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標準的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，一是充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，負責網(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。