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)

（2）CONNACK ：連接確認(rèn)（服務(wù)器端→客戶(hù)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(hù)端訂閱請(qǐng)求 ；

（9）SUBACK ：訂閱確認(rèn)（服務(wù)器端→客戶(hù)端）；

（10）UNSUBSCRIBE ：客戶(hù)端退訂請(qǐng)求 ；

（11）UNSUBACK ：服務(wù)器端退訂確認(rèn) ；

（12）PINGREQ ：PING 請(qǐng)求（客戶(hù)端→服務(wù)器端）；

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

（14）DISCONNECT：斷開(kāi)連接通知（客戶(hù)端→服務(wù)器端）

上述 14類(lèi)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(lèi)型必須包含的部分，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(lèi)型、重復(fù)標(biāo)識(shí)、質(zhì)量等級(jí)、保留標(biāo)識(shí)及剩余字長(zhǎng)組成，MQTT 協(xié)議具有如下特點(diǎn)：

(1) 通信開(kāi)銷(xiāo)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(jiǎn)單和跨平臺(tái)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(wú)線(xiàn)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(jí)。

由此可見(jiàn)，正因?yàn)镸QTT協(xié)議的開(kāi)放性與消息短小性， 使得它在.NET，WINRT，M2M，PHP等平臺(tái)上都有良好的表現(xiàn)。同時(shí)對(duì)于MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)多以庫(kù)函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)， 包括 C語(yǔ)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(jiǎn)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(jiǎn)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(lèi)型中的 6 種， 分別為 CONNECT，CONNACK， PUBLISH，PINGREQ，PINGRESP，DISCONNECT，這幾類(lèi)

消息主要用于插座與后臺(tái)的連接和信息發(fā)布。插座注冊(cè)及信息接收過(guò)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(shí)間片及帶寬開(kāi)銷(xiāo)，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(wú)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(gè)斷開(kāi)時(shí)間片 Tu和連通時(shí)間片 Tc，且在連通時(shí)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(shí)間≤ Tc，此舉不易造成通信堵塞。智能插座在進(jìn)入 Tc時(shí)，發(fā)送 CONNECT， 如服務(wù)器端無(wú)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(shí)間片 Tc 內(nèi)，智能插座每隔一定時(shí)間便發(fā)出 一 PINGREQ 心跳信號(hào)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(shí)間間隔在 MQTT 中稱(chēng)為 KEEP ALIVE，服務(wù)器端在收到 DISCONNECT 或在 1.5 倍 KEEP ALIVE 時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到智能插座發(fā)送的信息則認(rèn)為智 能插座已斷開(kāi)連接。

3 結(jié) 語(yǔ)