一種基于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的中繼型智能插座軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧維　蔣喆　劉洪林

摘 要：由于RF功率較小，發(fā)射距離較近，因此RF無線智能燃?xì)獗硇畔⒉杉枰袠I(yè)技術(shù)人員采用專用抄表或?qū)Ｓ迷O(shè)備進(jìn)行，為了適應(yīng)智慧廚房的需要，文中設(shè)計(jì)了一款集成了RF和WiFi網(wǎng)絡(luò)功能的智能插座。RF用于與RF智能燃?xì)獗磉M(jìn)行信息交換與控制，WiFi適用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制。為了解決智能插座與服務(wù)器端的通信問題，并減少帶寬的使用時間，文中特采用MQTT消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議。該協(xié)議是一個基于代理發(fā)布/訂閱消息的輕量級傳輸協(xié)議，同時也是為計(jì)算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通信而設(shè)計(jì)的協(xié)議。文中就智能插座的硬件設(shè)計(jì)思路及MQTT協(xié)議的應(yīng)用方法做了簡單介紹。

關(guān)鍵詞：MQTT協(xié)議；智能燃?xì)獗恚籖F；WiFi；智能插座

中圖分類號：TP39；TN6；TN8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-02

0 引 言

隨著智能家居概念的興起，市場上出現(xiàn)了越來越多的智能電器產(chǎn)品，從智能家電到智能插座，所有這些都使得現(xiàn)代生活耳目一新，并越來越方便人們的日常生活。

近年來，智能手機(jī)的普及也使智能家居的管理模式和手段越來越豐富，從固定集中控制延伸到了可移動式管理控制，通過將APP程序安裝到智能手機(jī)上，以3G，WiFi或LAN為通信手段實(shí)現(xiàn)對智能家居的遠(yuǎn)程管理和控制。但上述智能家居應(yīng)用模式主要以智能家庭的應(yīng)用為主，該模式采用WiFi或LAN的方式對市電供電的電器設(shè)備進(jìn)行控制，但一些行業(yè)卻無法直接采用上述控制方式，如燃?xì)庑袠I(yè)的設(shè)備以電池供電為主，采用RF遠(yuǎn)程控制，而RF頻段屬于ISM，在433～498MHz之間，使用時無需像IP化設(shè)備那樣需要一定的時間間隔刷新和維持通信鏈路暢通，而是通過睡眠喚醒的方法進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制，大大降低了設(shè)備的功耗，延長了燃?xì)獗黼姵毓╇姇r間，因此無線智能水表＼熱能表＼燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程控制多采用RF方式，但該方法只對行業(yè)的集中管理具有重要意義，業(yè)務(wù)人員可通過手持式抄表設(shè)備遠(yuǎn)程讀取相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)。在今天大力推廣智慧家庭、智慧小區(qū)、智慧城市的背景下，用戶對智能燃?xì)獗淼仍O(shè)備的管理控制也有強(qiáng)烈需求，將智能燃?xì)獗淼仍O(shè)備融入智能家居是目前的發(fā)展趨勢，但因?yàn)椴杉?jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，對互聯(lián)網(wǎng)鏈路的要求較高，因此設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳送采集信號的智能插座是本文的重點(diǎn)。

1 中繼型智能插座的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)原理

對目前市場上流行的智能插座進(jìn)行功能分析可以看出，其主要針對智能家庭的相關(guān)應(yīng)用，比如實(shí)現(xiàn)電器的遠(yuǎn)程開斷電功能，其最大的特點(diǎn)是可移動控制，即下載APP軟件到智能手機(jī)上，通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)對插座的遠(yuǎn)程監(jiān)控。而中繼型智能插座除了上述功能外，還需將管理平臺的信號通過智能插座轉(zhuǎn)發(fā)給采用RF頻段的智能燃?xì)獗恚詫?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及控制，同時該智能插座還能實(shí)現(xiàn)管理平臺的動態(tài)注冊，以便平臺了解插座的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。同樣，通過權(quán)限設(shè)定，用戶也可用手機(jī)APP訪問指定的智能插座。智能插座的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

由圖1可知，該插座采用了RF無線模塊+WiFi模塊的設(shè)計(jì)方式，通過單獨(dú)的MCU處理器進(jìn)行管理和控制。該方案最大的特點(diǎn)在于采用了成熟的器件及內(nèi)部串口通信方式，可靠性高，開發(fā)周期短，便于進(jìn)行新功能擴(kuò)展等，其控制原理如圖2所示。

插座控制原理較為簡單，主要采用成熟的模塊搭建而成，性能可靠，成本較低，對智慧家庭應(yīng)用而言是理想的輔助設(shè)備。針對家庭應(yīng)用，插座使用量較少，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和占用帶寬可忽略不計(jì)。但如果行業(yè)應(yīng)用規(guī)模較大，如燃?xì)庑袠I(yè)，用戶規(guī)模可能達(dá)到幾萬甚至幾十萬，如果每戶都采用智能插座進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及其他服務(wù)，那么會對后臺帶寬造成較大壓力，因此若按照傳統(tǒng)思路設(shè)計(jì)智能插座軟件部分，在大規(guī)模推廣應(yīng)用時，會在流量和帶寬的問題上對后臺造成影響，故需采用新模式設(shè)計(jì)插座的通信協(xié)議部分，由此引入MQTT協(xié)議對插座與后臺的通信模式進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2 MQTT協(xié)議的原理及應(yīng)用

