基于EMQX云平臺(tái)與ESP-WiFi-MESH的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閻子繁

（津安（天津）建筑節(jié)能設(shè)施運(yùn)營管理有限公司，天津 300202）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的概念越來越深入人心，市面上出現(xiàn)了許多不同的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，包含：NB-IoT、LORA、WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、4G 等。在這些協(xié)議中，WiFi 是使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。傳統(tǒng)基礎(chǔ)WiFi 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)“單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的中心節(jié)點(diǎn)稱為接入點(diǎn)（AP），其他節(jié)點(diǎn)（Station）均與AP 直接相連。由于所有Station 均需與AP 直接相連，這就導(dǎo)致智能設(shè)備不能距離AP 太遠(yuǎn)，因此WiFi 覆蓋區(qū)域相對(duì)有限。

ESP-WiFi-MESH 是樂鑫科技自研的組網(wǎng)技術(shù)，它與傳統(tǒng)WiFi 網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于：ESP-WiFi-MESH 中的節(jié)點(diǎn)無需連接到中心節(jié)點(diǎn)，它可以與相鄰節(jié)點(diǎn)連接。各節(jié)點(diǎn)均可以作為相連節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中繼。由于無需受限于距離中心節(jié)點(diǎn)的位置，所有節(jié)點(diǎn)仍可互連，因此 ESP-WiFi-MESH 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域更廣。由于不再受限于中心節(jié)點(diǎn)的容量限制，ESP-WiFi-MESH 允許更多節(jié)點(diǎn)接入，也不易于超載。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體方案如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，本系統(tǒng)選擇搭建EMQX 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。EMQX 平臺(tái)是基于Erlang/OTP 開發(fā)的MQTT 消息服務(wù)器，是開源社區(qū)中最流行的 MQTT 消息服務(wù)器。MQTT 消息服務(wù)器搭建位置選擇使用騰訊云服務(wù)器，并安裝了MySQL 作為數(shù)據(jù)庫使用。

終端部分僅需一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與MQTT 消息服務(wù)器進(jìn)行連接，即可做到數(shù)據(jù)的上傳與接收。所以，在硬件程序的編寫中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需預(yù)先訂閱publish_topic與receive_topic兩個(gè)主題，分別作為發(fā)布數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)使用。

智能設(shè)備可以通過網(wǎng)關(guān)上傳用戶所需的各種信息至MQTT 消息服務(wù)器中，并經(jīng)過EMQX 中的數(shù)據(jù)持久化功能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至MySQL 數(shù)據(jù)庫中。使用者在手機(jī)中安裝可以使用MQTT 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的手機(jī)應(yīng)用（例如：物聯(lián)網(wǎng)Flow 等）建立MQTT 的客戶端，并發(fā)送Json 數(shù)據(jù)到MQTT 消息服務(wù)器中，經(jīng)過服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，隨后網(wǎng)關(guān)將控制信息群發(fā)至各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備，設(shè)備經(jīng)邏輯判斷后產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與智能設(shè)備均使用ESP8266 NodeMCU 開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)。ESP8266 可以作為sta 站點(diǎn)直接連接WiFi，也可以作為AP 被其他sta 站點(diǎn)連接，是一款較受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)芯片。NodeMCU 參數(shù)見表1所列。

表1 ESP8266 NodeMCU 參數(shù)

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 Arduino IDE

本次智能設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的開發(fā)燒錄使用的是Arduino IDE?？梢栽赪indows、Macintosh OS（Mac OS）、Linux 三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行是Arduino IDE 一大特色。Arduino IDE 基于wiring 語言開發(fā)，編程人員了解部分C 語言、C++基礎(chǔ)知識(shí)后即可快速入手。

開發(fā)不同智能設(shè)備所使用的庫、方法、變量均不同，但軟件主體均包含void setup（）{}和void loop（）{}兩個(gè)方法。setup（）方法決定了設(shè)備上電之后需要初始化運(yùn)行的各個(gè)方法，包含：配置I/O 口狀態(tài)、初始化串口、創(chuàng)建連接、獲取各種初始數(shù)據(jù)等，這些方法在整個(gè)階段只執(zhí)行一次。loop（）方法決定了智能硬件持續(xù)執(zhí)行的方法，包含驅(qū)動(dòng)模塊、采集數(shù)據(jù)、維持客戶端心跳等。

3.2 Json 格式設(shè)計(jì)

Json 是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，從本質(zhì)上來講Json是字符串，格式一般為：{"name"："value"，...}，其中，name 為數(shù)據(jù)名稱，value 為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值。本系統(tǒng)總共需要構(gòu)建3 種Json 格式，格式內(nèi)容見表2所列。

表2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Json 格式設(shè)計(jì)表

3.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

3.3.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)獲取WiFi 賬號(hào)密碼

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接WiFi 流程如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接WiFi 流程

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的setup（）方法中，需要首先執(zhí)行配置WiFi 的方法，為了方便用戶可以使用普通手機(jī)與ESP8266硬件設(shè)備進(jìn)行交互，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)使用了WiFimanager 庫。WiFimanager 庫的運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 WiFimanager 庫的運(yùn)行流程

為了防止因?yàn)榈綦姸鴮?dǎo)致無法連接WiFi 的錯(cuò)誤，獲取到的WiFi 賬號(hào)密碼將被存儲(chǔ)進(jìn)E2PROM（可擦編程只讀存儲(chǔ)器）中，便于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)掉電后也可以獲取WiFi 賬號(hào)密碼并自動(dòng)連接。

3.3.2 ESP 創(chuàng)建ESP-WiFi-MESH 網(wǎng)絡(luò)

ESP-WiFi-MESH 的實(shí)現(xiàn)需要在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的setup（）方法中進(jìn)行mesh 網(wǎng)絡(luò)的初始化，表3具體描述了mesh 網(wǎng)絡(luò)的初始化所需方法的方法名、方法作用以及方法參數(shù)的含義。

表3 初始化mesh 網(wǎng)絡(luò)的方法

3.3.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建MQTT 連接

ESP 在初始化mesh 網(wǎng)絡(luò)之后需要建立MQTT 對(duì)象與MQTT 消息服務(wù)器進(jìn)行連接，并進(jìn)行訂閱topic、維持心跳等操作，表4具體描述了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與MQTT 消息服務(wù)器連接、發(fā)布、接收等動(dòng)作所需方法的方法名、方法作用以及方法參數(shù)的含義。

表4 MqttClient 對(duì)象方法

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于以上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本次實(shí)驗(yàn)將制作1 個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與1 個(gè)智能插座進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)僅使用ESP8266-NodeMcu 作為數(shù)據(jù)處理即可，無需其他模塊配合。智能插座需搭配SRD-05VDC-SL-C 繼電器模塊與ESP8266-NodeMcu共同進(jìn)行電路控制，以便于通斷電路。

4.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

本次實(shí)驗(yàn)需達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）智能插座通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)上傳當(dāng)前電路的通斷狀態(tài)到MQTT 消息服務(wù)器，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。

（2）用手機(jī)向MQTT 消息服務(wù)器發(fā)送控制信息并通過網(wǎng)關(guān)群發(fā)至智能插座做到控制插座電路通斷。

4.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）在Arduino 平臺(tái)中將寫好的代碼分別燒錄進(jìn)不同的ESP8266-NodeMcu 中。

（2）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)燒錄完成后，需要使用WiFimanager 進(jìn)行配置以及WiFi 賬號(hào)密碼的獲取。配置界面如圖4所示。

圖4 WiFimanager 配置頁面

（3）后續(xù)配置由硬件代碼自行完成即可，完成內(nèi)容有：

①物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接MQTT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；

②物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建ESP-WiFi-MESH 網(wǎng)絡(luò)并自動(dòng)下發(fā)根節(jié)點(diǎn)nodeId 至各個(gè)子節(jié)點(diǎn)；

③物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)監(jiān)聽來自MQTT 消息服務(wù)器下發(fā)的包含控制內(nèi)容的Json，并群發(fā)至各個(gè)子節(jié)點(diǎn)；

④智能設(shè)備每60 s 上傳一次電路狀態(tài)至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)至MQTT 消息服務(wù)器。

（4）在“物聯(lián)Flow”APP 中添加控制內(nèi)容，添加界面如圖5所示。

圖5 APP 設(shè)置界面

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接MQTT 平臺(tái)

在配置好WiFi 之后，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)會(huì)執(zhí)行MQTT 消息服務(wù)器的連接操作，當(dāng)連接成功之后會(huì)在串口輸出以下信息，如圖6所示。

圖6 串口輸出MQTT 消息服務(wù)器配置

4.4.2 創(chuàng)建ESP-WiFi-MESH 網(wǎng)絡(luò)

在創(chuàng)建好mesh 網(wǎng)絡(luò)之后，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和智能插座均在串口輸出，內(nèi)容包括mesh 網(wǎng)絡(luò)ssId、新增節(jié)點(diǎn)nodeId，如圖7所示。

圖7 串口輸出mesh 網(wǎng)絡(luò)新節(jié)點(diǎn)相關(guān)內(nèi)容

4.4.3 上傳數(shù)據(jù)至MQTT 消息服務(wù)器

智能插座每60 s 會(huì)上傳一次電路狀態(tài)，上傳之后會(huì)在串口輸出上傳內(nèi)容及根節(jié)點(diǎn)的nodeId，輸出內(nèi)容如圖8所示。

圖8 串口輸出電路狀態(tài)

4.4.4 控制智能硬件

本次實(shí)驗(yàn)通過“物聯(lián)Flow”進(jìn)行控制信息的發(fā)送，控制界面如圖9所示。在點(diǎn)擊“關(guān)閉”后，會(huì)如圖10（a）一樣，繼電器燈亮，電路斷路；在點(diǎn)擊“開啟”后，會(huì)如圖10（b）一樣，繼電器燈滅，電路連接。

圖9 控制界面

圖10 手機(jī)控制結(jié)果展示

4.4.5 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)

智能插座通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)上傳至MQTT 消息服務(wù)器，并通過規(guī)則存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫不同的表中。圖11為設(shè)備狀態(tài)表，在本表中，MacAddress 為智能插座的MAC 地址，switch_state 為電路開閉狀態(tài)。截圖時(shí)，繼電器開路，所以狀態(tài)值為0。

圖11 智能設(shè)備狀態(tài)表

圖12為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)-智能設(shè)備MAC 地址對(duì)照?qǐng)D。智能插座需要通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制信息群發(fā)，所以在本系統(tǒng)中需要網(wǎng)關(guān)和智能設(shè)備的MAC 地址。

圖12 智能設(shè)備對(duì)照?qǐng)D

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種基于EMQX 云平臺(tái)與ESP-WiFi-MESH 網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠較好地完成用戶對(duì)智能家居設(shè)備進(jìn)行操作以及智能設(shè)備狀態(tài)上傳等操作。不僅如此，本系統(tǒng)整體構(gòu)造簡單，方便用戶上手操作，僅需配置WiFi 與物聯(lián)網(wǎng)APP 即可做到操作智能設(shè)備。

本系統(tǒng)已做出基本的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)框架，后續(xù)的設(shè)計(jì)中將針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行邏輯深化、控制信息的細(xì)化以及APP 操作的簡化進(jìn)行更加深層次的研究。