基于ZigBee與MQTT的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

譚方勇+王昂+劉子寧

摘 要：提出了一種基于ZigBee與MQTT的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換的通信框架的設(shè)計(jì)方法，主要目的是解決多協(xié)議、多消息格式的兼容與擴(kuò)展的問(wèn)題。用C#語(yǔ)言定義了符合框架的傳感器設(shè)備類和數(shù)據(jù)類，并利用“觀察者模式”和“簡(jiǎn)單工廠模式”的設(shè)計(jì)思想，解決了多協(xié)議擴(kuò)展和通信效率的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：ZigBee；MQTT；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；通信框架；JSON

中圖分類號(hào)：TP393.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The paper proposes a design method of the communication framework for internet of things gateway protocol conversion based on ZigBee and MQTT.The main purpose is to solve the compatibility and expansion problems of multi-protocol and multi-message formats.It defines the framework of the sensor device class and data class with the C# language，and solves the low efficiency problem of multi-protocol extension and communication through the design philosophy of Observer Pattern and Simple Factory Pattern.

Keywords：ZigBee；MQTT；IOT Gateway；communication framework；JSON

1 引言（Introduction）

隨著“智慧地球”“感知中國(guó)”等一系列有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的口號(hào)的提出，物聯(lián)網(wǎng)的在各行各業(yè)應(yīng)用方案也在不斷地被提出并實(shí)施，這也使人們的生活變得更加便利和智能化[1]。此外，因?yàn)闊o(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，使得其在物聯(lián)網(wǎng)中成為一個(gè)部分，但因?yàn)槠涫褂玫腪igBee協(xié)議與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議是屬于兩種不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議[2]，兩者之間如有實(shí)時(shí)、可靠的傳輸數(shù)據(jù)，也成了無(wú)線傳感網(wǎng)，乃至物聯(lián)網(wǎng)能否快速發(fā)展的一個(gè)重要因素。本文將MQTT協(xié)議融合到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)中，通過(guò)ZigBee協(xié)議與MQTT協(xié)議的對(duì)接，解決物聯(lián)網(wǎng)在不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、不同通信方式以及不同協(xié)議環(huán)境下的對(duì)接問(wèn)題。

2 相關(guān)研究背景（Related research background）

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究也較多，在感知層的ZigBee協(xié)議與上層協(xié)議的對(duì)接轉(zhuǎn)換上提出了很多網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和方案，如將ZigBee與Wi-Fi進(jìn)行對(duì)接來(lái)實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[3]；將ZigBee與TCP協(xié)議之間進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)[4]；也有文獻(xiàn)提出一種基于Zig Bee技術(shù)和GPRS技術(shù)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)現(xiàn)地水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]。以上的這類文獻(xiàn)主要研究的是針對(duì)某種具體物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，在一定程度上也提高了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的效率，但對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的不同上層協(xié)議與底層ZigBee協(xié)議的對(duì)接的研究還比較少。本文將主要研究物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中ZigBee與MQTT協(xié)議的對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層與不同應(yīng)用層協(xié)議之間的通信。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相關(guān)協(xié)議分析（Analysis of internet of

things gateway protocol）

ZigBee是物聯(lián)網(wǎng)感知層的協(xié)議之一，它具有近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)傳輸率以及自組織等特點(diǎn)，其低功耗的特點(diǎn)可以使其在有限能源供應(yīng)的場(chǎng)合下能夠存活更長(zhǎng)的時(shí)間；自組織的特點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)的部署中可以通過(guò)多跳的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要專門部署固定的基礎(chǔ)設(shè)施。相比于其他物聯(lián)網(wǎng)感知層的短距離無(wú)線通信協(xié)議，如Wi-Fi、藍(lán)牙等，雖然Wi-Fi組網(wǎng)方便，但傳輸快、流量大的特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致其具有太大的功耗與成本開(kāi)銷。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)感知層來(lái)說(shuō)，對(duì)傳輸?shù)乃俣扰c流量并沒(méi)有很大要求，反而更需要低流量的緩解流量開(kāi)銷的問(wèn)題；藍(lán)牙協(xié)議雖然也是可以做到比較低的功耗，但其組網(wǎng)上要比ZigBee復(fù)雜麻煩得多，不適合物聯(lián)網(wǎng)下大量節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸。