2.1 關(guān)于MQTT

消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是IBM于1999年開發(fā)的一個即時通信協(xié)議，也是一個輕量級的，基于代理的發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議。所謂輕量級，是指該協(xié)議設(shè)計(jì)思想開放、簡單、輕量、易于實(shí)現(xiàn)，因此它也是為計(jì)算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通信而設(shè)計(jì)的協(xié)議。

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集需要通過不斷輪詢才能得到即時數(shù)據(jù)的缺陷，MQTT協(xié)議擁有信息推送功能，可有效地將物聯(lián)網(wǎng)中的大量傳感器與外部設(shè)備進(jìn)行連接， 并實(shí)現(xiàn)最小的網(wǎng)絡(luò)開銷。

目前MQTT v 2.1主要包含14類消息類型的指令，如下所示：

（1）CONNECT：將客戶端請求發(fā)送到服務(wù)器；

（2）CONNACK：連接確認(rèn)（服務(wù)器端→客戶端）；

（3）PUBLISH：發(fā)布消息（雙向）；

（4）PUBACK：發(fā)布確認(rèn)（雙向）；

（5）PUBREC：確保發(fā)布被收到（雙向）；

（6）PUBREL：確保發(fā)布分發(fā)（雙向）；

（7）PUBCOMP：確保發(fā)布完成（雙向）；

（8）SUBSCRIBE：客戶端訂閱請求；

（9）SUBACK：訂閱確認(rèn)（服務(wù)器端→客戶端）；

（10）UNSUBSCRIBE：客戶端退訂請求；

（11）UNSUBACK：服務(wù)器端退訂確認(rèn)；

（12）PINGREQ：PING請求（客戶端→服務(wù)器端）；

（13）PINGRESP：PING響應(yīng)（服務(wù)器端→客戶端）；

（14）DISCONNECT：斷開連接通知（客戶端→服務(wù)器端）。

上述14類消息體都采用了固定頭+可變頭+有效載荷組成方式，其中固定頭是所有消息類型必須包含的部分，其結(jié)構(gòu)見表1所列。

從表1可以看出，MQTT協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)格式由消息類型、重復(fù)標(biāo)識、質(zhì)量等級、保留標(biāo)識及剩余字長組成，MQTT協(xié)議具有如下特點(diǎn)：

（1）通信開銷小：最小消息為2 B，降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

（2）協(xié)議具有簡單和跨平臺的特點(diǎn)：MQTT采用訂閱/發(fā)布模式，提供一到多的分發(fā)方法，使應(yīng)用耦合度降低，并可在TCP/IP及其他無線協(xié)議中使用RF，ZigBee等。

（3）可訂制合適的服務(wù)質(zhì)量：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及服務(wù)要求可選擇三種不同的消息質(zhì)量等級。

由此可見，正因?yàn)镸QTT協(xié)議的開放性與消息短小性，使得它在.NET，WINRT，M2M，PHP等平臺上都有良好的表現(xiàn)。同時對于MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)多以庫函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)，包括C語言設(shè)計(jì)，J2ME，J2EE等，本節(jié)就智能插座如何實(shí)現(xiàn)消息的定閱和發(fā)送機(jī)制做簡單討論。

2.2 智能插座的軟件設(shè)計(jì)方案

中繼型智能插座可將WiFi模塊及RF模塊之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、轉(zhuǎn)發(fā)及控制。智能插座就是MQTT協(xié)議中所描述的終端設(shè)備，為了簡化智能插座軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)智能插座的特點(diǎn)，在中繼型插座的通信協(xié)議設(shè)計(jì)上只選擇了MQTT協(xié)議14種消息類型中的6種，分別為CONNECT，CONNACK，PUBLISH，PINGREQ，PINGRESP，DISCONNECT，這幾類消息主要用于插座與后臺的連接和信息發(fā)布。插座注冊及信息接收過程如圖3所示。

為適應(yīng)本應(yīng)用的特點(diǎn)，系統(tǒng)通信連接做了如下設(shè)置：

（1）為節(jié)省時間片及帶寬開銷，取消除了CONNACK確認(rèn)信息外其他指令的確認(rèn)信息，是一種無可靠質(zhì)量（QoS）連接的傳輸。

（2）隨機(jī)給智能插座每天分配多個斷開時間片Tu和連通時間片Tc，且在連通時間片Tc內(nèi)，如PUBLISH已完成則立即發(fā)送DISCONNECT，退出連通，即實(shí)際連通時間≤Tc，此舉不易造成通信堵塞。智能插座在進(jìn)入Tc時，發(fā)送CONNECT，如服務(wù)器端無CONNACK返回或返回拒絕信息，待這一Tc結(jié)束后，在下一Tc再進(jìn)行連接。

（3）在連通時間片Tc內(nèi)，智能插座每隔一定時間便發(fā)出一PINGREQ心跳信號給服務(wù)器端，待服務(wù)器端收到后返回一PINGRESP給智能插座。這一時間間隔在MQTT中稱為KEEP ALIVE，服務(wù)器端在收到DISCONNECT或在1.5倍KEEP ALIVE時間內(nèi)沒有收到智能插座發(fā)送的信息則認(rèn)為智能插座已斷開連接。

3 結(jié) 語

將現(xiàn)有RF及WiFi模塊集成到智能插座中，不僅實(shí)現(xiàn)了市場上流行的遠(yuǎn)程控制智能插座開斷電功能，還在軟件設(shè)計(jì)中采用了MQTT協(xié)議，減少了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸在帶寬及時間片上的需要。該方案已成功應(yīng)用在智慧廚房的整體解決方案中，滿足了燃?xì)庑袠I(yè)和家庭應(yīng)用的需求。

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