基于ESP8266WiFi模塊和MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點設(shè)計

丘源 經(jīng)本欽 李精華?

摘 要：設(shè)計了一種基于ESP8266 WiFi模塊和MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點，該節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上報和遠程控制功能。傳感節(jié)點通過輕量級物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議與數(shù)據(jù)采集中心通信，數(shù)據(jù)采集中心能夠自動識別和實時顯示傳感節(jié)點的采集數(shù)據(jù)。實驗證明，所設(shè)計的傳感器節(jié)點可靠、擴展性強、通用性好。

關(guān)鍵詞：ESP8266;MQTT協(xié)議;物聯(lián)網(wǎng);傳感器節(jié)點;遠程控制;實時顯示

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，物聯(lián)網(wǎng)已被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、交通與物流、能源與公用事業(yè)、零售業(yè)等領(lǐng)域[1]。據(jù)思科公司（Cisco）思科視覺化網(wǎng)絡(luò)指數(shù)顯示，到2022年全球有超過半數(shù)設(shè)備和連接將會是機器對機器（M2M）的互聯(lián)，比2017年增加34%。智能音箱、固定設(shè)備、移動設(shè)備及其他物件的連接數(shù)將從2017年的61億增至2022年的146億[2]。互聯(lián)設(shè)備的數(shù)量和類型越來越多，應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜，實現(xiàn)資源有限或帶寬有限環(huán)境下的傳感器聯(lián)網(wǎng)和保證傳感數(shù)據(jù)的可靠傳輸成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用應(yīng)重點考慮的問題之一。

物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點作為物聯(lián)網(wǎng)和物理世界交互的邊界節(jié)點，負責信息的采集和簡單處理，與將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層進行數(shù)據(jù)分析和處理[3]。傳感器節(jié)點的通信方式主要分為近距離通信和遠距離通信，傳感器節(jié)點之間一般采用短距離無線通信，如藍牙，ZigBee，WiFi等;傳感器與物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器或應(yīng)用服務(wù)器采用遠距離通信，如固網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G）、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)等。無線網(wǎng)絡(luò)連接類型（WiFi、移動網(wǎng)絡(luò)）是主流。現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用場合要求傳感器節(jié)點自帶接入網(wǎng)關(guān)，即支持物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。由于傳感器節(jié)點資源有限，受CPU處理能力、內(nèi)存等限制，通常在LwIP協(xié)議棧上采用輕量級物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議。目前，應(yīng)用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)標準傳輸協(xié)議包括MQTT、CoAP。MQTT是一種在TCP/IP協(xié)議上的基于訂閱/發(fā)布模式的輕量級傳輸協(xié)議，適用于引入第三方云平臺的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。CoAP即約束應(yīng)用協(xié)議，類似HTTP，是一種文檔傳輸協(xié)議，也是一種基于請求/響應(yīng)的客戶端/服務(wù)器端輕量級UDP傳輸協(xié)議，適合將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用嵌入到現(xiàn)有Web服務(wù)器中[4]。

本文基于ESP8266 WiFi模塊和MQTT協(xié)議設(shè)計了一種低成本物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點，以ESP8266嵌入式處理器為核心，采用AM2302傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，進行簡單處理后將傳感數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議發(fā)布到百度天工物聯(lián)網(wǎng)云平臺IoTHub。數(shù)據(jù)采集中心采用Visual C#實現(xiàn)，能自動識別傳感節(jié)點和訂購傳感器的數(shù)據(jù)，可保存、處理和顯示傳感節(jié)點的溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集中心可通過云平臺IoTHub下發(fā)命令，實現(xiàn)傳感器節(jié)點參數(shù)配置并讓傳感節(jié)點執(zhí)行指定操作（打開/關(guān)閉繼電器）。傳感器節(jié)點性能可靠，擴展性強，通用性好。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由傳感節(jié)點、數(shù)據(jù)采集中心和百度天工物聯(lián)網(wǎng)云平臺組成，如圖1所示。傳器節(jié)點由ESP8266和AM2302構(gòu)成，實現(xiàn)溫濕度的采集和上報;數(shù)據(jù)采集中心基于Visual C#開發(fā)，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的接收、存儲、分析和顯示;百度天工物聯(lián)網(wǎng)云平臺IoTHub作為MQTT消息代理，負責主題訂閱管理、消息轉(zhuǎn)發(fā)和緩沖，實現(xiàn)傳感節(jié)點與數(shù)據(jù)采集中心的信息交互。傳感節(jié)點與數(shù)據(jù)采集中心的交互數(shù)據(jù)類型為JSON格式。

2 傳感節(jié)點設(shè)計傳感節(jié)點負責采集感知對象相關(guān)信息，并通過相應(yīng)的通信模塊將數(shù)據(jù)通過MQTT消息代理推送到遠端數(shù)據(jù)采集中心。

2.1 硬件設(shè)計傳感節(jié)點以ESP8266EX WiFi模塊為核心，通過I/O外接傳感器AM2302及其他設(shè)備。傳感節(jié)點硬件框圖如圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計

