基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

吳俊輝，吳桂初,?，陳 沖，葛世偉，許小鋒

(1.溫州大學(xué)浙江省低壓電器技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)平臺，浙江溫州 325027；2.浙江天正電氣股份有限公司，浙江溫州 325604；3.溫州聚創(chuàng)電氣科技有限公司，浙江溫州 325035)

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺通信技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，采用云端通信對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求不斷增加.各公司生產(chǎn)的設(shè)備之間的通信技術(shù)不同，以及物聯(lián)網(wǎng)公司之間的相互競爭，導(dǎo)致設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議多種多樣、管理平臺混亂，這是當(dāng)前業(yè)界存在的主要問題[1-4].

許多電器設(shè)備可通過現(xiàn)場總線的方式將自身的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，如多功能電表、智能斷路器等，但不同類型的設(shè)備采用的通信協(xié)議各不相同，因此需要設(shè)計一款能夠與不同設(shè)備進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，并且該網(wǎng)關(guān)也能夠?qū)f(xié)議轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器.文獻(xiàn)[5]介紹了一種嵌入式網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)可以將無線協(xié)調(diào)器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，也可通過GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；文獻(xiàn)[6]介紹了一種基于W5500芯片的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方案，該方案能夠靈活地實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，特別適用于RAM較小的低級處理器；文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種低成本網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和RS485采集器的高速連接.但以上設(shè)計針對性強(qiáng)，只能為單一產(chǎn)品使用，應(yīng)用范圍有限.為了能夠與多種類型的電器設(shè)備進(jìn)行通信，并將所有設(shè)備信息匯總后傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，本文設(shè)計了一款以STM32F103為主控制芯片，搭建三路RS485串行電氣接口，集成以太網(wǎng)、WIFI及GPRS等多種網(wǎng)絡(luò)通信方式的網(wǎng)關(guān)設(shè)備.在與電器設(shè)備通信時，本網(wǎng)關(guān)作為主機(jī)通過RS485接口與電器從機(jī)設(shè)備進(jìn)行通信，最后通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，將設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺.

1 協(xié)議分析

在本設(shè)計中，所涉及的協(xié)議有三種，一種是網(wǎng)關(guān)與云端的通信協(xié)議，采用MQTT協(xié)議與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通信；第二種是網(wǎng)關(guān)與從機(jī)設(shè)備的通信協(xié)議，主要是Modbus協(xié)議與DLT645協(xié)議，其網(wǎng)關(guān)作主機(jī)，與網(wǎng)關(guān)連接的電器設(shè)備作為從機(jī)，進(jìn)行協(xié)議間的互相轉(zhuǎn)換.

1.1 MQTT協(xié)議

MQTT協(xié)議是一種基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接的消息傳輸協(xié)議，使用發(fā)布/訂閱的消息模式，它開放、簡單、輕量、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)使它適用于各種受限的環(huán)境，如低寬帶、網(wǎng)絡(luò)不可靠、嵌入式處理器和內(nèi)存不足等情況[8-10].MQTT協(xié)議的報文結(jié)構(gòu)如圖1所示.

MQTT協(xié)議的消息類型（Message Tpye）共有十六種，如表1所示.

圖1 MQTT協(xié)議報文結(jié)構(gòu)Fig 1 MQTT Protocol Message Structure

表1 消息類型Table 1 Message Types

QoS（Quality of Service）消息交付質(zhì)量級別是MQTT協(xié)議中一個重要的功能，它可以決定消息的交付質(zhì)量.QoS總共有三種服務(wù)級別，0表示至多只發(fā)送一次，不保證消息可靠性，消息可能會丟失；1表示至少發(fā)送一次，客戶端或服務(wù)器確認(rèn)收到消息，但消息可能會重復(fù)；2表示精確發(fā)送一次，確?？蛻舳嘶蚍?wù)器僅一次收到消息[10].就消息質(zhì)量而言，客戶端與服務(wù)器之間的交互如圖2所示.在本網(wǎng)關(guān)中通過MQTT協(xié)議將電器設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，并且可以接收解析服務(wù)器端命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的.

圖2 消息質(zhì)量流程圖Fig 2 Message Quality Flow Chart

1.2 Modbus協(xié)議

Modbus是應(yīng)用層的報文傳輸協(xié)議，它提供不同類型設(shè)備之間主機(jī)/從機(jī)的通信.Modbus是一個請求/應(yīng)答協(xié)議，提供功能碼規(guī)定的服務(wù)，Modbus功能碼是請求/應(yīng)答協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU-Protocol Data Unit）的元素，是Modbus協(xié)議定義的一個與基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）[11].幀格式如圖3所示.

