基于MQTT協(xié)議的遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘭元帥 李洋 舒靜 李春全 鄧欽洋

摘要：該系統(tǒng)采用LUA開發(fā)ESP8266，實(shí)現(xiàn)兩種功能：聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能;數(shù)據(jù)采集、控制功能，和傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)有很大區(qū)別。在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管功能上，該系統(tǒng)采用了阿里云平臺作為數(shù)據(jù)的收發(fā)。ESP8266 將收集到的數(shù)據(jù)通過 MQTT協(xié)議發(fā)送至云端，然后通過阿里云轉(zhuǎn)發(fā)到手機(jī)App即可監(jiān)測終端數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動端的監(jiān)控，還用Android開發(fā)了手機(jī)App客戶端，一旦網(wǎng)絡(luò)連接成功，即可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管。

關(guān)鍵詞：ESP8266;數(shù)據(jù)采集;遠(yuǎn)程監(jiān)管;云平臺;App客戶端

中圖分類號：TN948.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）27-0101-02

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing）[1-2]技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)的重要部分，現(xiàn)代生活很多場景都運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。其應(yīng)用已經(jīng)延伸到生活的各個(gè)方面，在現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)控制應(yīng)用當(dāng)中，主要強(qiáng)調(diào)的是智能監(jiān)管。本文采用全新MQTT通信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能控制和數(shù)據(jù)接收。

現(xiàn)如今遠(yuǎn)程智能監(jiān)管系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式通常較為復(fù)雜，其中，大部分的方案都是基于Zigbee自組網(wǎng)加處理器ARM [3]，這種方案實(shí)現(xiàn)成本高。針對這一問題，本系統(tǒng)采用了ESP8266模塊[4]和阿里云。該系統(tǒng)布局簡單，終端模塊和無線通信模塊被巧妙的融合，相對傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案而言，省去了主控芯片，在阿里云平臺的MQTT服務(wù)器不需要專門的開發(fā)，只需要在云平臺上配置MQTT服務(wù)器，我們的WIFI模塊和手機(jī)與云端的MQTT通信，便可實(shí)現(xiàn)移動端監(jiān)測管理[5]，節(jié)省了開發(fā)周期和成本。

1監(jiān)管系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)管系統(tǒng)包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集端（火焰探測，溫濕度檢測和燃?xì)鈾z測），8266控制端、阿里云平臺和遠(yuǎn)程控制端。

終端數(shù)據(jù)經(jīng)由ESP8266WIFI模塊接收，然后將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到MQTT中轉(zhuǎn)服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)智能采集控制終端與云平臺建立穩(wěn)定的TCP網(wǎng)絡(luò)連接[6]，將數(shù)據(jù)經(jīng)過MQTT協(xié)議發(fā)送給云端的MQTT服務(wù)器，中轉(zhuǎn)服務(wù)器將對這些數(shù)據(jù)做相應(yīng)的存儲或轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)收到遠(yuǎn)程的控制信號時(shí)，將數(shù)據(jù)一樣經(jīng)過MQTT協(xié)議傳輸給ESP8266模塊做出相應(yīng)操作。

手機(jī)App同樣是以MQTT協(xié)議與云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，實(shí)現(xiàn)客戶端到服務(wù)端的通訊，兩者之間是雙工通訊，即手機(jī)App可以發(fā)控制信號給云平臺，物聯(lián)網(wǎng)云平臺將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給終端，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控[7]。

因?yàn)镋SP8266資源有限，本設(shè)計(jì)用兩塊ESP8266實(shí)現(xiàn)，ESP8266用于數(shù)據(jù)收集環(huán)境溫濕度、檢測燃?xì)鉂舛仁遣皇浅瑯?biāo)、探測火焰環(huán)境、監(jiān)控人體進(jìn)入、遠(yuǎn)程操作繼電器開關(guān)，此空氣濕度可監(jiān)測的范圍在10%-95%，溫度范圍在5-45攝氏度?？刂葡到y(tǒng)用手機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線。本研究的設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)著眼于物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代化，重點(diǎn)打造簡潔的智慧工廠監(jiān)管系統(tǒng)，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立緊密聯(lián)系，進(jìn)而使物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程技術(shù)成為智慧工廠監(jiān)管系統(tǒng)的最終形態(tài)。

