基于MQTT物聯網協議的室內小區自動化監測系統

沈剛華

（萊盟通信科技（上海）有限公司，上海 201101）

1 MQTT通信協議

為了保障室內用戶體驗良好，對于大型商超、大型場館、高層商住樓、地鐵站廳、交通樞紐等面積廣闊、人流集中的重點區域，電信運營商會定期組織網優測試，評估無線覆蓋質量，以便及時排除故障、改善業務指標。但是傳統測試方法必須采購專業儀表，由人工背負著步行掃樓，費時費力效率低，且無法獲取長時段的連續采樣。因此，全天候、自動化和低成本等已成為室內網絡優化的發展趨向。

本文采用物聯網、云服務以及Web訪問等新技術來實現這一需求，以大量部署的室內自動化端站及云計算平臺來取代傳統的人工路測模式。為降低端站硬件要求以及網絡傳輸開銷，端云之間通信采用了輕量化的MQTT物聯網協議。

消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是IBM開發的“輕量級”即時通信協議，基于TCP/IP協議棧構建和演進。MQTT協議是一種機器通信協議，專門為計算能力有限、網絡傳輸不理想的遠程傳感器、互聯網關設備等通信特點而設計，實用場景通常包括智能家居、智慧城市、遙感數據、車聯網、醫療醫護以及工業物聯等，如圖1所示。

圖1 MQTT協議的應用場景

目前MQTT已經發布Python、JAVA、PHP、C/C#、Go等多個語言版本，并成為物聯網（Internet of Things，IoT）最重要的通信協議之一。

MQTT協議最具特色的內容包括：

（1）MQTT處于ISO網絡模型的應用層，建立TCP連接進行數據推送，提供有序、無損、字節流的雙向傳輸。

（2）MQTT運行在應用端-服務器架構上的消息發布/訂閱傳輸協議，對比請求/回答的同步模式，發布/訂閱模式解耦了消息發送者與消息接收者之間的直接聯系，發布者和訂閱者無需同時在線，一個發布者可以對應多個訂閱者。

（3）MQTT代理服務器通過主題（Topic )來決定推送消息的方向，每個應用程序生成不同的消息主題，代理服務器將該應用程序消息發送給訂閱該主題的每個客戶端，一個訂閱者允許訂閱多個主題。

（4）MQTT提供 QOS0、QOS1以及 QOS2共 3種級別的服務質量，滿足不同實時性、不同應用場景的可靠傳輸。

（5）MQTT消息由固定頭部+可變頭部+消息體組成，采用小數據包傳輸，網絡開銷很少（固定頭部僅2字節）。

（6）MQTT使用遺囑（Last Will）機制來處理設備意外斷線等，在客戶端應用連接出現異常的情況下，由服務器主動向訂閱者發布客戶端應用預先定義好的主題和對應消息。

2 系統架構

本文設計了一種物聯網體系架構的室內小區自動化監測系統，如圖2所示。由自動化端站、云計算平臺、Web客戶端等組成，采用輕量化的MQTT通信協議，采用精簡化的監測數據集，支持全天候、無間斷地監測上報。

圖2 室內小區自動化監測系統框架

云計算平臺部署在運營商機房或公有云機房，匯集所有自動化端站的上報數據，以圖形化界面呈現各站點的網絡參數、故障告警等。云計算平臺對外提供北向網管端口、南向輕量化端口、Web端口等。

Web客戶端連接到云計算平臺，允許授權用戶通過瀏覽器執行查詢站點、處理告警、配置端站、綜合統計等各項操作。Web客戶端適配各種主流的Web browser，包括微軟IE、微軟EDGE、Google Chrome、Opera等。

自動化端站作為傳感設備部署在各種室內現場，具有唯一的設備ID和站點編號，自動化執行解碼、撥測、采樣、上報等任務。

3 云計算平臺設計

云計算平臺設計為金字塔式的系統架構，包括基礎設施層、數據層、應用層和門戶層等，上級層的運行依賴于下級層提供的應用功能模塊或虛擬化服務資源，如圖3所示。

圖3 云計算平臺設計架構

云計算平臺采用開放架構，在私有云環境（運營商內網機房）或公有云環境（例如阿里云、騰訊云等）均可部署。

4 自動化端站設計

自動化端站采用工業物聯網網關的模塊式設計，如圖4所示。

圖4 自動化端站模塊架構

主控組件選用意法半導體STM32L151CBT6A（低功耗ARM Cortex-M3 32位處理器）作為核心MCU，實現嵌入式、低功耗的系統管控。

無線組件選用LongSung M5700（LTE Cat.1/GSM/GPRS無線模組），實現無線網絡的小區接入、信道解碼、數據通信等。

5 通信協議設計

自動化端站部署在室內現場，MQTT服務器則與數據庫服務器、Web信服務器等部署在云計算機房，端云之間通信的基本內容包括：（1）監測數據的上報和接收；（2）配置指令的下發與接收；（3）端站異常、端站上線的通告與接收；（4）固件升級包的請求、下載與接收等。

