多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控的實現(xiàn)

　1.概述

　　基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其低功耗、易部署等特性，使它在無線監(jiān)控、工業(yè)自動化、家居智能化等領(lǐng)域成了應(yīng)用研究的熱點。

　　結(jié)合IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可方便地實現(xiàn)對Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控。通常的實現(xiàn)方式是在兩種異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點）上實現(xiàn)一個嵌入式的WebServer。對于多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，這種實現(xiàn)方式在集中監(jiān)管上存在一定的困難。

　　本文給出了利用IBM的Websphere消息中間件技術(shù)，對多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進行遠程集中管理的實現(xiàn)方法。

　　2.IBM中間件

　　IBM的WebSphere消息中間件產(chǎn)品，根據(jù)功能、應(yīng)用對象的不同有不同的版本。WebSphere Connection Server Micro Edition，稱為微型消息代理，主要用于嵌入式的應(yīng)用，使用MQTT通信協(xié)議。

　　MQTT是IBM開發(fā)，在2001年發(fā)布的一個開放、輕型的消息傳輸協(xié)議，專門用于遠程傳感應(yīng)用等低帶寬的網(wǎng)絡(luò)通信,并支持發(fā)布/訂閱消息傳遞模式。

　　消息中間件系統(tǒng)的基本元素是客戶端、消息和消息代理。在發(fā)布/訂閱消息傳遞模式中，發(fā)布者和訂閱者是客戶端，通過連接到消息代理在網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)據(jù)。發(fā)布者向消息代理發(fā)送特定主題的消息，訂閱者向消息代理訂閱特定主題的消息，發(fā)布者和訂閱者之間的連接由消息代理管理。當(dāng)消息代理收到發(fā)布提供的消息后，由它向訂閱者傳遞所訂閱的消息。

　　3.實現(xiàn)原理

　　采用中間件技術(shù)后，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩層結(jié)構(gòu)變成了三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　底層為多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。每個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和若干的數(shù)據(jù)采集節(jié)點。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基站。網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有雙重功能，一是充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的自動建立和維護、數(shù)據(jù)匯集；二是作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與中間層交互的接口，與中間層的消息代理傳遞消息。

　　中間層為消息代理，完成消息的路由功能。分別接收管理應(yīng)用、網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)來的消息，然后進行轉(zhuǎn)發(fā)，使管理應(yīng)用與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

　　上層為管理應(yīng)用，作為人機接口，實時顯示各個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；接收用戶的各種設(shè)置參數(shù)和控制命令。

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點與管理應(yīng)用間的數(shù)據(jù)傳遞是雙向的，即網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收到數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)來的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，預(yù)處理后形成消息發(fā)給消息代理，由消息代理轉(zhuǎn)給管理應(yīng)用；管理應(yīng)用收到用戶的設(shè)置參數(shù)或控制命令后，形成消息傳遞給消息代理，再由消息代理發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。所以，它們即是消息的提供者，也是消息的使用者。

　　發(fā)布/訂閱模型允許多個消息提供者向同一主題發(fā)布消息。因此，多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通過其網(wǎng)關(guān)節(jié)點分別連接到消息代理，向同一主題發(fā)布有關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的消息。管理應(yīng)用通過訂閱同一個主題，就能獲得所有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　另外，發(fā)布/訂閱模型還允許多個消息使用者訂閱同一個主題，消息代理會向不同的訂閱者廣播。因此，不同網(wǎng)關(guān)節(jié)點訂閱同一主題后，管理應(yīng)用只需向消息代理發(fā)送一條控制命令，多個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點就能收到同一條控制命令。

　　4. 具體實現(xiàn)

　　4.1. 與消息代理間的消息傳遞

　　通過MQTT協(xié)議實現(xiàn)管理應(yīng)用、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)節(jié)點與中間層消息代理間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　首先需要對中間層的消息代理進行配置，主要包括：創(chuàng)建連接工廠、創(chuàng)建主題、創(chuàng)建激活規(guī)范等。

　　在消息代理上需要創(chuàng)建兩個主題，一個用于傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)，一個用于傳遞控制命令。不同監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點向監(jiān)測數(shù)據(jù)主題提供消息，管理應(yīng)用訂閱監(jiān)測數(shù)據(jù)主題。管理應(yīng)用向控制命令主題提供消息，不同的網(wǎng)關(guān)節(jié)點訂閱控制命令主題。