MQTT（Message Queueing Telemetry Transport Protocol，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議），它是IBM公司所推出的一種基于輕量級(jí)代理的發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，運(yùn)行在TCP協(xié)議棧之上，能夠提供有序、可靠、雙向連接的網(wǎng)絡(luò)連接保證[6]。它具有開(kāi)放、簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，因此更適合于嵌入式系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)帶寬低等資源受限的環(huán)境中應(yīng)用，此外，它也被廣泛用于遙感勘測(cè)、智能家居、能源監(jiān)測(cè)和醫(yī)療應(yīng)用程序等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于M2M或物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

4 基于ZigBee與MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)總體設(shè)

計(jì)（Design of internet of things gateway based on

ZigBee and MQTT protocol）

4.1 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，基于ZigBee/MQTT物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位于網(wǎng)絡(luò)傳輸層，其嵌入式網(wǎng)關(guān)/PC網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序?qū)⒋趥鱽?lái)的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合JSON消息格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)MQTT的發(fā)布者角色發(fā)布到MQTT代理服務(wù)器。MQTT代理服務(wù)器一方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化操作，將數(shù)據(jù)以文檔形式存入MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)。另一方面則將網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序發(fā)布的數(shù)據(jù)消息推送到已經(jīng)訂閱的PC或移動(dòng)端的客戶端。而應(yīng)用層則是PC或移動(dòng)端的客戶端接收服務(wù)器推送的下位機(jī)發(fā)布的傳感器數(shù)據(jù)或發(fā)送控制傳感器的命令給代理服務(wù)器。

4.2 ZIGBEE與MQTT協(xié)議之間的通信框架設(shè)計(jì)

（1）定義傳感器設(shè)備類

對(duì)于不同消息的格式，需要設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的格式，使得無(wú)論程序接收的是哪種消息格式，都可以統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的格式，從而實(shí)現(xiàn)不同消息格式的統(tǒng)一化，方便消息格式的互相轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有傳感器產(chǎn)品特性的歸納、總結(jié)定義了如下數(shù)據(jù)類和傳感器設(shè)備類，描述如下：

上述傳感器設(shè)備類描述了傳感器設(shè)備的類型、所在的區(qū)域地址、區(qū)域號(hào)、設(shè)備號(hào)，同時(shí)可以根據(jù)傳感器的不同，無(wú)限擴(kuò)充傳感器采集的數(shù)據(jù)的描述與數(shù)值。

（2）“簡(jiǎn)單工廠模式”在傳感器與協(xié)議中的應(yīng)用

對(duì)于不同傳感器或者協(xié)議，其實(shí)本質(zhì)傳輸?shù)膬?nèi)容并沒(méi)有太大的改變，都是傳感器相關(guān)的一系列屬性。這種情況下，如果在編程上一次編寫，然后根據(jù)不同的傳感器類型進(jìn)行相應(yīng)不同的實(shí)例化，而使得系統(tǒng)具有更好的擴(kuò)展性與較小的代碼修改量，這是一個(gè)好的通信框架需要具備的。該模式能解決多種傳感器與多種協(xié)議的擴(kuò)展性問(wèn)題。在定義了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳感器設(shè)備類后，可以根據(jù)不同的設(shè)備類型對(duì)其實(shí)例化。

（3）“觀察者模式”設(shè)計(jì)

當(dāng)前大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的通信都是輪詢指令加同步通信的方式，但這種方式的通信會(huì)使數(shù)據(jù)傳輸有較大的延遲和阻塞，且隨著設(shè)備數(shù)量的增加會(huì)更加明顯。為了解決此問(wèn)題，本網(wǎng)關(guān)的通信處理主要采用異步通信方式與“觀察者模式”，這樣使得通信在接收時(shí)不用一直處在等待阻塞狀態(tài)，可以更實(shí)時(shí)的獲取下位機(jī)傳感器數(shù)據(jù)。在.NET下，使用委托可以很好的實(shí)現(xiàn)。C#委托的使用，如圖2所示。

