基于Arduino和ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

方中純　李海榮

摘要：給出了一種能夠在ZigBee網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行透明協(xié)議高效轉(zhuǎn)換的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)的解決方法。該方法利用MQTT服務(wù)器作為數(shù)據(jù)進入傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上的路由功能接收數(shù)據(jù)，然后通過串口把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給NodeMCU，最后數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議發(fā)送到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。經(jīng)過智能蔬菜大棚的實際應(yīng)用證明，本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)造價低廉，實用性好，效率高。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；ZigBee；NodeMCU

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.087

0引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet 0f things，簡稱IoT）是“信息化”時代的重要發(fā)展階段，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。要實現(xiàn)物物相連，工程真正的意義上的物聯(lián)網(wǎng)，就需要把各種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)在一起，那么網(wǎng)關(guān)功能的設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中就起著非常重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)涉及到多種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，因此設(shè)計一個能夠互聯(lián)所有網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是不現(xiàn)實的，更沒有必要，這樣不僅成本高而且研發(fā)周期長。因此，在實際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，針對涉及到的網(wǎng)絡(luò)，研究特定功能的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)不僅能夠降低成本而且也會縮短研發(fā)周期。而在當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)中，由于ZigBee廣泛應(yīng)用，那么數(shù)據(jù)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)以太網(wǎng)之間的相互轉(zhuǎn)發(fā)就顯得非常重要。

本文主要研究ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時為了方便用戶二次開發(fā)，也提供數(shù)據(jù)獲取和控制數(shù)據(jù)傳送WebAPI?；诖?，本文的研究內(nèi)容包括：基于MQTT的數(shù)據(jù)收發(fā)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)、基于MongoDB的數(shù)據(jù)持久化服務(wù)的開發(fā)以及提供二次開發(fā)的WebAPI接口。

1相關(guān)技術(shù)和理論

（1）MQTr（Message QueuingTelemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）是IBM開發(fā)的一個即時通訊協(xié)議。該協(xié)議支持所有平臺，幾乎可以把所有聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來，被用來當(dāng)做傳感器和制動器的通信協(xié)議。（2）NodeMCU是一個開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺，它自身就可以作為物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點使用，可以應(yīng)用于某些物聯(lián)網(wǎng)中。像Arduino一樣，它是簡單的開源可編程固件。本文通過MQTT協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站相互傳輸數(shù)據(jù)。（3）CC2530是用于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。（4）ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等。（5）Z-Stack是符合Zigbee協(xié)議棧規(guī)范的一個硬件和軟件平臺，是Zigbee協(xié)議棧的一個具體實現(xiàn)。本文利用Z-Stack設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)功能。

2 GlOT的體系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計并實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)GIOT（Gateway ofiOT）的主要功能是要實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)并把數(shù)據(jù)放置到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站服務(wù)器上，該方案的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1中，序號（1）、（2）和（3）是本文需要實現(xiàn)的部分，主要涉及到的相關(guān)技術(shù)如下：

（1）數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站服務(wù)器：利用Java語言實現(xiàn)WebAPI，程序訂閱MQTT服務(wù)器的數(shù)據(jù)主題，監(jiān)視物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)以及用戶發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，并把所有的數(shù)據(jù)寫入MongoDB數(shù)據(jù)庫中，同時給用戶終端提供WebAPI，方便基于PC和手機管理應(yīng)用的二次開發(fā)調(diào)用。

（2）NodeMCU轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)：利用ESP8266芯片按照Arduino規(guī)范設(shè)計的模塊，具備無線功能，方便通過無線接入以太網(wǎng)中，利用MQTT協(xié)議和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站進行數(shù)據(jù)通訊，通過UART與CC2530模塊相互傳輸數(shù)據(jù)。

（3）ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)：利用TI公司的CC2530芯片以及Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器功能，該部分主要接收ZigBee終端節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)發(fā)控制數(shù)據(jù)給終端節(jié)點，以及負責(zé)和NodeMCU進行通訊。

3 GlOT的實現(xiàn)

通過前面的描述，GIOT系統(tǒng)的實現(xiàn)主要分為如下三個方面：

3.1數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站服務(wù)的實現(xiàn)

（1）功能和流程描述：利用MQTT服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)計WebAPI二次開發(fā)接口便于對接其它應(yīng)用、利用MongoDB保存中間數(shù)據(jù)和日志，所有功能采用Java語言設(shè)計。主要流程為：

第一步訂閱網(wǎng)關(guān)主題的名稱規(guī)范，網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的主題為“GIOT_網(wǎng)關(guān)的MAC”。