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點、管理應(yīng)用作為客戶端，還需要編寫專門的消息收、發(fā)送模塊。雖然它們運行平臺不同，網(wǎng)關(guān)節(jié)點運行于嵌入式設(shè)備的Linux環(huán)境，管理應(yīng)用運行于臺式機的Windows環(huán)境，但它們實現(xiàn)的步驟和原理是一樣的。用MQTT庫實現(xiàn)消息的發(fā)布和訂閱模塊，主要包括以下幾個部分。

　　一、連接 MQTT

　　1) 生成連接字符串：指定消息代理主機的IP地址和MQTT分配的端口號，端口號缺省值為 1883；

　　2) 設(shè)置連接屬性，包括客戶機的標(biāo)識、訂閱類型、發(fā)送活動消息的間隔時間；

　　3) 創(chuàng)建 MQTT 客戶機對象。

　　二、向代理發(fā)布信息

　　直接使用MQTT 提供的API函數(shù)publish，需要提供主題、消息、服務(wù)質(zhì)量等參數(shù)。

　　三、向代理訂閱消息

　　訂閱是由 MQTT 對象處理的，要求有兩個數(shù)組參數(shù)。分別是訂閱主題數(shù)組、服務(wù)質(zhì)量數(shù)組。這兩個數(shù)組是“索引關(guān)聯(lián)的”。

　　主題數(shù)組是一個字符串對象數(shù)組，主題按層次結(jié)構(gòu)排列，并且通過“/”字符分隔。

　　服務(wù)質(zhì)量數(shù)組是一個整數(shù)類型的數(shù)組。服務(wù)質(zhì)量的值可以為 0、1 和 2，根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)置。通常將服務(wù)質(zhì)量的值置為2，使消息僅傳遞一次，以減少傳輸開銷。

　　四、接收來自代理的消息

　　要使應(yīng)用能接收到訂閱的消息，必須創(chuàng)建一個回調(diào)處理函數(shù)，并且在MQTT客戶端注冊。

　　用MqttSimpleCallback 接口創(chuàng)建簡單接口的對象，并實現(xiàn)connectionLost 和 publishArrived兩個方法。

　　當(dāng)與代理的連接意外終止時，就調(diào)用 connectionLost 方法。如果出現(xiàn)這種情況，則此方法試圖重新連接到代理。如果 connectionLost 方法無法重新連接，則會拋出異常來通知客戶機重新連接失敗。

　　publishArrived 方法通知系統(tǒng)訂閱主題的消息已到達客戶端。

　　4.2. 與數(shù)據(jù)采集節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳遞

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的連接點，除了要與上一層的消息代理進行數(shù)據(jù)傳遞，還要與Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集節(jié)點間進行數(shù)據(jù)傳遞，獲得原始的監(jiān)測數(shù)據(jù)和向數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳遞設(shè)置參數(shù)。

　　4.2.1. 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要分成兩大部分：系統(tǒng)運行的硬件平臺和IEEE802.15.4無線通信模塊。

圖2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

　　CPU選用AMD的 Au1550。它是一款多功能、高性能、低功耗、高集成度的網(wǎng)絡(luò)安全處理器。

　　無線通信模塊采用飛思卡爾的MC13192。它實現(xiàn)了IEEE802.15.4物理層的數(shù)據(jù)傳輸，可以自動完成數(shù)據(jù)的校驗和封裝。

　　Au1550與MC13192通過3線SPI接口、一個片選線和一個中斷請求線相連，完成數(shù)據(jù)傳輸和控制。

　　4.2.2. 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件設(shè)計

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能，軟件系統(tǒng)主要完成兩個功能，一是負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護、匯集監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)、向數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送設(shè)置參數(shù)。這一部分為實時部分，由內(nèi)核模塊實現(xiàn)，運行于內(nèi)核態(tài)；二是與遠程的消息代理之間的消息傳遞、原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理。這部分為非實時部分運行于用戶空間。

