基于ZigBee與MQTT的控制系統(tǒng)*

鄭璐豪，鄧世杰，陽 韜

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

在智能聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代里，物聯(lián)網(wǎng)正處于高速發(fā)展中，隨著需求的不斷增多，越來越多可節(jié)省人力的組件應(yīng)該被實(shí)現(xiàn)。而在諸多的用電器密集區(qū)域如商場(chǎng)、工廠、高校教學(xué)樓以及宿舍單位中，其用電設(shè)備都會(huì)有管理困難、用電數(shù)據(jù)模糊，甚至是一些有著高危險(xiǎn)系數(shù)用電器的工廠。而這些場(chǎng)景都可以依靠該項(xiàng)目中的系統(tǒng)搭建出一套體系，該系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)可視化，遠(yuǎn)程集中管理，智能開關(guān)用電設(shè)備。在降低人力成本的同時(shí)還能降低資源的消耗，同時(shí)對(duì)與較為危險(xiǎn)的工廠可很大幅度地降低其危險(xiǎn)系數(shù)。

因此，本文設(shè)計(jì)一種基于ZigBee與MQTT的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上述功能。整套系統(tǒng)為了兼容多棟、多層、多間的場(chǎng)景以及便于管理，采用分布式設(shè)計(jì)，通過上層控制機(jī)對(duì)多個(gè)下層控制機(jī)管理來實(shí)現(xiàn)，并且所用的軟件其搭建的框架也能夠多系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)微機(jī)的要求降低并且兼容性也更高。為了順應(yīng)移動(dòng)智能設(shè)備的發(fā)展，該套系統(tǒng)使用uni－app開發(fā)出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)頁版、小程序等等多種版本，讓教室的管理人員和預(yù)約人員都能用手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備做到遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控或遠(yuǎn)程申請(qǐng)。直接點(diǎn)觸控制的方式能讓使用者更加便捷地使用該系統(tǒng)，同時(shí)也符合現(xiàn)代科技發(fā)展的趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體由用于存放前后端以及數(shù)據(jù)庫的云服務(wù)器、運(yùn)行在Linux微機(jī)或樹莓派上的MQTT服務(wù)器，以及和用電器互通的硬件集群3大模塊組成，如圖1所示。

圖1 總體布局

為了滿足外網(wǎng)可訪的需求，故采用了云服務(wù)。其中云服務(wù)主要構(gòu)成為前后端、數(shù)據(jù)庫。而采用云服務(wù)器最大的優(yōu)點(diǎn)是可以獲取一個(gè)公網(wǎng)IP搭配域名解析直接訪問網(wǎng)站。用戶通過訪問該服務(wù)器下的相關(guān)功能界面進(jìn)行頁面的請(qǐng)求發(fā)送，并獲取服務(wù)器返回的相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)將數(shù)據(jù)庫放置云服務(wù)器便于后端的訪問，且提高了數(shù)據(jù)的安全性。

為了降低成本，MQTT服務(wù)器則是搭建在一臺(tái)處于局域網(wǎng)內(nèi)的Linux微機(jī)或樹莓派上。此服務(wù)器中有著能通過MQTT接收發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)的Qt程序，同時(shí)服務(wù)器通過直接獲取云端數(shù)據(jù)庫的信息，通過實(shí)時(shí)監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫將改變后的數(shù)據(jù)發(fā)送給硬件集群，實(shí)現(xiàn)指令發(fā)送。并且在硬件部分有相關(guān)任務(wù)被執(zhí)行后也會(huì)將數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)庫作更新操作。

在硬件方面，主要采用可聯(lián)網(wǎng)STM32控制板和ZigBee無線傳輸模塊以及繼電器組成一整個(gè)控制體系。在無線傳輸模塊收到無線信號(hào)將數(shù)據(jù)傳至控制板處理，并將處理結(jié)果以高低電平的方式作用于繼電器上使繼電器開閉，達(dá)到用電器開關(guān)。

整套系統(tǒng)數(shù)據(jù)走向清晰，層級(jí)分明，通過將物聯(lián)網(wǎng)與小程序相結(jié)合，在便于客戶使用的同時(shí)也符合科技發(fā)展趨勢(shì)。

2 前端界面

該項(xiàng)目在前端上有H5端以及該H5端對(duì)應(yīng)的一個(gè)后臺(tái)管理系統(tǒng)（PC端），在H5端上采用了uni－app框架進(jìn)行開發(fā)［1］，因?yàn)榭紤]到后續(xù)可能還有小程序端、APP端，所以就采用了uni－app這個(gè)跨平臺(tái)框架，該框架是一個(gè)使用Vue.js開發(fā)所有前端應(yīng)用的框架，開發(fā)者編寫一套代碼，可發(fā)布到iOS、Android、H5，以及各種小程序等多個(gè)平臺(tái)。