第二步訂閱WebAPI傳入數(shù)據(jù)的主題名稱規(guī)范為“WAPI_APP_USER”，根據(jù)調(diào)用API的驗證用戶即可生成。

第三步MQTT訂閱和發(fā)布的消息以及操作日志等相關(guān)數(shù)據(jù)保存于MongoDB數(shù)據(jù)庫中。

第四步設(shè)計數(shù)據(jù)獲取以及控制信息傳輸?shù)亩伍_發(fā)WebAPI。

（2）主要相關(guān)的Java類和功能介紹：

ServerMQTT類：負責(zé)向客戶端（網(wǎng)關(guān)）推送訂閱的數(shù)據(jù)和WebAPI推送訂閱的實時數(shù)據(jù)。

ClientMQTr類：負責(zé)獲取客戶端（網(wǎng)關(guān)）和WebAPI發(fā)布的實時數(shù)據(jù)。

WebAPI類：該類主要提供異步和同步二次開發(fā)API，方便開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的人員進行二次開發(fā)。

DataMgrThread類：基于AOP（面向切面編程）技術(shù)，監(jiān)視MQTT和操作日志，把相關(guān)數(shù)據(jù)寫入MongoDB數(shù)據(jù)庫中。

3.2 NodeMCU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

（1）功能和流程描述利用NodeMCU的WiFi功能加入無線網(wǎng)絡(luò)中，通過MQTT與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站相互傳輸數(shù)據(jù)，利用UART和CC2530通訊，所有功能采用C語言設(shè)計。主要流程為：

第一步通過MQTT訂閱數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站發(fā)布的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是用戶控制信息，接收到這些數(shù)據(jù)后，立刻放入MQTF接收緩沖區(qū)中。開發(fā)者可以通過調(diào)用WebAPI發(fā)送控制信息到對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點，從而對節(jié)點進行控制。

第二步把MQTr傳過來的數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送給CC2530模塊。

第三步發(fā)布主題為“GIOT網(wǎng)關(guān)MAC”的消息到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的MQTT服務(wù)器上，這些數(shù)據(jù)主要來自于CC2530通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

第四步通過UART接收CC2530模塊傳過來的數(shù)據(jù)，然后放置到MQTT發(fā)送緩沖區(qū)中。

（2）數(shù)據(jù)格式定義。從數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)格式為：

（3）主要相關(guān)的模塊和功能介紹。WiFi連接模塊：該模塊主要檢測WiFi網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于離線狀態(tài)的時候，自動連接網(wǎng)絡(luò)和MQTT服務(wù)器。

MQTT發(fā)布模塊：從UART接收隊列中獲取數(shù)據(jù)，利用MQTT把數(shù)據(jù)發(fā)布到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器上。

MOTT訂閱模塊：從數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器獲取網(wǎng)關(guān)訂閱的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)保存于MQTT緩沖區(qū)中等待發(fā)送到CC2530中。

UART收發(fā)模塊：建立UART收發(fā)隊列，準備通過UART發(fā)送的數(shù)據(jù)事先保存于UART發(fā)送緩沖區(qū)中；從UART中獲取的數(shù)據(jù)保存于接收緩沖區(qū)中。數(shù)據(jù)的收發(fā)都是通過隊列實現(xiàn)，避免程序等待延時。

3.3 ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器實現(xiàn)

協(xié)調(diào)器的功能是基于11公司的Z-Stack協(xié)議棧而實現(xiàn)的。CC2530在啟動的時候充當(dāng)協(xié)調(diào)器，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)形成后，協(xié)調(diào)器就不必存在了，網(wǎng)關(guān)的CC2530模塊就進入ZigBee的路由器功能。

CC2530網(wǎng)關(guān)主要允許終端設(shè)備節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并且通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，以及通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送NodeMCU發(fā)送過來的控制數(shù)據(jù)到終端設(shè)備并控制終端節(jié)點。

網(wǎng)關(guān)與終端之間的數(shù)據(jù)格式如下：

4總結(jié)

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)GIOT，它不僅能高效地實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)發(fā)，并且為開發(fā)人員提供了二次開發(fā)的WebAPI，從而方便通過二次開發(fā)獲取節(jié)點的數(shù)據(jù)，并傳送用戶控制信息對終端節(jié)點進行控制。

該GIOT設(shè)計方案應(yīng)用到智能蔬菜大棚系統(tǒng)中，運行安全、穩(wěn)定。該方案經(jīng)濟實惠（成本低于100元）、性能穩(wěn)定。所以，此方案在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有著十分廣泛的應(yīng)用前景。