　　當(dāng)MC13192接收到IEEE802.15.4物理層的數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生中斷請求觸發(fā)數(shù)據(jù)處理任務(wù)讀取，校驗正確后寫入FIFO中，用戶空間的應(yīng)用程序則定時讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，然后將原始數(shù)據(jù)形成文本格式的消息發(fā)送給消息代理。

　　當(dāng)用戶空間的應(yīng)用程序收到消息代理發(fā)來的控制消息后，轉(zhuǎn)換成控制命令字寫入FIFO中，內(nèi)核模塊中FIFO讀取任務(wù)則定時讀取FIFO的控制命令，形成MAC層的幀格式，通過SPI傳遞給MC13192。

　　一、Au1550與MC13192間的數(shù)據(jù)傳輸

　　MC13192與Au1550之間通過SPI進行數(shù)據(jù)傳輸。將SPI的通信模式設(shè)為主從方式，Au1550為主機，MC13192為從設(shè)備。數(shù)據(jù)的傳輸完全由主機Au1550通過片選信號控制完成。

　　SPI數(shù)據(jù)幀由幀頭和數(shù)據(jù)組成。幀頭為8位，第一位為讀寫標(biāo)志位，R/W=1表示讀操作(從到主)，R/W=0表示寫操作(主到從)。低六位表示MC13192中寄存器的地址。

　　MC13192設(shè)置成包傳輸模式，它就會將接收到的主機數(shù)據(jù)暫存到發(fā)送RAM中，當(dāng)接收完成后再以包的形式發(fā)送出去。同樣，收到IEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀后，存儲到接收RAM中，確定數(shù)據(jù)幀的長度、進行校驗和和鏈路質(zhì)量的計算，數(shù)據(jù)校驗正確后向主機發(fā)出中斷請求，請求主機將數(shù)據(jù)讀走。

　　二、實時任務(wù)與非實時應(yīng)用間的數(shù)據(jù)傳輸

　　實時任務(wù)與非實時應(yīng)用間采用FIFO進行數(shù)據(jù)傳遞。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)實時任務(wù)與非實時應(yīng)用間的雙向傳輸，需要建立兩個FIFO。一個FIFO用于實時任務(wù)向非實時應(yīng)用發(fā)送原始監(jiān)控數(shù)據(jù)，一個FIFO用于接收非實時應(yīng)用的控制命令。

　　在實時任務(wù)一側(cè)，不管FIFO狀態(tài)是什么，任何讀寫入操作都是非阻塞的。因此，讀寫后都立即返回。在內(nèi)核模塊中FIFO通過rtf_create()來創(chuàng)建，rtf_put()向FIFO寫數(shù)據(jù), rtf_get()從FIFO讀數(shù)據(jù)。FIFO的讀過程由一個周期性的實時線程完成。

　　從應(yīng)用程序一側(cè)來看，F(xiàn)IFO就像一個常規(guī)文件。因此，調(diào)用文件打開函數(shù)來獲得相關(guān)FIFO的指針，獲得指針后通過讀寫函數(shù)實現(xiàn)對FIFO的讀寫操作。數(shù)據(jù)的讀操作也由專門的線程用輪詢方式完成，數(shù)據(jù)的發(fā)送操作則直接用函數(shù)調(diào)用方式。

　　5. 結(jié)束語

　　本文給出基于中間件技術(shù)的分層體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的集中管理的方法，并給出了數(shù)據(jù)傳遞、網(wǎng)關(guān)節(jié)點等關(guān)鍵技術(shù)的具體實現(xiàn)。這種方式有效地解決了星型拓撲結(jié)構(gòu)Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測范圍受限的問題。通過增加監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的個數(shù)來擴大監(jiān)測范圍或多點分布式監(jiān)測，而且還不會影響到管理應(yīng)用。

　　本文的創(chuàng)新點：利用基于中間件技術(shù)的分層體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的集中管理，有效地解決了星型拓撲結(jié)構(gòu)Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測范圍受限的問題。星形拓撲結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于部署的特點，而且節(jié)點間不需要路由，可以有效節(jié)省節(jié)點的能耗。增加監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的個數(shù)可以擴大監(jiān)測范圍，但存在對多個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)集中管理的問題?！?/p>

　　參考文獻

　　[1] Motorola.MC13192/MC13193 Reference Manual

　　[2] LAN-MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE, 2003

　　[3] IBM.Websphere Using Java,2004.