可視化多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)*

孫國輝，李佳奇，李超民

（哈爾濱理工大學 計算機科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

隨著無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)等不斷地發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)各方面的技術(shù)也在日趨成熟，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在智能家居、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、物流倉儲、公共安防等諸多領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)正在以全面感知、互聯(lián)互通、智能處理等為特征，實現(xiàn)人與人、人與物和物與物之間的通信[1]。

目前，多協(xié)議網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品在國內(nèi)各大公司已經(jīng)出現(xiàn)。2019 年9 月，小米公司推出了全新的米家智能多模網(wǎng)關(guān)，相對于前期網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，這套網(wǎng)關(guān)加入了對藍牙協(xié)議的支持，成為新一代智能家庭控制中心。網(wǎng)關(guān)可以支持三種通信協(xié)議：ZigBee、WiFi、BLE&BLE。所在只需一個網(wǎng)關(guān)，就能夠?qū)崿F(xiàn)小米智能設(shè)備如小愛同學、小米米家智能門鎖、米家LED 吸頂燈、米家空調(diào)伴侶2、米家無線開關(guān)、米家LED 吸頂燈等智能家居產(chǎn)品，打造強大的智能家庭系統(tǒng)實現(xiàn)定時開合窗簾、播放音樂、開門自動亮燈或一鍵關(guān)閉家中指定燈與電器。深圳奧卓領(lǐng)航有限公司推出的AnyPi 多協(xié)議網(wǎng)關(guān)解決方案，是一種支持Python/Javascript 可編程網(wǎng)關(guān)解決方案。這種IoT網(wǎng)關(guān)為異構(gòu)連接、邊緣計算、低功耗無線設(shè)備而設(shè)計，可用于大規(guī)模的低功耗無線設(shè)備的部署，實現(xiàn)Zigbee/BLE/WiFi/Lora 到互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)之間的橋接，網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)最終傳輸至AnyPi 的云服務(wù)。

這些網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用方式上分為兩種，一種只支持自己的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品族群。另一種是需要專業(yè)軟件開發(fā)人員進行二次開發(fā)的可編程網(wǎng)關(guān)，編程語言常見為Python 或Javascript。而對于某些需要快速設(shè)計、快速實施的應(yīng)用場景并不實用[2]。對于某些應(yīng)用場景，存在如物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中需要快速開發(fā)原型，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學過程中需要的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)支持，學生或電子技術(shù)愛好者自制智能終端需要快速組網(wǎng)并接入開放設(shè)備云平臺等此類需求。低成本可配置多協(xié)議網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是有應(yīng)用前景的。

此外，物聯(lián)網(wǎng)項目實施過程中，采用自行開發(fā)專用的網(wǎng)關(guān)技術(shù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換存在大量的重復(fù)開發(fā)，這種過程會對人力物力造成浪費，導(dǎo)致增加生產(chǎn)成本[3]。

針對以上分析，本項目設(shè)計一套開放的、可配置的、可視化的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括硬件和軟件設(shè)計方案。主要功能設(shè)計用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中將不同通信協(xié)議所采集的數(shù)據(jù)匯聚、解析、上傳到服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)與系統(tǒng)的應(yīng)用。同時，為使用者提供靈活的配置方式，使用者可通過手機端APP 快速建立非加密數(shù)據(jù)解析配置文件，下載至網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)解析。同時可以根據(jù)需求在APP 端創(chuàng)建數(shù)據(jù)圖形化配置文件與數(shù)據(jù)上傳接口配置文件，用于數(shù)據(jù)的實時圖形化展示與上傳。使用者也可以對所監(jiān)控的數(shù)據(jù)設(shè)置閾值與報警。在界面設(shè)計過程中，使用者可根據(jù)自己需求進行圖形組合，靈活地進行自定義界面設(shè)計，并可將界面配置文件傳輸給網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進行實時展示。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

可視化多協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由硬件網(wǎng)關(guān)、可視化多協(xié)議數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)輔助APP 三部分組成。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)分為軟件和硬件兩個部分，它的軟件部分主要分為應(yīng)用層、協(xié)議網(wǎng)關(guān)抽象層和操作系統(tǒng)層。層次性的劃分，使得每個層次均有其相應(yīng)要實現(xiàn)的功能。其中：

（1）操作系統(tǒng)層：這一層主要實現(xiàn)的是當設(shè)備啟動后執(zhí)行操作系統(tǒng)，從而完成相關(guān)聯(lián)的硬件的驅(qū)動，這樣就可以隨時等待連接來執(zhí)行命令。

