用户、多任务、支持多线程和多 CPU 的操作系统。它能运行主要的 Unix 工具软件、应用程序和网络协议,并支持 32 位和 64 位硬件。Linux 继承了 Unix 以网络为核心的设计思想,是一个性能稳定的多用户网络操作系统。

    943 引用 • 943 回帖
  • 知乎

    知乎是网络问答社区,连接各行各业的用户。用户分享着彼此的知识、经验和见解,为中文互联网源源不断地提供多种多样的信息。

    10 引用 • 66 回帖
  • RabbitMQ

    RabbitMQ 是一个开源的 AMQP 实现,服务器端用 Erlang 语言编写,支持多种语言客户端,如:Python、Ruby、.NET、Java、C、PHP、ActionScript 等。用于在分布式系统中存储转发消息,在易用性、扩展性、高可用性等方面表现不俗。

    49 引用 • 60 回帖 • 362 关注
  • LaTeX

    LaTeX(音译“拉泰赫”)是一种基于 ΤΕΧ 的排版系统,由美国计算机学家莱斯利·兰伯特(Leslie Lamport)在 20 世纪 80 年代初期开发,利用这种格式,即使使用者没有排版和程序设计的知识也可以充分发挥由 TeX 所提供的强大功能,能在几天,甚至几小时内生成很多具有书籍质量的印刷品。对于生成复杂表格和数学公式,这一点表现得尤为突出。因此它非常适用于生成高印刷质量的科技和数学类文档。

    12 引用 • 54 回帖 • 65 关注
  • 工具

    子曰:“工欲善其事,必先利其器。”

    286 引用 • 729 回帖
  • 阿里云

    阿里云是阿里巴巴集团旗下公司,是全球领先的云计算及人工智能科技公司。提供云服务器、云数据库、云安全等云计算服务,以及大数据、人工智能服务、精准定制基于场景的行业解决方案。

    89 引用 • 345 回帖
  • 倾城之链
    23 引用 • 66 回帖 • 136 关注
  • 宕机

    宕机,多指一些网站、游戏、网络应用等服务器一种区别于正常运行的状态,也叫“Down 机”、“当机”或“死机”。宕机状态不仅仅是指服务器“挂掉了”、“死机了”状态,也包括服务器假死、停用、关闭等一些原因而导致出现的不能够正常运行的状态。

    13 引用 • 82 回帖 • 51 关注
  • Caddy

    Caddy 是一款默认自动启用 HTTPS 的 HTTP/2 Web 服务器。

    12 引用 • 54 回帖 • 165 关注
  • Vue.js

    Vue.js(读音 /vju ː/,类似于 view)是一个构建数据驱动的 Web 界面库。Vue.js 的目标是通过尽可能简单的 API 实现响应的数据绑定和组合的视图组件。

    266 引用 • 665 回帖
  • SOHO

    为成为自由职业者在家办公而努力吧!

    7 引用 • 55 回帖 • 19 关注
  • 服务器

    服务器,也称伺服器,是提供计算服务的设备。由于服务器需要响应服务请求,并进行处理,因此一般来说服务器应具备承担服务并且保障服务的能力。

    125 引用 • 588 回帖
  • Angular

    AngularAngularJS 的新版本。

    26 引用 • 66 回帖 • 537 关注
  • Wide

    Wide 是一款基于 Web 的 Go 语言 IDE。通过浏览器就可以进行 Go 开发,并有代码自动完成、查看表达式、编译反馈、Lint、实时结果输出等功能。

    欢迎访问我们运维的实例: https://wide.b3log.org

    30 引用 • 218 回帖 • 628 关注
  • ActiveMQ

    ActiveMQ 是 Apache 旗下的一款开源消息总线系统,它完整实现了 JMS 规范,是一个企业级的消息中间件。

    19 引用 • 13 回帖 • 671 关注
  • etcd

    etcd 是一个分布式、高可用的 key-value 数据存储,专门用于在分布式系统中保存关键数据。

    5 引用 • 26 回帖 • 528 关注
  • DevOps

    DevOps(Development 和 Operations 的组合词)是一组过程、方法与系统的统称,用于促进开发(应用程序/软件工程)、技术运营和质量保障(QA)部门之间的沟通、协作与整合。

    47 引用 • 25 回帖
  • Sillot

    Insights(注意当前设置 master 为默认分支)

    汐洛彖夲肜矩阵(Sillot T☳Converbenk Matrix),致力于服务智慧新彖乄,具有彖乄驱动、极致优雅、开发者友好的特点。其中汐洛绞架(Sillot-Gibbet)基于自思源笔记(siyuan-note),前身是思源笔记汐洛版(更早是思源笔记汐洛分支),是智慧新录乄终端(多端融合,移动端优先)。

    主仓库地址:Hi-Windom/Sillot

    文档地址:sillot.db.sc.cn

    注意事项:

    1. ⚠️ 汐洛仍在早期开发阶段,尚不稳定
    2. ⚠️ 汐洛并非面向普通用户设计,使用前请了解风险
    3. ⚠️ 汐洛绞架基于思源笔记,开发者尽最大努力与思源笔记保持兼容,但无法实现 100% 兼容
    29 引用 • 25 回帖 • 85 关注
  • iOS

    iOS 是由苹果公司开发的移动操作系统,最早于 2007 年 1 月 9 日的 Macworld 大会上公布这个系统,最初是设计给 iPhone 使用的,后来陆续套用到 iPod touch、iPad 以及 Apple TV 等产品上。iOS 与苹果的 Mac OS X 操作系统一样,属于类 Unix 的商业操作系统。

    85 引用 • 139 回帖 • 1 关注
  • Eclipse

    Eclipse 是一个开放源代码的、基于 Java 的可扩展开发平台。就其本身而言,它只是一个框架和一组服务,用于通过插件组件构建开发环境。

    75 引用 • 258 回帖 • 617 关注
  • 新人

    让我们欢迎这对新人。哦,不好意思说错了,让我们欢迎这位新人!
    新手上路,请谨慎驾驶!

    52 引用 • 228 回帖
  • Hadoop

    Hadoop 是由 Apache 基金会所开发的一个分布式系统基础架构。用户可以在不了解分布式底层细节的情况下,开发分布式程序。充分利用集群的威力进行高速运算和存储。

    86 引用 • 122 回帖 • 625 关注