基于ZigBee與MQTT的物聯網網關通信框架的設計與實現

譚方勇+王昂+劉子寧

摘 要：提出了一種基于ZigBee與MQTT的物聯網網關協議轉換的通信框架的設計方法，主要目的是解決多協議、多消息格式的兼容與擴展的問題。用C#語言定義了符合框架的傳感器設備類和數據類，并利用“觀察者模式”和“簡單工廠模式”的設計思想，解決了多協議擴展和通信效率的問題。

關鍵詞：ZigBee；MQTT；物聯網網關；通信框架；JSON

中圖分類號：TP393.03 文獻標識碼：A

Abstract：The paper proposes a design method of the communication framework for internet of things gateway protocol conversion based on ZigBee and MQTT.The main purpose is to solve the compatibility and expansion problems of multi-protocol and multi-message formats.It defines the framework of the sensor device class and data class with the C# language，and solves the low efficiency problem of multi-protocol extension and communication through the design philosophy of Observer Pattern and Simple Factory Pattern.

Keywords：ZigBee；MQTT；IOT Gateway；communication framework；JSON

1 引言（Introduction）

隨著“智慧地球”“感知中國”等一系列有關物聯網相關的口號的提出，物聯網的在各行各業應用方案也在不斷地被提出并實施，這也使人們的生活變得更加便利和智能化[1]。此外，因為無線傳感器結構簡單、成本低廉的特點，使得其在物聯網中成為一個部分，但因為其使用的ZigBee協議與現有的互聯網的TCP/IP協議是屬于兩種不同的異構網絡的協議[2]，兩者之間如有實時、可靠的傳輸數據，也成了無線傳感網，乃至物聯網能否快速發展的一個重要因素。本文將MQTT協議融合到物聯網網關協議轉換的設計中，通過ZigBee協議與MQTT協議的對接，解決物聯網在不同網絡結構、不同通信方式以及不同協議環境下的對接問題。

2 相關研究背景（Related research background）

物聯網網關技術是物聯網的關鍵技術之一，近年來國內外的研究也較多，在感知層的ZigBee協議與上層協議的對接轉換上提出了很多網關的實現技術和方案，如將ZigBee與Wi-Fi進行對接來實現智能家居網關的設計[3]；將ZigBee與TCP協議之間進行有效轉換來實現網關軟硬件設計[4]；也有文獻提出一種基于Zig Bee技術和GPRS技術的網關設計方案，實現監控中心對現地水位的實時監控[5]。以上的這類文獻主要研究的是針對某種具體物聯網的應用場合下對物聯網網關的設計，在一定程度上也提高了物聯網網關的效率，但對于異構網絡的不同上層協議與底層ZigBee協議的對接的研究還比較少。本文將主要研究物聯網網關設計中ZigBee與MQTT協議的對接，從而實現物聯網感知層與不同應用層協議之間的通信。

3 物聯網網關相關協議分析（Analysis of internet of

things gateway protocol）

ZigBee是物聯網感知層的協議之一，它具有近距離、低功耗、低復雜度、低數據傳輸率以及自組織等特點，其低功耗的特點可以使其在有限能源供應的場合下能夠存活更長的時間；自組織的特點在物聯網感知節點的部署中可以通過多跳的方式來進行數據傳輸，而不需要專門部署固定的基礎設施。相比于其他物聯網感知層的短距離無線通信協議，如Wi-Fi、藍牙等，雖然Wi-Fi組網方便，但傳輸快、流量大的特點會導致其具有太大的功耗與成本開銷。對于物聯網感知層來說，對傳輸的速度與流量并沒有很大要求，反而更需要低流量的緩解流量開銷的問題；藍牙協議雖然也是可以做到比較低的功耗，但其組網上要比ZigBee復雜麻煩得多，不適合物聯網下大量節點的組網與數據傳輸。

MQTT（Message Queueing Telemetry Transport Protocol，消息隊列遙測傳輸協議），它是IBM公司所推出的一種基于輕量級代理的發布/訂閱模式的消息傳輸協議，運行在TCP協議棧之上，能夠提供有序、可靠、雙向連接的網絡連接保證[6]。它具有開放、簡單和易于實現等特點，因此更適合于嵌入式系統以及網絡帶寬低等資源受限的環境中應用，此外，它也被廣泛用于遙感勘測、智能家居、能源監測和醫療應用程序等各個領域，對于M2M或物聯網網關通信來說卻是一個不錯的選擇。

4 基于ZigBee與MQTT協議的物聯網網關總體設

計（Design of internet of things gateway based on

ZigBee and MQTT protocol）

4.1 網關系統總體結構設計

如圖1所示，基于ZigBee/MQTT物聯網網關位于網絡傳輸層，其嵌入式網關/PC網關應用程序將串口傳來的傳感器數據轉換為符合JSON消息格式的數據，通過MQTT的發布者角色發布到MQTT代理服務器。MQTT代理服務器一方面對數據進行持久化操作，將數據以文檔形式存入MongoDB數據庫。另一方面則將網關應用程序發布的數據消息推送到已經訂閱的PC或移動端的客戶端。而應用層則是PC或移動端的客戶端接收服務器推送的下位機發布的傳感器數據或發送控制傳感器的命令給代理服務器。

4.2 ZIGBEE與MQTT協議之間的通信框架設計

（1）定義傳感器設備類

對于不同消息的格式，需要設計一個標準的格式，使得無論程序接收的是哪種消息格式，都可以統一轉換成這個標準的格式，從而實現不同消息格式的統一化，方便消息格式的互相轉換。經過對現有傳感器產品特性的歸納、總結定義了如下數據類和傳感器設備類，描述如下：

上述傳感器設備類描述了傳感器設備的類型、所在的區域地址、區域號、設備號，同時可以根據傳感器的不同，無限擴充傳感器采集的數據的描述與數值。

（2）“簡單工廠模式”在傳感器與協議中的應用

對于不同傳感器或者協議，其實本質傳輸的內容并沒有太大的改變，都是傳感器相關的一系列屬性。這種情況下，如果在編程上一次編寫，然后根據不同的傳感器類型進行相應不同的實例化，而使得系統具有更好的擴展性與較小的代碼修改量，這是一個好的通信框架需要具備的。該模式能解決多種傳感器與多種協議的擴展性問題。在定義了一個統一的標準傳感器設備類后，可以根據不同的設備類型對其實例化。

（3）“觀察者模式”設計

當前大多數物聯網網關的通信都是輪詢指令加同步通信的方式，但這種方式的通信會使數據傳輸有較大的延遲和阻塞，且隨著設備數量的增加會更加明顯。為了解決此問題，本網關的通信處理主要采用異步通信方式與“觀察者模式”，這樣使得通信在接收時不用一直處在等待阻塞狀態，可以更實時的獲取下位機傳感器數據。在.NET下，使用委托可以很好的實現。C#委托的使用，如圖2所示。

（4）數據傳送中消息格式的確定

在數據交換中，JSON數據格式是一種輕量級別的“key/value”數據交換格式。與XML相比，JSON在描述同一設備的情況下，具有更少的容量，使得在傳輸中能夠用較少的流量傳輸相同的數據。

（5）網關協議轉換的實現流程

首先是ZIGBEE無線網絡經過ZIGBEE協調器的串口與程序進行通信，程序的數據層在收到串口數據后，將數據傳遞給程序的邏輯層。邏輯層根據改寫MODBUS協議的自定義協議解析成框架內統一的傳感器設備對象實例，然后再經過JSON格式處理類將轉化來的傳感器設備實例打包成JSON格式字符串。再通過MQTT客戶端將數據發布到MQTT服務器，從而推送到訂閱者的客戶端上，最終實現不同通信方式、不同協議、不同數據格式的轉換與傳輸。

5 ZIGBEE與MQTT協議轉換的實現（Implementation

of ZIGBEE and MQTT protocol conversion）

在.NET開發中，M2Mqtt.Net是一個支持MQTT v3.1協議版本的MQTT客戶端開源庫。在通信框架核心網關程序中，使用M2Mqtt.Net開源庫，并根據需求對源代碼進行修改，來實現MQTT客戶端上數據的發布與訂閱。對于此類庫的操作，如圖3所示。

通過對MqttClient實例化并操作，可以實現客戶端與MQTT代理服務器的連接、發布、訂閱主題消息。發布消息是推送感知層數據，訂閱消息則是接收應用層客戶端的控制指令。

C#中有相應的JSON打包與解析開源庫，如Newtonsoft.Json開源庫。使用Newtonsoft.Json可以對一個設備對象類直接打包成JSON格式的字符串，也可以將JSON格式的字符串中解析為一個設備對象類，簡化了開發過程、提高了開發效率。

這樣就基本實現了將感知層數據收集后轉換到JSON格式的MQTT協議中，進行推送，如圖4所示。

6 結論 （Conclusion）

物聯網網關的通信框架中協議的數據傳輸與不同的協議轉換是其關鍵所在。基于ZigBee/MQTT的物聯網網關協議框架能很好的解決了多協議、多消息格式的兼容與擴展的問題。通信方式不同，根據不同的通信類獲取數據后委托給邏輯處理層來處理，邏輯處理層把委托來的消息，通過不同的消息格式處理類來解析或打包消息，最終統一轉化為框架內標準的傳感器設備對象，用于后續的傳輸或界面顯示。

參考文獻（References）

[1] 張藝粟，等.物聯網ZigBee網關的設計與實現[J].計算機系統應用，2013，22（6）：34-38.

[2] 牛作領.物聯網ZigBee網關的設計與實現方法[J].電子技術與軟件工程，2016（24）：19-19.

[3] 岑榮瀅，等.面向智能家居應用的ZigBee-WiFi網關[J].計算機系統應用，2017，3：232-235.

[4] 程春潘，王可.基于Zigbee與TCP的物聯網網關設計[J].電子信息與計算機科學，2014，9：1.

[5] 杜崗，等.一種ZigBee-GPRS網關系統設計[J].自動化應用，2015，3：60-62.

[6] 林滸，張家銘，楊海波.基于MQTT協議的即時消息業務設計與實現[J].計算機系統應用，2017，3：219-224.

作者簡介：

譚方勇（1976-），男，碩士，副教授.研究領域：物聯網應用開發.

王 昂（1993-），男，大專，工程師.研究領域：物聯網網關技術傳感器.

劉子寧（1995-），男，大專生.研究領域：移動應用開發.