傳感節(jié)點軟件基于NodeMCU固件開發(fā)。NodeMCU固件使用Lua腳本語言編程，在樂鑫ESP8266 Non-OS SDK上開發(fā)而來。NodeMCU固件封裝了ESP8266硬件操作的應(yīng)用編程接口函數(shù)API，同時還提供I2C，SPI，UART等外設(shè)總線驅(qū)動函數(shù)及OLED/TFT顯示驅(qū)動、各種類型傳感器驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議庫（TCP/UDP，HTTP，MQTT等），開發(fā)者無需了解底層硬件驅(qū)動即可快速開發(fā)應(yīng)用。傳感節(jié)點程序主要通過數(shù)據(jù)采集模塊、MQTT客戶端和網(wǎng)絡(luò)連接模塊實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集模塊負責定時讀取溫濕度數(shù)據(jù);MQTT客戶端負責維護與MQTT消息代理IoTHub的連接、發(fā)布傳感數(shù)據(jù)、接收并響應(yīng)數(shù)據(jù)采集中心的命令;網(wǎng)絡(luò)連接模塊負責WiFi連接。系統(tǒng)軟件主流程如圖3所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊創(chuàng)建了一個tmr定時器，周期調(diào)用dht庫的read（）函數(shù)讀取溫濕度數(shù)據(jù)，再使用string.format函數(shù)將溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JSON格式。讀取傳感器數(shù)據(jù)代碼：

2.2.2 MQTT客戶端

傳感節(jié)點和數(shù)據(jù)采集中心基于訂購/發(fā)布機制的MQTT協(xié)議通信進行信息交互。傳感節(jié)點和數(shù)據(jù)采集中心作為MQTT客戶端，百度IoTHub云平臺作為MQTT代理。消息的發(fā)布和訂購基于主題（topic）進行。MQTT代理負責管理訂閱關(guān)系或緩存消息（保留標志為真的消息），將消息轉(zhuǎn)發(fā)給已訂閱主題的MQTT客戶端。為了實現(xiàn)傳感節(jié)點與數(shù)據(jù)采集中心的數(shù)據(jù)交互，兩者發(fā)布與訂閱的主題見表1所列。

msghandler為訂購消息處理函數(shù)，用于解析和處理從數(shù)據(jù)采集中心收到的JSON格式數(shù)據(jù)。JSON數(shù)據(jù)采用鍵（key）值（value）對結(jié)構(gòu)，key可用來表示消息類型，value為消息內(nèi)容。JSON格式數(shù)據(jù)用sjson模塊的decode（）函數(shù)解析成table表格數(shù)據(jù)。傳感節(jié)點調(diào)用publish函數(shù)向某個主題發(fā)布消息，語法：mqtt：publish（topic，payload，qos，retain[，function（client）]）。topic是發(fā)布的主題;payload為將發(fā)布的消息;qos為QoS服務(wù)質(zhì)量;0表示只發(fā)送最多一次便可送達，1表示至少一次可送達，2表示一次便到達;Retain為保留標志，指示服務(wù)端是否需要存儲當前消息;function（client）為消息發(fā)布成功回調(diào)函數(shù)，在收到代理發(fā)布確認PUBACK消息后執(zhí)行函數(shù)。

3 數(shù)據(jù)采集中心設(shè)計數(shù)據(jù)采集中心負責傳感節(jié)點的管理及傳感數(shù)據(jù)的顯示，其中傳感節(jié)點管理包括節(jié)點自動識別、節(jié)點主題訂閱、節(jié)點控制等。數(shù)據(jù)采集中心與傳感節(jié)點通過MQTT協(xié)議的訂購/發(fā)布機制進行異步通信，兩者不必知道對方的IP地址，所有消息均通過MQTT消息代理轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)采集中心識別傳感節(jié)點流程如圖4所示。傳感節(jié)點上線時向主題$baidu/iot/general/data/id/status發(fā)布保留標志為真的消息“online”，離線時通過最后遺囑（Last Will）發(fā)布離線消息“offline”。數(shù)據(jù)采集中心連接到MQTT消息代理IoTHub，在訂閱主題$baidu/iot/general/data/+/status后，會收到所有傳感節(jié)點的狀態(tài)消息，從消息主題解析出節(jié)點ID（+通配符所對應(yīng)的字段），如果是新節(jié)點，則先添加節(jié)點再更新狀態(tài)，否則直接更新節(jié)點狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集中心訂購傳感節(jié)點主題$baidu/iot/general/data/id/data后，當傳感節(jié)點向此主題發(fā)布消息時，消息代理IoTHub將會把消息轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集中心。數(shù)據(jù)采集中心收到傳感節(jié)點數(shù)據(jù)后，解析JSON格式消息獲得消息的數(shù)據(jù)類型。如果是傳感數(shù)據(jù)，則存儲后顯示;如果是傳感節(jié)點配置信息，則存儲到節(jié)點信息。信息處理流程如圖5所示。

數(shù)據(jù)采集中心界面如圖6所示。界面上部分顯示節(jié)點列表及最新的節(jié)點傳感數(shù)據(jù)，下部分顯示節(jié)點數(shù)據(jù)曲線圖。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點，采用ESP8266WiFi模塊+傳感器采集數(shù)據(jù)與NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)平臺的MQTT模塊實現(xiàn)傳感節(jié)點與數(shù)據(jù)采集中心交互，數(shù)據(jù)采集中心采用Visual C# + MQTTnet庫實現(xiàn)傳感節(jié)點的自動識別與控制、傳感節(jié)點數(shù)據(jù)的存儲與顯示。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，擴展性強，搭配不同傳感器就能實現(xiàn)特定的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點。

參 考 文 獻

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