5.1 端站上報

系統要求自動化端站能夠自動上報、發布消息，主要有無線網絡監測數據（無線主小區偵測、無線鄰小區偵測、業務撥測等）以及設備狀態通告（設備掉線、設備上線等）。云計算平臺關系數據庫作為主題訂閱者，接收以上消息并刷新數據表，如圖5所示。

圖5 端站上報

5.2 端站配置

系統允許手動修改單個端站或所有端站的配置，通過云計算平臺Web服務器發布消息，包括MQTT服務器IP地址、上報周期、PING業務參數等，端站作為主題訂閱者接收消息并執行，如圖6所示。

圖6 端站配置

5.3 端站固件升級

系統支持固件版本自動升級，要求Web服務器和端站交互頻繁，發布/訂閱角色也在不斷轉換，如圖7所示。

圖7 端站升級

端站接收到新版本發布的通告，如果檢測當前固件版本低就會申請升級，升級交互如下：①Web服務器下發First packet；②等待端站的Request bin；③Web 服務器下發Mid packet；④等待端站的Request bin直到最后一個數據包END packet下發，Web服務器再下發校驗值FW_cks。

端站組裝BIN文件并校驗正確后，啟動新固件，如果校驗錯誤則放棄本次升級，等待下一次升級通告。

6 應用案例

6.1 試點描述

上海聯通2020—2021年開展地下停車場FDD LTE室分工程建設，解決市區范圍內居民小區、商業設施合計2 000余個地下停車場覆蓋差、信號弱的現狀，保障地停區域內語音通話、停車繳費、充電支付、物業管理、公安監控等業務通暢。本次與上海聯通網優中心合作，在部分停車場安裝了自動化端站，云計算平臺臨時部署在阿里云環境。

6.2 端站規格

自動化端站符合工業DTU尺寸規格，采用DC12 V直流供電，設備接口包括SMA接口、USB接口、SIM卡槽、8路串口端子等，整機質量不到300 g，直接掛墻安裝，如圖8所示。

圖8 自動化端站安裝

6.3 操作界面

（1）地圖化窗口：主導航界面可以全局瀏覽每一個自動化端站，綠色圖標表示設備在線，紅色圖標表示設備故障，點擊圖標可查看該端站的狀態參數，如圖9所示。

圖9 地圖化管理界面

（2）設備管理窗口：可以查看所有自動化端站的狀態列表，方便地對某臺自動化端站作配置、編輯、刪除等操作。

（3）設備數據窗口：可以查看每臺自動化端站上報的監測數據、ping業務列表，進而評估室內小區的基本情況，并且允許設定限制性的篩選條件，包括設備名稱、設備類型、安裝區域、運行時段等，將監測數據以excel格式導出存檔，以方便進一步地專題分析。

6.4 試點評價

截至發稿試點已上線67臺端站，累計運行6個月，離線率平均在10%左右，經排查主要是供電原因（室內停電或適配器被拔出），通知物業恢復上電即可排除。自動化監測上報解放了網優資源投入，試點期間預計節省了60人/d以上的測試量，驗證了對室內低業務區域遠程監控、無人巡檢的方案可行性。

7 結 論

隨著移動互聯網的高速發展，包括上網瀏覽、即時通信、在線購物、高清視頻、AR/VR等移動新業務主要發生在室內場景，室內深度覆蓋（包括公共接入、行業互聯）已成為支撐運營商績效增長的重要手段，為保證室內用戶的滿意體驗，運營商需要對室內無線網絡性能作測試評估、優化排障。

相比傳統的室內人工路測模式，本文介紹的自動化監測系統采用端云一體、物聯網架構、MQTT消息協議等新技術，具有全天候監測、智能化升級、低成本部署等系統優勢，不需要投入人力或儀表，費用節省50%以上。

該自動化監測系統既可以部署在地下停車場、地下人防設施、地下隧道等低業務場景，滿足無人巡檢需求；也可以部署在大型商超、大型場館、高層寫字樓、交通樞紐等密集業務場景，提供網絡覆蓋預警功能，應用前景非常廣泛，必將成為電信運營商更為輕松、便捷的網優運維手段。