（4）數(shù)據(jù)傳送中消息格式的確定

在數(shù)據(jù)交換中，JSON數(shù)據(jù)格式是一種輕量級(jí)別的“key/value”數(shù)據(jù)交換格式。與XML相比，JSON在描述同一設(shè)備的情況下，具有更少的容量，使得在傳輸中能夠用較少的流量傳輸相同的數(shù)據(jù)。

（5）網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)流程

首先是ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)ZIGBEE協(xié)調(diào)器的串口與程序進(jìn)行通信，程序的數(shù)據(jù)層在收到串口數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳遞給程序的邏輯層。邏輯層根據(jù)改寫MODBUS協(xié)議的自定義協(xié)議解析成框架內(nèi)統(tǒng)一的傳感器設(shè)備對(duì)象實(shí)例，然后再經(jīng)過(guò)JSON格式處理類將轉(zhuǎn)化來(lái)的傳感器設(shè)備實(shí)例打包成JSON格式字符串。再通過(guò)MQTT客戶端將數(shù)據(jù)發(fā)布到MQTT服務(wù)器，從而推送到訂閱者的客戶端上，最終實(shí)現(xiàn)不同通信方式、不同協(xié)議、不同數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換與傳輸。

5 ZIGBEE與MQTT協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)（Implementation

of ZIGBEE and MQTT protocol conversion）

在.NET開(kāi)發(fā)中，M2Mqtt.Net是一個(gè)支持MQTT v3.1協(xié)議版本的MQTT客戶端開(kāi)源庫(kù)。在通信框架核心網(wǎng)關(guān)程序中，使用M2Mqtt.Net開(kāi)源庫(kù)，并根據(jù)需求對(duì)源代碼進(jìn)行修改，來(lái)實(shí)現(xiàn)MQTT客戶端上數(shù)據(jù)的發(fā)布與訂閱。對(duì)于此類庫(kù)的操作，如圖3所示。

通過(guò)對(duì)MqttClient實(shí)例化并操作，可以實(shí)現(xiàn)客戶端與MQTT代理服務(wù)器的連接、發(fā)布、訂閱主題消息。發(fā)布消息是推送感知層數(shù)據(jù)，訂閱消息則是接收應(yīng)用層客戶端的控制指令。

C#中有相應(yīng)的JSON打包與解析開(kāi)源庫(kù)，如Newtonsoft.Json開(kāi)源庫(kù)。使用Newtonsoft.Json可以對(duì)一個(gè)設(shè)備對(duì)象類直接打包成JSON格式的字符串，也可以將JSON格式的字符串中解析為一個(gè)設(shè)備對(duì)象類，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程、提高了開(kāi)發(fā)效率。

這樣就基本實(shí)現(xiàn)了將感知層數(shù)據(jù)收集后轉(zhuǎn)換到JSON格式的MQTT協(xié)議中，進(jìn)行推送，如圖4所示。

6 結(jié)論 （Conclusion）

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的通信框架中協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸與不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換是其關(guān)鍵所在?；赯igBee/MQTT的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議框架能很好的解決了多協(xié)議、多消息格式的兼容與擴(kuò)展的問(wèn)題。通信方式不同，根據(jù)不同的通信類獲取數(shù)據(jù)后委托給邏輯處理層來(lái)處理，邏輯處理層把委托來(lái)的消息，通過(guò)不同的消息格式處理類來(lái)解析或打包消息，最終統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為框架內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的傳感器設(shè)備對(duì)象，用于后續(xù)的傳輸或界面顯示。

參考文獻(xiàn)（References）

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作者簡(jiǎn)介：

譚方勇（1976-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā).

王 昂（1993-），男，大專，工程師.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)傳感器.

劉子寧（1995-），男，大專生.研究領(lǐng)域：移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā).