基于MQTT協議的遠程監管系統的設計

蘭元帥 李洋 舒靜 李春全 鄧欽洋

摘要：該系統采用LUA開發ESP8266，實現兩種功能：聯網與數據轉發功能;數據采集、控制功能，和傳統物聯網有很大區別。在實現遠程監管功能上，該系統采用了阿里云平臺作為數據的收發。ESP8266 將收集到的數據通過 MQTT協議發送至云端，然后通過阿里云轉發到手機App即可監測終端數據。為了實現遠程移動端的監控，還用Android開發了手機App客戶端，一旦網絡連接成功，即可隨時隨地實現遠程監管。

關鍵詞：ESP8266;數據采集;遠程監管;云平臺;App客戶端

中圖分類號：TN948.6? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）27-0101-02

物聯網（Internet of Thing）[1-2]技術是互聯網的重要部分，現代生活很多場景都運用物聯網技術。其應用已經延伸到生活的各個方面，在現代的物聯網控制應用當中，主要強調的是智能監管。本文采用全新MQTT通信物聯網技術實現智能控制和數據接收。

現如今遠程智能監管系統的實現方式通常較為復雜，其中，大部分的方案都是基于Zigbee自組網加處理器ARM [3]，這種方案實現成本高。針對這一問題，本系統采用了ESP8266模塊[4]和阿里云。該系統布局簡單，終端模塊和無線通信模塊被巧妙的融合，相對傳統的物聯網解決方案而言，省去了主控芯片，在阿里云平臺的MQTT服務器不需要專門的開發，只需要在云平臺上配置MQTT服務器，我們的WIFI模塊和手機與云端的MQTT通信，便可實現移動端監測管理[5]，節省了開發周期和成本。

1監管系統的總體方案設計

本研究設計的遠程智能監管系統包括電源模塊、數據采集端（火焰探測，溫濕度檢測和燃氣檢測），8266控制端、阿里云平臺和遠程控制端。

終端數據經由ESP8266WIFI模塊接收，然后將接收到的數據發送到MQTT中轉服務器，從而實現智能采集控制終端與云平臺建立穩定的TCP網絡連接[6]，將數據經過MQTT協議發送給云端的MQTT服務器，中轉服務器將對這些數據做相應的存儲或轉發。當收到遠程的控制信號時，將數據一樣經過MQTT協議傳輸給ESP8266模塊做出相應操作。

手機App同樣是以MQTT協議與云平臺進行數據交流，實現客戶端到服務端的通訊，兩者之間是雙工通訊，即手機App可以發控制信號給云平臺，物聯網云平臺將此數據轉發給終端，從而實現遠距離操控[7]。

因為ESP8266資源有限，本設計用兩塊ESP8266實現，ESP8266用于數據收集環境溫濕度、檢測燃氣濃度是不是超標、探測火焰環境、監控人體進入、遠程操作繼電器開關，此空氣濕度可監測的范圍在10%-95%，溫度范圍在5-45攝氏度。控制系統用手機實現實時在線。本研究的設計框架如圖1所示。

2系統硬件電路設計

本系統著眼于物聯網現代化，重點打造簡潔的智慧工廠監管系統，與物聯網技術建立緊密聯系，進而使物聯網遠程技術成為智慧工廠監管系統的最終形態。

針對基于云智慧監管系統的現實需求，本系統選用了一系列軟硬件無線產物，其中硬件物聯網設備主要分為三大類：一、可以使用無線傳輸協議的智能終端。二、傳感器種類多。三、采用繼電器控制的智能化控制設備。

2.1 ESP8266外圍電路設計

本設計的核心電路包括ESP8266最小系統電路、電源電路、繼電器控制電路，在這些基本電路的基礎上外加各種傳感器，實現對智慧工廠的各項數據的檢測和遠程控制功能[8]。

ESP8266最大的好處是既可以WIFI通信，又可以作主控MCU，在實際開發里的互聯網或者局域網部分中，均可作為通訊終端，已達到聯網特點。通過使用5V電壓對模塊供電，可以檢驗ESP8266芯片是否正常工作，檢查晶振是否起振，通過ESP8266模塊[9]與傳感器進行數據交流，然后將采集的數據發往云平臺。

2.2 繼電器控制電路

在萬物互聯時代智慧工廠系統中，設備實現自動化、智能化是至關重要的問題。本系統采用App下發的命令控制繼電器，由于繼電器采用電平原理設計，因此本系統可在+5V供電的情況下，完成對系統各類模塊的控制，此繼電器可以控制4種不同的負載裝備。

3軟件程序的設計

3.1無線通信軟件程序的設計

在智能監管中，數據采集和移動端遠程控制通信功能是必須實現的。此外在主程序設計時實現了重連機制，保證二者持續連接。本設計采用輕量級LUA開發，使用它的通信功能的同時，也使用內部剩余的MCU資源，利用率極高。本設計采用LUA編程，因此，需要刷入LUA固件，在其基礎上實現WIFI連接和控制功能[10]。

ESP8266主程序實現了物聯網智能監管的各項功能，具有簡單的程序結構。當給系統上電時，首先初始化輸入輸出端口、內外部時鐘等內部模塊。

當系統中一些必要的模塊完成初始化以后，ESP8266模塊需要與外網進行連接，在這之后需要連接云端服務器的IP地址和端口號。ESP8266無線WIFI終端模塊與物聯網設備云平臺進行雙向數據傳輸。本設計與云端的數據傳輸協議使用的是MQTT網絡通信協議，使用訂閱主題的方式采集數據，使用發布主題的方式云端發出控制命令。

3.2 Android應用程序開發

本設計的智慧工廠遠程監管系統是以Android為控制終端，用戶可以在Android設備上遠程無線監測和管理工廠流水線，并且Android App客戶端需要作為智慧工廠網關的控制器，共同組建物聯網網關[11-12]。當用戶有網時，能接收數據并且發送控制指令，用戶可以選擇智慧工廠的4個模塊，檢測和控制不同的場景。

根據系統設計的功能需求，驗證智慧工廠阿里云監管系統的具體功能的App實現過程[3]，由于四個控制子模塊實現的功能基本上相同，所以只針對一個控制子模塊的代碼實現做一定的闡述。