后臺(tái)管理系統(tǒng)使用了Vue.js框架配合Element－ui組件庫進(jìn)行開發(fā)。H5端以及后臺(tái)管理系統(tǒng)都使用axios作為網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求庫，并且在開發(fā)上遵循組件化和模塊化的開發(fā)思想，組件化能提高前端代碼的復(fù)用性及閱讀性。模塊化是指根據(jù)業(yè)務(wù)的需求將代碼進(jìn)行隔離成獨(dú)立的模塊，這樣能讓后續(xù)的項(xiàng)目更好地進(jìn)行維護(hù)，也滿足高內(nèi)聚、低耦合的軟件開發(fā)思想。

3 服務(wù)器部分

3.1 前后端服務(wù)器

該項(xiàng)目在服務(wù)端使用node.js的egg.js框架進(jìn)行開發(fā)，egg.js是一個(gè)由阿里巴巴開發(fā)的基于Koa現(xiàn)有約束和規(guī)范的“企業(yè)級(jí)web開發(fā)框架”，該框架現(xiàn)在也廣泛使用在阿里內(nèi)部的項(xiàng)目里。這個(gè)框架也做了很多安全的防范，比如幫助防止csrf攻擊。更重要的是egg.js按照一套統(tǒng)一的約定進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，有了制定好的約定，不需要團(tuán)隊(duì)去協(xié)商制定規(guī)范進(jìn)行開發(fā)，這樣可以減少開發(fā)人員的學(xué)習(xí)成本，防止因?yàn)橐?guī)范協(xié)商問題造成溝通成本的提高。

在操作數(shù)據(jù)庫上，不再使用傳統(tǒng)的sql語句進(jìn)行操作，而是使用Sequelize，它是一個(gè)基于promise的Node.js ORM。sequelize本質(zhì)上是對(duì)sql語句上進(jìn)行了封裝［2］，而使用sequelize能幫助通過代碼進(jìn)行建表，以及模型關(guān)聯(lián)，聯(lián)表查詢，從而提高開發(fā)效率，如圖2所示。

圖2 前后端服務(wù)器

由于該項(xiàng)目為前后端分離結(jié)構(gòu)，所以前后端的代碼分別部署在兩個(gè)服務(wù)器上。服務(wù)器采用了阿里云的ecs云服務(wù)器。但是在前后端分離的項(xiàng)目里，前端向后端發(fā)起請(qǐng)求的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生跨域，而跨域是出于瀏覽器的同源策略的限制，同源策略會(huì)阻止一個(gè)域的javascript腳本和另外一個(gè)域的內(nèi)容進(jìn)行交互，“協(xié)議／一級(jí)域名／二級(jí)域名／端口號(hào)”有一個(gè)不同就是跨域。而解決辦法可以通過后端服務(wù)器去設(shè)置允許前端跨域的地址，或者在前端通過方向代理的方式去解決，而使用方向代理用戶不知道自己真正訪問的是誰，只知道自己訪問了一臺(tái)服務(wù)器，然后通過這臺(tái)服務(wù)器去分發(fā)到其他服務(wù)器，而請(qǐng)求都是這臺(tái)服務(wù)器分發(fā)的，所以也就解決了跨域的問題。

3.2 MQTT服務(wù)器

MQTT服務(wù)器在該項(xiàng)目中充當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)橋梁以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的角色。在該服務(wù)器中除了要運(yùn)行MQTT的服務(wù)組件外，還要運(yùn)行由Qt框架［3］所搭建的MQTT數(shù)據(jù)橋梁接通程序。該程序也是所有MQTT服務(wù)器中客戶端的一員，充當(dāng)數(shù)據(jù)的“接收發(fā)員”。該程序采用開源的emqx／qmqtt的開源模塊［4］交叉編譯構(gòu)成MQTT的客戶端模塊組件進(jìn)行編寫，并采用MySql的Qt官方驅(qū)動(dòng)于數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)接。程序直接連接云服務(wù)上的數(shù)據(jù)庫，由于Qt與MySql的庫文件中沒有數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)監(jiān)聽的模塊［5］，固采用“偽監(jiān)聽”的方式實(shí)時(shí)關(guān)注數(shù)據(jù)庫的改動(dòng)，通過定時(shí)器設(shè)定每秒查詢一次當(dāng)前狀態(tài)表中的關(guān)鍵字段，與舊狀態(tài)表中的記錄作比較，若比較結(jié)果不同，則在對(duì)應(yīng)主題下發(fā)送對(duì)應(yīng)的變動(dòng)指令，同時(shí)修改舊狀態(tài)表。硬件部分在執(zhí)行完相關(guān)指令后會(huì)反饋相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在被Qt程序截獲后會(huì)被轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的操作記錄寫入日志中保存。

