物聯網教學實踐研討一

王維濤 鄭芳

摘要：以局域網作為物聯網教學環境，集成物聯網絡消息處理服務、物聯網軟件開發環境、單板計算機及微處理器控制開發板物聯網開發硬件，完成物聯網消息協議、物聯網開發編程語言、傳感器數據采集等教學內容。

信息社會物聯網無處不在。其在現代農業工業、交通運輸、生物醫療、智慧城市等各領域應用廣泛。本文以物聯網體系工作框架，給出物聯網教學實踐的基本環境及方法。

目前物聯網的體系工作框架由底層至高層分為：設備層、網絡層、平臺層、應用層。設備層包括：傳感器、通信模組、感知類智能設備及執行裝置;網絡層包括：通信運營商的2G、3G、4G、5G網絡，局域網的WiFi、、ZigBee、LPWAN（LoRa、SigFox、NB-Iot）等;平臺層包括：接入管理、設備管理、消息處理、數據處理、機器學習等;應用層包括：各應用領域App及服務軟件。

物聯網教學實踐環境，以局域網為基礎，以教學內容為原則，簡化體系結構，實現物聯網教學實操環境。

在局域網中，我們可以合并應用層、平臺層，以微型計算機（PC）、單板計算機（SBC）構成，軟件選用開源軟件，主要服務軟件是Mosquitto，實現物聯網絡消息處理服務（MQTT），采用Node.js、Node-RED（JavaScript）、SQLite、Python（MicroPython）實現物聯網開發環境（SDK）。

MQTT消息隊列遙測傳輸是物聯網OASIS標準消息傳遞協議，是非常輕量級的發布/訂閱消息傳輸協議。MQTT協議工作在 TCP/IP協議族之上，非常適合低性能硬件及低帶寬網絡，連接控制遠程硬件系統。

Mosquitto是Eclipse基金會實現MQTT V5.0、V3.1.1、V3.1版本協議的服務器軟件，適合安裝在低功耗的單板計算機、微型計算機、服務器上使用。我們既可以把它安裝在流行的樹莓派（Raspberry Pi 3 B+）Raspberry Pi OS系統的SBC機上，也可以把它安裝在Windows 10系統的PC機上運行。MQTT服務器在局域網內，可使用用戶/密碼方式保證安全。

在局域網中，移動設備、嵌入式系統、各類傳感器開發板，以相應接入方式接入網絡，客戶端可采用命令方式、圖形界面、編程方式與服務端處理消息。

在設備層面，我們使用構建在Node.js之上，事件驅動、低代碼量編程的 Node-RED （https：//nodered.org/）和面向微處理器控制開發板的 MicroPython 語言進行編程開發;如需大量數據處理，選用SQLite數據庫。

Node-RED是基于流程的可視化編程工具，以瀏覽器作為編輯界面，使用系統提供的各類功能節點。在Node-RED節點編輯框中，可以設置參數和使用JavaScript語言及函數，完成消息處理及硬件系統控制。MicroPython是兼容Python 3的子集，優化設計，運行在微處理器、微控制器、嵌入式系統上，主要使用在連接傳感器及執行控制器的開發板系統中。單板計算機樹莓派的Raspberry Pi OS（https：//www.raspberrypi.org/software/）系統，集成Node-RED、Python、Thonny環境，給學習實踐帶來諸多便利。連接傳感器及執行控制器的開發板系統，我們使用ESP8266、ESP32（https：//www.espressif.com/）這類高性價比開發板，既可使用樹莓派（Thonny IDE-Raspberry Pi）的集成環境，也可以使用Windows10系統的Thonny IED版本或其它開發環境（ThonnyIDE-Linux、Thonny IDE-Mac OS X、Arduino IDE等）進行學習。

網絡消息處理協議MQTT的學習

網絡消息處理原理學習，是理解物聯網運行的基礎。MQTT技術文檔給出的協議通信規則及數據幀結構，學習者需要在實際網絡中加以理解。Windows10系統安裝設置好Mosquitto服務器后，局域網中的其它計算機或硬件設備作為客戶端，和服務器即可建立起消息通信機制。我們使用開源軟件Wireshark網絡協議分析器，抓取網絡通信數據包，進行直觀分析學習。圖一是局域網中抓取的數據幀截圖，圖中給出服務端192.168.0.114與客戶端192.168.0.110的消息通信過程。

物聯網編程過程學習

在局域網中，我們使用樹莓派（Raspberry Pi）、Windows 10 PC機、智能移動設備（手機）說明學習過程。圖二是消息發布/訂閱示意圖。

Mosquitto服務器在Windows10 PC（192.168.0.114）機上運行，在樹莓派（192.168.0.105）上運行Node-RED，使用局域網中的計算機瀏覽器訪問樹莓派192.168.0.105：1880端口（可設置用戶/密碼訪問權限），打開Node-RED編輯界面，通過編輯界面左側節點版面，拖拽所需若干功能節點到編輯界面中部編輯區，經設置參數及使用JavaScript語言、函數，連接各節點完成所需編程要求。圖三是模擬傳感器數據輸入，經Mosquitto服務器發布消息，通過Mosquitto服務器，設置樹莓派GPIO26（PIN37）腳位輸出值。可以在智能移動設備（手機）安裝設置MQTT Dash App（https：//play.google.com/store/apps/details？id=net.routix.mqttdash&hl=en_IN?=US），使用開源軟件實現消息的訂閱/發布及可視化顯示控制。

總之，物聯網實踐教學環境，是物聯網教學的必備的實操教學平臺，對于理解物聯網工作原理、物聯網消息發布訂閱，物聯網遠端數據采集及執行控制，十分必要。隨著物聯網技術的不斷發展，網絡的可視化及可視化控制，也必將大量應用到實際工作環境中。

作者簡介：

王維濤（1964.7），男，漢族，河北石家莊，高級工程師，研究方向：計算機通信及物聯網。