（2）應(yīng)用層：這一層主要實現(xiàn)的是為用戶提供交互平臺，這里提供手動開啟網(wǎng)關(guān)，更改網(wǎng)關(guān)配置，更改數(shù)據(jù)顯示方式和數(shù)據(jù)封裝等面向用戶層面的功能。例如通過底層ZigBee 協(xié)議棧傳輸上來的數(shù)據(jù)包想要封裝成Http 包的形式傳輸出去，就需要去掉其各層添加的頭部或尾部信息，從而解析出真正傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)，再在數(shù)據(jù)中添加Http 包頭信息，再封裝成MAC 層分組、物理層分組、請求行以及請求頭部等信息，最后通過WiFi 將數(shù)據(jù)傳輸出去。這一層是項目研究的重點方式，即如何實現(xiàn)有效的多種協(xié)議轉(zhuǎn)換。

（3）網(wǎng)關(guān)抽象層：這一層就是為網(wǎng)關(guān)提供各種協(xié)議和服務(wù)所需的各種構(gòu)件，同時為上層應(yīng)用提供服務(wù)。

系統(tǒng)的具體實現(xiàn)流程是傳感器通過ZigBee 或藍牙網(wǎng)絡(luò)向硬件網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)，硬件網(wǎng)關(guān)關(guān)聯(lián)的ZigBee協(xié)調(diào)器或藍牙模塊讀取到該數(shù)據(jù)，并根據(jù)手機端APP所發(fā)送的配置文件解析該數(shù)據(jù)，同時通過網(wǎng)關(guān)匯聚系統(tǒng)二次解析處理后實時顯示在網(wǎng)關(guān)配套的顯示屏幕上。其中，系統(tǒng)的可視化的展示可由使用者設(shè)置，網(wǎng)關(guān)屏幕所展示的圖形可通過APP 所生成的配置文件進行設(shè)計，如形狀、位置、顏色等。其中，采集到的傳感器數(shù)據(jù)也可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置文件的設(shè)置，進行封裝并定向傳輸至遠程服務(wù)器，具體的數(shù)據(jù)交互流程如圖2 所示。

圖2 可視化多協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互圖

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)是將標準工業(yè)設(shè)備、射頻識別（RFID）、外圍硬件系統(tǒng)等按約定協(xié)議進行通信，以實現(xiàn)智能識別、數(shù)據(jù)采集、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。而構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的核心就是物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信，轉(zhuǎn)發(fā)等功能，即按特定需求設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換器[4]。

網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)的操作可以分為三類：數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)接收根據(jù)技術(shù)人員對網(wǎng)關(guān)啟動前的人工配置，對各種協(xié)議傳來的數(shù)據(jù)進行接收和解析。數(shù)據(jù)發(fā)送部分根據(jù)前期設(shè)定，將解析完成的數(shù)據(jù)重新封裝，傳送給對應(yīng)的上位機。數(shù)據(jù)顯示將解析好的數(shù)據(jù)用文本和圖形兩種方式實時地在屏幕上顯示出來。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)功能實現(xiàn)劃分如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能框圖

針對網(wǎng)關(guān)需求的分析，對系統(tǒng)具體功能描述如下：

2.1 硬件網(wǎng)關(guān)

硬件網(wǎng)關(guān)主要是硬件解決方案，實現(xiàn)多協(xié)議數(shù)據(jù)的匯聚、轉(zhuǎn)換和顯示等功能，其構(gòu)成包含微型電腦、觸摸屏、ZigBee 模塊、藍牙模塊、WiFi 模塊、組網(wǎng)開關(guān)等。硬件網(wǎng)關(guān)的主體設(shè)計如圖4 所示。

圖4 硬件網(wǎng)關(guān)設(shè)計圖

2.2 網(wǎng)關(guān)匯聚系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)匯聚系統(tǒng)主要是軟件解決方案，包括硬件控制與APP 進行交互。具體實現(xiàn)配置、控制、報警等信息的交互，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和遠程配置。具體功能實現(xiàn)TCP/IP、Http、串口通信功能，數(shù)據(jù)格式配置文件管理，UI 配置文件管理，數(shù)據(jù)解析與實時數(shù)據(jù)圖形化，數(shù)據(jù)封裝與上傳，報警管理。服務(wù)器端預(yù)期效果圖如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)設(shè)置與運行圖

2.3 網(wǎng)關(guān)輔助APP

創(chuàng)建數(shù)據(jù)解析配置文件，創(chuàng)建數(shù)據(jù)二次封裝傳輸配置文件，創(chuàng)建圖形顯示配置文件，傳輸配置文件。

手機APP 預(yù)期效果圖如圖6 所示。

圖6 手機APP 端設(shè)置圖

3 技術(shù)方案

系統(tǒng)擬采用的技術(shù)方案及可行性分析如下：

3.1 移動端輔助APP

APP 采用Android 平臺原生開發(fā)，配置文件的文件格式為XML，移動端可通過藍牙或WiFi 與網(wǎng)關(guān)進行連接并傳輸已生成的配置文件。

3.2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

基于 Android Things 平臺開發(fā)，Android Things 支持物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議 Weave。Weave 是一個不依賴底層的通信協(xié)議，可以運行在任何常見的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議之上，如WiFi、Zigbee 等。串口通信基于9326 芯片及其官方庫，該方案的優(yōu)點是傳輸穩(wěn)定，可進行數(shù)據(jù)加密傳輸。藍牙與WiFi 數(shù)據(jù)傳輸使用Android6.0 以上版本系統(tǒng)原生庫實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用Okhttp 第三方庫實現(xiàn)。數(shù)據(jù)可視化生成方面，在Processing 第三方圖形庫的基礎(chǔ)上對其方法進行二次封裝，這種方式的優(yōu)勢是運行速度快，圖形構(gòu)建更靈活。

3.3 網(wǎng)關(guān)硬件

網(wǎng)關(guān)的智能處理系統(tǒng)采用樹莓派3B，外接微雪ARPI600 網(wǎng)絡(luò)模塊擴展板，ZigBee 模塊使用Xbee S2B Pro，藍牙、WiFi、以太網(wǎng)模塊已由樹莓派集成，顯示屏使用樹莓派官方7 寸顯示屏，串口通信接口外接9326芯片進行數(shù)據(jù)加密封裝，開關(guān)與其他傳感器使用相應(yīng)的模塊接入。

從硬件設(shè)計和實現(xiàn)層面，主要選擇Android Things進行開發(fā)，所有整體架構(gòu)是依據(jù)Android 的MVP 設(shè)計模式，配合View Model 而構(gòu)成MVVM 模式的設(shè)計方案。其中，界面設(shè)計由Layout 編程包的xml 完成設(shè)置，顯示視圖。用戶交互是用Activity 實現(xiàn)，后臺運行的耗時和復(fù)雜的算法處理用Service 實現(xiàn)，同時采用圖形轉(zhuǎn)換類和硬件驅(qū)動類等進行配合以實現(xiàn)對于參數(shù)的可配置，數(shù)據(jù)的實時接收。在互不干擾的前提之下保持接收數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)三條工作線程各自執(zhí)行，互不影響。

解析數(shù)據(jù)工作分為兩部分，一是根據(jù)設(shè)置對相應(yīng)協(xié)議進行解析，將解析數(shù)據(jù)存入到線程安全的數(shù)組中；二是應(yīng)根據(jù)數(shù)組中的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)配置封裝成相應(yīng)圖形，根據(jù)當前已有的圖形個數(shù)等信息設(shè)定出當前圖形的位置和大小。并在實例化后將其加入圖形列表中以便后續(xù)的繪制操作。

項目主要創(chuàng)新處是開發(fā)一套開放的，靈活可配置的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，為物聯(lián)網(wǎng)項目架構(gòu)提出低成本的、開放式的解決方案，主要的創(chuàng)新點有，設(shè)計并實現(xiàn)開放式的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，可用于Zigbee、藍牙、WiFi、以太網(wǎng)、串口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳遞；設(shè)計并實現(xiàn)可配置且易用的圖形化、可視化的數(shù)據(jù)展示平臺；網(wǎng)關(guān)的多協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸可通過手機APP 進行遠程配置。

4 結(jié)束語

項目設(shè)計構(gòu)建網(wǎng)關(guān)硬件，設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)多模網(wǎng)關(guān)，設(shè)計并實現(xiàn)可配置圖形生成程序，設(shè)計數(shù)據(jù)分析、封裝配置文件。設(shè)計兼容性較好，易于操作的手機端輔助APP。實現(xiàn)以易于操作、兼容性好、可快速配置、圖形設(shè)計自由的多模網(wǎng)關(guān)及系統(tǒng)。