基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

王風碩，曾麗

（成都錦城學院計算機與軟件學院，四川成都 610000)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，萬物互聯(lián)在不斷改變著人們的生活，越來越多的感知設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，形成了龐大的物聯(lián)網(wǎng)[1]。基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)可以有效地替代傳統(tǒng)人工成本高、高風險、高危害并需要進行現(xiàn)場監(jiān)控和控制的場景。而如何管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、如何管理物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、如何快速提供穩(wěn)定的應(yīng)用服務(wù)是當前物聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用需要解決的核心問題，物聯(lián)網(wǎng)平臺就是為了滿足這些需求而產(chǎn)生的[2]。現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)平臺大多是針對特定場景進行開發(fā)，開發(fā)周期長，適配性和穩(wěn)定性等方面略顯不足。本文結(jié)合Web2.0 的最新發(fā)展技術(shù),研究并設(shè)計實現(xiàn)了基于MQTT 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)平臺,和傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺相比具有如下特點。

1)平臺采用前后端分離的分布式架構(gòu)，便于平臺服務(wù)器資源水平擴展。

2)平臺采用基于拓撲結(jié)構(gòu)的組態(tài)化設(shè)計，方便根據(jù)場景快速設(shè)計并實現(xiàn)一套物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用或服務(wù)。

3)兼容主流無線通信技術(shù)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸格式，基于MQTT協(xié)議實現(xiàn)平臺和多端進行通信[3]。

4)構(gòu)建統(tǒng)一的接口管理平臺，基于RESTful 標準對外提供接口認證及接口調(diào)用服務(wù)，方便三方應(yīng)用系統(tǒng)的接入。

1 MQTT協(xié)議

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 是一種基于發(fā)布-訂閱模式的“輕量級”消息協(xié)議,它由IBM公司在1999年開發(fā)并發(fā)布，并廣泛用在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場景，進行低開銷、窄帶寬、低延時的消息通信[4]。其基本設(shè)計理念是開放性、簡單性、輕量性和易于性。主要用于連接大量的遠端傳感器和執(zhí)行設(shè)備，保證在低帶寬和不可靠的通信環(huán)境下，應(yīng)用程序端可采用MQTT 協(xié)議，在占用較少硬件資源的設(shè)備上保持穩(wěn)定的消息通信。

1.1 MQTT協(xié)議的原理

客戶端連接到代理服務(wù)器：MQTT 協(xié)議是使用代理服務(wù)器方式來處理通信消息的發(fā)布和訂閱。MQTT客戶端需要連接到MQTT 代理服務(wù)器之后才能進行消息通信。

發(fā)布消息：當一個MQTT 客戶端需要發(fā)布一個消息時，它僅需將消息發(fā)送給MQTT 代理服務(wù)器的主題。代理再將消息發(fā)送給所有已訂閱該主題的客戶端。在這個過消息通信程中，MQTT協(xié)議使用發(fā)布-訂閱模型，即一個消息被發(fā)布到一個或多個主題之上，而訂閱該主題的客戶端都可以接收到該消息。

訂閱主題：當一個客戶端已連接到MQTT 代理服務(wù)器，并訂閱了對應(yīng)指定的主題。當該客戶端收到來自代理服務(wù)器的新消息時，它將接收代理發(fā)送的新消息，即已訂閱的主題消息。

斷開連接：當客戶端已不再需要與MQTT 代理服務(wù)器進行通信時，它可以主動斷開與MQTT 代理服務(wù)器的連接。斷開連接后，客戶端無法再向MQTT 代理服務(wù)器發(fā)送消息，但仍然可以從MQTT 代理服務(wù)器接收消息。

1.2 MQTT協(xié)議的特點

輕量級：MQTT 協(xié)議包含協(xié)議頭信息和消息體信息，協(xié)議頭信息共包含協(xié)議的版本號和消息類型，消息體可以為空，也可包含一個消息主題及消息內(nèi)容[5]。MQTT協(xié)議本身比較簡單、輕量級，比較適合資源有限的設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器、移動設(shè)備等。

易用性：MQTT 協(xié)議采用客戶端/服務(wù)器模式，通信過程是基于完全松耦合的通信方式，所以客戶端在發(fā)布和訂閱主題時，就不需要知道消息主題的發(fā)布方或訂閱方的詳細信息。這就使MQTT 協(xié)議非常適合用在主流的分布式系統(tǒng)中。

擴展性：MQTT 協(xié)議還支持多種擴展，如SSL/TLS協(xié)議擴展、QoS 多等級服務(wù)質(zhì)量、盲訂閱等，這些擴展保證了MQTT協(xié)議可以適配更多的應(yīng)用場景。

可靠性高：MQTT協(xié)議還支持QoS等級為1和2的服務(wù)質(zhì)量，QoS 等級為2 的MQTT 消息在傳輸中會得到更高的可靠性保證，在保證傳輸速度的基礎(chǔ)之上也保證了消息的可靠性。