本設(shè)計中傳輸模式采用RTU模式，地址域與從機(jī)設(shè)備相對應(yīng)，差錯校驗(yàn)采用16位CRC校驗(yàn).網(wǎng)關(guān)與兩路RS485接口采用Modbus串行鏈路協(xié)議，網(wǎng)關(guān)作為主機(jī)發(fā)送請求，與之相連接的設(shè)備作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)請求，主機(jī)定時訪問從機(jī)，周期性完成數(shù)據(jù)信息交換.

圖3 通用Modbus幀F(xiàn)ig 3 General Modbus Frame

1.3 DLT645協(xié)議

多功能電表和智能斷路器均采用DLT645通信協(xié)議，DLT645協(xié)議的幀格式如圖4所示.68H和16H分別作為幀的起始和結(jié)束標(biāo)志，A0-A5作為地址域，C控制碼由規(guī)約規(guī)定，具體根據(jù)主機(jī)/從機(jī)的請求/應(yīng)答確定，L為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，CS校驗(yàn)碼采用各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和.DATA數(shù)據(jù)域的結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變，數(shù)據(jù)域主要包含數(shù)據(jù)標(biāo)識、密碼、數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)格式為低字節(jié)在前高字節(jié)在后[12].本設(shè)計中，網(wǎng)關(guān)中嵌入DLT645規(guī)約，并且網(wǎng)關(guān)作主機(jī).

圖4 DLT645幀格式Fig 4 DLT645 Frame Format

2 硬件設(shè)計

本網(wǎng)關(guān)采用STM32F103作為主控芯片，外圍搭建電源電路，三路RS485接口電路，WIFI接口電路，GPRS接口電路以及以太網(wǎng)網(wǎng)口電路.

STM32F103是一款低功耗、高性能的芯片，包含多種通信接口，如IIC、SPI和USART，綜合考慮生產(chǎn)成本和性能配置，該芯片滿足本設(shè)計的要求.本設(shè)計中，通信網(wǎng)關(guān)的整體硬件結(jié)構(gòu)見圖5.

圖5 整體硬件結(jié)構(gòu)Fig 5 Overall Hardware Structure

2.1 WIFI和GPRS電路

本設(shè)計中，WIFI采用的是ESP8266通信模塊，GPRS采用的是A6_Mini通信模塊，兩無線模塊硬件連接電路分別如圖6、圖7所示.

圖6 ESP8266模塊Fig 6 ESP8266 Module

圖7 A6_Mini模塊Fig 7 A6_Mini Module

ESP8266模塊和A6_Mini模塊分別通過USART串口與STM32F103連接，同時兩個通信模塊都支持AT指令，通過AT指令分別對兩模塊進(jìn)行設(shè)置，便可建立TCP/IP通信連接.

2.2 以太網(wǎng)電路

以太網(wǎng)通信采用W5500芯片作為以太網(wǎng)控制單元，配合晶振等外圍電路，該芯片的一端連接RJ45作為外部接口，另一端通過SPI接口與STM32F103連接，連接電路圖如圖8所示.

2.3 RS485電路

本設(shè)計所選用的STM32F103處理器包含五路USART，其中兩路分別與WIFI模塊和GPRS模塊連接，其余三路設(shè)計為RS485通信接口，其硬件電路如圖9所示.

圖9 RS485接口電路圖Fig 9 RS485 Interface Circuit Diagram

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件部分運(yùn)行在處理器的μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)中，程序的功能是通過WIFI、GPRS、以太網(wǎng)建立的TCP連接作為網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)，采用MQTT協(xié)議與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)作為主機(jī)，定時與從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換.在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)中建立以下任務(wù)：TCP連接任務(wù)、MQTT任務(wù)、定時任務(wù).TCP連接任務(wù)為MQTT通信做好網(wǎng)絡(luò)連接準(zhǔn)備，其中包括ESP8266、A6_Mini、W5500模塊的網(wǎng)絡(luò)配置，并選擇其中一種作為通信方式；MQTT任務(wù)是在TCP任務(wù)完成的基礎(chǔ)上，采用選定的通訊方式，通過MQTT協(xié)議連接到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，該任務(wù)包含MQTT協(xié)議的連接命令、消息訂閱、PING請求以及消息接收；定時任務(wù)主要是通過RS485定時地訪問從機(jī)交換設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并通過MQTT協(xié)議傳輸?shù)皆贫朔?wù)器.

3.1 TCP軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)通信提供有效可靠TCP連接是MQTT協(xié)議通信的基礎(chǔ).本網(wǎng)關(guān)作為客戶端，在通信方式上包含WIFI、GPRS及以太網(wǎng)三種，可以有效應(yīng)對各種使用環(huán)境.WIFI、GPRS通過AT指令配置參數(shù)后，在提供無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的環(huán)境下，即可保證TCP連接；以太網(wǎng)W5500芯片在初始化后即可檢測路由連接；本設(shè)計中，優(yōu)先選用以太網(wǎng)作為通信方式.三種通信方式的切換以及TCP連接流程如圖10所示.