若硬件端所連的用電設(shè)備被人為手動(dòng)開關(guān)，則根據(jù)硬件的設(shè)計(jì)，在人為開關(guān)后都會(huì)返回一個(gè)反饋信息，當(dāng)程序的一個(gè)特定訂閱反饋信息的客戶端收到該反饋信息后會(huì)根據(jù)回傳數(shù)據(jù)生成對(duì)應(yīng)的修改數(shù)據(jù)庫命令直接更新數(shù)據(jù)庫的對(duì)應(yīng)字段。

同時(shí)程序也有對(duì)應(yīng)的定時(shí)功能，用戶可以自主設(shè)定時(shí)間，在固定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)發(fā)送關(guān)閉或開啟命令，可執(zhí)行全部關(guān)閉或按類別關(guān)閉，并且程序會(huì)自主維持一個(gè)長(zhǎng)運(yùn)行操作，會(huì)在每日12點(diǎn)整的時(shí)候作重啟動(dòng)作，將所有客戶端重置后重新連接，達(dá)到message編號(hào)歸零的操作，如圖3所示。

圖3 MQTT服務(wù)器

在這里展示項(xiàng)目中的教室控制案例中的數(shù)據(jù)格式。在數(shù)據(jù)格式上采用JSON數(shù)據(jù)格式，通過協(xié)商好的鍵值對(duì)，如表1所示。

表1 系統(tǒng)控制指令格式

4 硬件部分

4.1 電路結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件部分是通過STM32單片機(jī)接收MQTT的消息，然后使能繼電器，進(jìn)而控制電器開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。

繼電器的工作原理是將一個(gè)簡(jiǎn)單回路的一根導(dǎo)線一分為二，導(dǎo)線一端連接繼電器公共端，另一端連接在繼電器常開端。當(dāng)繼電器接收到使能信號(hào)，繼電器的公共端和常開端連接在一起，將電路恢復(fù)到正常狀態(tài)。

傳統(tǒng)電器開關(guān)大多是用單刀單擲開關(guān)，配合繼電器的使用會(huì)出現(xiàn)一種狀況：用戶需要手動(dòng)控制開關(guān)，但是MQTT服務(wù)器沒有發(fā)送消息，繼電器沒有被使能，導(dǎo)致用戶無法正常使用電器。針對(duì)這種情況，本系統(tǒng)對(duì)電器開關(guān)進(jìn)行一些改進(jìn)。

本系統(tǒng)使用單刀雙擲開關(guān)作為繼電器和電器開關(guān)［6］，單片機(jī)引出兩條導(dǎo)線，一條導(dǎo)線連接到繼電器，為繼電器提供使能信號(hào)；另一條導(dǎo)線連接在電路，作為電流檢測(cè)，如圖4所示。當(dāng)電路是通路或者斷路時(shí)，單片機(jī)會(huì)識(shí)別出當(dāng)前電路狀態(tài)，然后反饋到MQTT服務(wù)器。用戶手動(dòng)控制開關(guān)不受影響，同時(shí)服務(wù)器也能知道當(dāng)前電器狀態(tài)。

圖4 開關(guān)改進(jìn)

4.2 STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)是硬件結(jié)構(gòu)的核心部分，搭載LAN8720A以太網(wǎng)卡配置物理層，使用Lwip輕量IP協(xié)議配置數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層。當(dāng)STM32單片機(jī)連接上以太網(wǎng)之后，配置相關(guān)信息進(jìn)而連接上MQTT服務(wù)器，單片機(jī)和服務(wù)器可以相互收發(fā)消息。

STM32單片機(jī)和MQTT服務(wù)器通信時(shí)使用JSON數(shù)據(jù)格式，單片機(jī)調(diào)用cJSON庫可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和打包［7］。

4.3 ZigBee

在一個(gè)場(chǎng)景中并不需要所有電器設(shè)備都要入網(wǎng)，只需要至少一個(gè)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接收MQTT服務(wù)器的消息，然后使用ZigBee自組網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去［8］，也能達(dá)到控制的目的。ZigBee無線傳輸技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中也是經(jīng)常使用到的技術(shù)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)踐操作，利用高校中的教學(xué)樓作為實(shí)踐對(duì)象，順利通過測(cè)試。經(jīng)過測(cè)試，與傳統(tǒng)的教室控制系統(tǒng)相比，在使用服務(wù)器以及路由器的搭橋之下實(shí)現(xiàn)了根據(jù)課表時(shí)間自動(dòng)控制用電設(shè)備的開關(guān)，通過指令的方式控制教室中的用電器開關(guān)并返回相關(guān)用電設(shè)備的用電情況，比傳統(tǒng)的系統(tǒng)更加智能，也大大降低了教室用電成本以及人力維護(hù)成本。該系統(tǒng)也可用于其他場(chǎng)景，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。