使用場景：得益于MQTT 協(xié)議的輕量級及較小的協(xié)議頭，它非常適合低功耗和傳統(tǒng)電池供電的設(shè)備使用。這類設(shè)備通常不需要實時通信，就可以將節(jié)省下更多的資源用于數(shù)據(jù)處理等重要環(huán)節(jié)，當然也可以根據(jù)具體場景選擇QoS[6]。

1.3 MQTT協(xié)議的服務(wù)質(zhì)量

MQTT協(xié)議提供了三個Level的服務(wù)質(zhì)量(QoS)：

QoS 0（等級0):發(fā)布的消息最多一次交付，無需進行發(fā)布確認，不保證成功。

QoS 1（等級1):發(fā)布的消息至少一次交付，并且需要發(fā)布確認，可能會多傳。

QoS 2（等級2):發(fā)布的消息只有一次交付，并且需要發(fā)布確認,保證只傳送一次，需要多次握手保證只傳送一次消息，開銷較大。

2 平臺總體架構(gòu)

2.1 體系架構(gòu)

本平臺采用MQTT 作為物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議標準，采用了分層的體系架構(gòu)，從上到下分為應(yīng)用層、管理層、集成層、網(wǎng)關(guān)層，感知層，體系架構(gòu)如圖1所示。應(yīng)用層主要用來對接入平臺的應(yīng)用、項目的設(shè)備進行數(shù)據(jù)展示和交互，結(jié)合管理層對設(shè)備進行管理。集成層主要集成管理層、網(wǎng)關(guān)層以及三方的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的解析，并結(jié)合定制的業(yè)務(wù)場景對外提供標準的RESTful接口。網(wǎng)關(guān)層負責整合感知層的感知器和執(zhí)行器，對常見的無線通信技術(shù)提供支持。另平臺涉及的應(yīng)用服務(wù)器和中間件都部署在云服務(wù)商的ECS 之上,方便應(yīng)對后期業(yè)務(wù)的水平擴展。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)

2.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

整個物聯(lián)網(wǎng)平臺主要分為管理平臺和智能網(wǎng)關(guān)兩個接入端，涉及以下的業(yè)務(wù)模塊,如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)平臺業(yè)務(wù)模塊

場景管理模塊：主要用來創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)場景，涉及場景名稱、描述、圖標、背景圖片等。

設(shè)備注冊模塊：該模塊主要用來注冊物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在該模塊維護設(shè)備的基本信息，并生成設(shè)備全球唯一的UUID 信息，該UUID 會貫穿設(shè)備整個生命周期，從通信模塊一直到數(shù)據(jù)的可視化及控制指令的下達。UUID 一共八位16 進制組成，UUID 組成規(guī)則如下：大類、設(shè)備類型編號、組織ID、序列號。如一個光敏傳感器的UUID為04010301。

系統(tǒng)管理模塊：該模塊主要用來管理系統(tǒng)菜單、角色、用戶、權(quán)限、網(wǎng)關(guān)端口、資源路徑、熱更新地址等。

項目管理模塊：該模塊主要用來管理物聯(lián)網(wǎng)項目，通過該模塊可以靈活根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)場景創(chuàng)建項目，并進行設(shè)備管理，組態(tài)化設(shè)計等，并通過狀態(tài)管理實現(xiàn)對該項目的全流程跟蹤。

接口管理模塊：該模塊主要用來管理系統(tǒng)對外的所有API,需要進行注冊及授權(quán)才能使用API，以便第三方應(yīng)用和服務(wù)的安全接入。

數(shù)據(jù)解析模塊：該模塊主要負責解析組態(tài)設(shè)計的規(guī)則數(shù)據(jù)和設(shè)備通過通信模塊傳送的傳感數(shù)據(jù)，解析之后，緩存到智能網(wǎng)關(guān)的存儲系統(tǒng)。

通信模塊：該模塊主要用來監(jiān)聽硬件網(wǎng)關(guān)的TCP連接，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送到數(shù)據(jù)解析模塊，并把控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給硬件網(wǎng)關(guān)。

聯(lián)機調(diào)試模塊：該模塊主要用來進行軟硬件的聯(lián)機調(diào)試,當設(shè)備連接并上電后，通過點擊調(diào)試按鈕向硬件網(wǎng)關(guān)發(fā)送調(diào)試指令，通信模塊接收到聯(lián)通指令代表該設(shè)備聯(lián)調(diào)通過。

數(shù)據(jù)同步模塊：該模塊主要用來實現(xiàn)從云端下載項目數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)。并把解析后的傳感數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳到云端。

2.3 業(yè)務(wù)流程

平臺的業(yè)務(wù)流程如圖3所示，平臺分為兩個角色，管理員和業(yè)務(wù)用戶。管理員登錄系統(tǒng)后進行系統(tǒng)參數(shù)的維護、場景基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護，并進行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的注冊、設(shè)備參數(shù)的維護。業(yè)務(wù)人員登錄賬戶后進行物聯(lián)網(wǎng)項目的創(chuàng)建，通過組態(tài)設(shè)計器進行設(shè)備的添加、關(guān)聯(lián)關(guān)系創(chuàng)建、參數(shù)配置，設(shè)計完成后進行設(shè)備上電聯(lián)機調(diào)試，所有設(shè)備完成調(diào)試后項目進入完成狀態(tài)，完成之后可以在管理平臺和智能網(wǎng)關(guān)端進行可視化及交互控制。