3.2 MQTT通信軟件設(shè)計

在TCP網(wǎng)絡(luò)連接成功后，客戶端MQTT任務(wù)開始向阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送連接命令，請求建立MQTT通信連接，當(dāng)MQTT通信建立成功后，客戶端繼續(xù)向服務(wù)器發(fā)送主題訂閱命令，服務(wù)器在收到訂閱命令后，對訂閱主題進(jìn)行確認(rèn)并向客戶端返回主題訂閱成功的命令，最后一個步驟是MQTT?；蠲?，設(shè)備端的保活時間間隔內(nèi)，需要向服務(wù)器至少發(fā)送一次報文.MQTT協(xié)議通信的流程如圖11所示.

3.3 定時任務(wù)軟件設(shè)計

定時任務(wù)的功能是客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，在MQTT協(xié)議連接成功的基礎(chǔ)上，定時任務(wù)便可啟動.定時任務(wù)的流程如下：在規(guī)定的時間內(nèi)，網(wǎng)關(guān)作為主機(jī)對RS485總線上的從機(jī)電器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，網(wǎng)關(guān)將從機(jī)數(shù)據(jù)幀解析后，添加到網(wǎng)關(guān)已經(jīng)訂閱的主題中，再通過消息發(fā)布，將數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，按上述流程如此循環(huán).定時任務(wù)的流程如圖12所示.

圖10 TCP連接流程圖Fig 10 TCP Connection Flow Chart

圖11 MQTT協(xié)議通信流程Fig 11 MQTT Protocol Communication Process

圖12 定時任務(wù)流程圖Fig 12 Timing Task Flow Chart

4 實(shí)驗(yàn)測試

為了測試該網(wǎng)關(guān)的通信能力，專門搭建了一個實(shí)驗(yàn)平臺，該測試平臺由智能斷路器、多功能電表、通信網(wǎng)關(guān)和電源組成，測試平臺的電路連接見圖13，實(shí)物圖見圖14.測試平臺搭建完成后進(jìn)行系統(tǒng)測試，測試主要分為兩部分，一部分是網(wǎng)關(guān)連接到阿里云，成功登陸云服務(wù)器測試；另一部分是與云平臺連接成功后不同網(wǎng)絡(luò)通信方式的測試，主要是數(shù)據(jù)傳輸性能和傳輸延遲測試.

圖13 測試平臺電路連接圖Fig 13 Test Platform Circuit Connection Diagram

圖14 測試平臺實(shí)物圖Fig 14 Physical Diagram of Test Platform

4.1 登陸阿里云服務(wù)器

將阿里云平臺的MQTT賬號寫入網(wǎng)關(guān)中，在TCP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)連接建立成功后，系統(tǒng)會自動登陸到設(shè)置的阿里云賬號，成功登陸云平臺后，該網(wǎng)關(guān)在云平臺上顯示在線狀態(tài)，如圖15所示.

圖15 成功登陸云平臺Fig 15 Successfully Landed on Cloud Platform

4.2 網(wǎng)絡(luò)通信測試

在實(shí)驗(yàn)室條件下，分別測試不同網(wǎng)絡(luò)通信方式與云端成功連接后的數(shù)據(jù)傳輸性能.測試的方法是網(wǎng)關(guān)在一小時內(nèi)向云平臺通信192次，每次發(fā)送一條不大于1K字節(jié)的消息，連續(xù)測試24h，查看云端接收數(shù)據(jù)的情況.表2是不同網(wǎng)絡(luò)方式通信測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).由于WIFI網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，其它兩種網(wǎng)絡(luò)方式通信丟包為零.

表2 通信性能測試Table 2 Communication Performance Test

在通信測試的同時，隨機(jī)選取 10個不同時刻進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)延遲測試.阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供一個實(shí)時延遲測試接口，原理是從云端向網(wǎng)關(guān)下發(fā)一條指令，查看網(wǎng)關(guān)回復(fù)時間.表3為網(wǎng)絡(luò)延遲測試數(shù)據(jù)，單位是ms.可以從數(shù)據(jù)中得出，以太網(wǎng)延遲最低，GPRS延遲最高.

表3 網(wǎng)絡(luò)延遲時間Table 3 Network Delay Time

5 結(jié) 論

本文采用WIFI、GPRS、以太網(wǎng)集成芯片W5500和STM32F103微處理器，設(shè)計了一種基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，通過RS485與子設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)了阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺和設(shè)備端的數(shù)據(jù)信息交換.三種不同的網(wǎng)絡(luò)通信方式，有利于網(wǎng)關(guān)應(yīng)用在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期.實(shí)驗(yàn)表明，該網(wǎng)關(guān)通信能力穩(wěn)定，可以在具體實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用.