針對基于云智慧監(jiān)管系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需求，本系統(tǒng)選用了一系列軟硬件無線產(chǎn)物，其中硬件物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要分為三大類：一、可以使用無線傳輸協(xié)議的智能終端。二、傳感器種類多。三、采用繼電器控制的智能化控制設(shè)備。

2.1 ESP8266外圍電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的核心電路包括ESP8266最小系統(tǒng)電路、電源電路、繼電器控制電路，在這些基本電路的基礎(chǔ)上外加各種傳感器，實(shí)現(xiàn)對智慧工廠的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的檢測和遠(yuǎn)程控制功能[8]。

ESP8266最大的好處是既可以WIFI通信，又可以作主控MCU，在實(shí)際開發(fā)里的互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)部分中，均可作為通訊終端，已達(dá)到聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)。通過使用5V電壓對模塊供電，可以檢驗(yàn)ESP8266芯片是否正常工作，檢查晶振是否起振，通過ESP8266模塊[9]與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)往云平臺。

2.2 繼電器控制電路

在萬物互聯(lián)時(shí)代智慧工廠系統(tǒng)中，設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動化、智能化是至關(guān)重要的問題。本系統(tǒng)采用App下發(fā)的命令控制繼電器，由于繼電器采用電平原理設(shè)計(jì)，因此本系統(tǒng)可在+5V供電的情況下，完成對系統(tǒng)各類模塊的控制，此繼電器可以控制4種不同的負(fù)載裝備。

3軟件程序的設(shè)計(jì)

3.1無線通信軟件程序的設(shè)計(jì)

在智能監(jiān)管中，數(shù)據(jù)采集和移動端遠(yuǎn)程控制通信功能是必須實(shí)現(xiàn)的。此外在主程序設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)了重連機(jī)制，保證二者持續(xù)連接。本設(shè)計(jì)采用輕量級LUA開發(fā)，使用它的通信功能的同時(shí)，也使用內(nèi)部剩余的MCU資源，利用率極高。本設(shè)計(jì)采用LUA編程，因此，需要刷入LUA固件，在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)WIFI連接和控制功能[10]。

ESP8266主程序?qū)崿F(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)管的各項(xiàng)功能，具有簡單的程序結(jié)構(gòu)。當(dāng)給系統(tǒng)上電時(shí)，首先初始化輸入輸出端口、內(nèi)外部時(shí)鐘等內(nèi)部模塊。

當(dāng)系統(tǒng)中一些必要的模塊完成初始化以后，ESP8266模塊需要與外網(wǎng)進(jìn)行連接，在這之后需要連接云端服務(wù)器的IP地址和端口號。ESP8266無線WIFI終端模塊與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備云平臺進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)與云端的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議使用的是MQTT網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，使用訂閱主題的方式采集數(shù)據(jù)，使用發(fā)布主題的方式云端發(fā)出控制命令。

3.2 Android應(yīng)用程序開發(fā)

本設(shè)計(jì)的智慧工廠遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)是以Android為控制終端，用戶可以在Android設(shè)備上遠(yuǎn)程無線監(jiān)測和管理工廠流水線，并且Android App客戶端需要作為智慧工廠網(wǎng)關(guān)的控制器，共同組建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[11-12]。當(dāng)用戶有網(wǎng)時(shí)，能接收數(shù)據(jù)并且發(fā)送控制指令，用戶可以選擇智慧工廠的4個(gè)模塊，檢測和控制不同的場景。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能需求，驗(yàn)證智慧工廠阿里云監(jiān)管系統(tǒng)的具體功能的App實(shí)現(xiàn)過程[3]，由于四個(gè)控制子模塊實(shí)現(xiàn)的功能基本上相同，所以只針對一個(gè)控制子模塊的代碼實(shí)現(xiàn)做一定的闡述。