圖3 平臺業(yè)務(wù)流程

3 擴展性

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺業(yè)務(wù)特點，可擴展性是一個至關(guān)重要的設(shè)計考慮因素。因為隨著物聯(lián)網(wǎng)項目的增加，涉及的物聯(lián)網(wǎng)場景和行業(yè)需要進行擴充，設(shè)備接入和傳感數(shù)據(jù)也會出現(xiàn)激增，因此本平臺需要進行擴展性設(shè)計，以便能夠進行業(yè)務(wù)功能和容量的水平擴展。

3.1 模塊化設(shè)計

本平臺劃分為多個解耦的模塊，每個模塊負責特定的業(yè)務(wù)功能，未來需要進行擴展功能時，僅需要增加新的模塊或微調(diào)現(xiàn)有模塊，而不會影響整個平臺的穩(wěn)定性。并通過分布式架構(gòu),可以將不同獨立功能模塊分布到不同的節(jié)點上，從而實現(xiàn)更好的擴展性和容錯性。

3.2 彈性計算和自動伸縮

針對一些計算密集型的功能，如果拓撲數(shù)據(jù)和協(xié)議數(shù)據(jù)，采用云計算提供的彈性計算和自動伸縮功能，在業(yè)務(wù)高峰時段，平臺根據(jù)實際負載動態(tài)調(diào)整資源分配，確保對外能夠提供穩(wěn)定的性能。

3.3 緩存技術(shù)

在本平臺中，針對首頁項目、設(shè)備的可視化頁面，需要頻繁的訪問，通過使用Redis 緩存和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)，以減輕實時計算對后端服務(wù)器的壓力，以提高首頁的響應(yīng)速度。

3.4 API管理平臺

平臺設(shè)計并實現(xiàn)了一個穩(wěn)定易用的API 管理系統(tǒng)，方便第三方開發(fā)人員和生態(tài)合作伙伴可以快速構(gòu)建基于本平臺的應(yīng)用和服務(wù)。第三方應(yīng)用集成API需要進行注冊及授權(quán)才能使用。

4 組態(tài)化設(shè)計

為了方便快速構(gòu)建基于平臺的三方應(yīng)用或服務(wù)，用戶可以基于平臺的組態(tài)化設(shè)計器在線設(shè)計自己的應(yīng)用，并同步配置網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備參數(shù)，當所有設(shè)備通過聯(lián)機調(diào)試后，在智能網(wǎng)關(guān)的支持下，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化和控制設(shè)備的交互，如圖4所示。

圖4 組態(tài)化設(shè)計器案例

5 平臺安全機制

本平臺采用了基于SSL協(xié)議的加密傳輸方式，保障平臺的數(shù)據(jù)傳輸和存儲安全，另外平臺增加了身份認證和訪問控制策略，確保只有經(jīng)過身份認證的設(shè)備、用戶或應(yīng)用程序能夠訪問平臺，通過授權(quán)機制限制其操作權(quán)限，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和操作，三方應(yīng)用通過注冊的AppID 和AppSecre 才可訪問指定的API。自動定期備份平臺的數(shù)據(jù)和配置信息，以防止數(shù)據(jù)丟失，同時建立快速的恢復機制以應(yīng)對安全事件。

6 系統(tǒng)測試

通過平臺創(chuàng)建一個基于智慧農(nóng)業(yè)場景的項目，通過設(shè)計器選擇了光敏傳感器、光照傳感器和輸出多路控制器，設(shè)計完成后提交系統(tǒng)進行規(guī)則解析。設(shè)備上電后，通過智能網(wǎng)關(guān)進行聯(lián)機調(diào)試，所有設(shè)備調(diào)試通過后，打開項目可以實時看到該項目的可視化信息，通過控制按鈕可以進行多路控制操作,如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試場景

7 結(jié)束語

本文基于MQTT 協(xié)議，構(gòu)建了一個通用穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)平臺。本平臺集成了ZigBee、NB-IOT、LoRa、藍牙通信模塊，支持常見的無線通信技術(shù)。滿足了智慧工業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智慧家居、智慧醫(yī)療等場景對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。平臺采用了支持高并發(fā)的可擴展Web 架構(gòu)，保證了后期隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，集成設(shè)備的快速增加。平臺還使用了大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、多端編程技術(shù)、Docker 技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、緩存技術(shù)、安全加密等技術(shù)，為通用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供了安全可靠的通信及交互能力,支撐感知數(shù)據(jù)本地采集和集中上云。并對外提供授權(quán)認證的接口管理平臺，以便平臺應(yīng)用App 及三方接入App 可以進行數(shù)據(jù)可視化及控制指令的下發(fā)。未來，平臺還要結(jié)合云計算、人工智能等技術(shù)對外提供更強大能力，實現(xiàn)邊緣計算、智能語音、智能規(guī)則、智能數(shù)據(jù)分析等，以支持更多業(yè)務(wù)場景和行業(yè)應(yīng)用，并為用戶提供更便捷更智能的物聯(lián)網(wǎng)接入能力。