多個Zigbee監(jiān)測網絡遠程監(jiān)控的實現

　　1.概述

　　基于IEEE802.15.4標準的Zigbee傳感器網絡技術是一種短距離、低速率無線網絡技術。其低功耗、易部署等特性，使它在無線監(jiān)控、工業(yè)自動化、家居智能化等領域成了應用研究的熱點。

　　結合IP網絡技術，可方便地實現對Zigbee監(jiān)測網絡的遠程監(jiān)控。通常的實現方式是在兩種異質網絡的結合點（網關節(jié)點）上實現一個嵌入式的WebServer。對于多個Zigbee監(jiān)測網絡，這種實現方式在集中監(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，對多個Zigbee監(jiān)測網絡進行遠程集中管理的實現方法。

　　2.IBM中間件

　　IBM的WebSphere消息中間件產品，根據功能、應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用，使用MQTT通信協議。

　　MQTT是IBM開發(fā)，在2001年發(fā)布的一個開放、輕型的消息傳輸協議，專門用于遠程傳感應用等低帶寬的網絡通信,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絡中傳遞數據。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.實現原理

　　采用中間件技術后，整個系統(tǒng)結構由兩層結構變成了三層結構，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結構

　　底層為多個Zigbee監(jiān)測網絡，負責監(jiān)測數據的采集。每個Zigbee監(jiān)測網絡有一個網關節(jié)點和若干的數據采集節(jié)點。監(jiān)測網絡采用星型結構，網關節(jié)點作為每個監(jiān)測網絡的基站。網關節(jié)點具有雙重功能，一是充當網絡協調器的角色，負責網絡的自動建立和維護、數據匯集；二是作為監(jiān)測網絡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。分別接收管理應用、網關節(jié)點發(fā)來的消息，然后進行轉發(fā)，使管理應用與監(jiān)測網絡的網關間實現數據交互。

　　上層為管理應用，作為人機接口，實時顯示各個Zigbee監(jiān)測網絡的監(jiān)測數據；接收用戶的各種設置參數和控制命令。

　　網關節(jié)點與管理應用間的數據傳遞是雙向的，即網關節(jié)點接收到數據采集節(jié)點發(fā)來的監(jiān)測數據后，預處理后形成消息發(fā)給消息代理，由消息代理轉給管理應用；管理應用收到用戶的設置參數或控制命令后，形成消息傳遞給消息代理，再由消息代理發(fā)給網關節(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)測網絡通過其網關節(jié)點分別連接到消息代理，向同一主題發(fā)布有關監(jiān)測數據的消息。管理應用通過訂閱同一個主題，就能獲得所有監(jiān)測網絡的監(jiān)測數據。

　　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，不同網關節(jié)點訂閱同一主題后，管理應用只需向消息代理發(fā)送一條控制命令，多個監(jiān)測網絡的網關節(jié)點就能收到同一條控制命令。

　　4.  具體實現

　　4.1. 與消息代理間的消息傳遞

　　通過MQTT協議實現管理應用、監(jiān)測網絡中網關節(jié)點與中間層消息代理間的數據傳輸。

　　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)測數據，一個用于傳遞控制命令。不同監(jiān)測網絡的網關節(jié)點向監(jiān)測數據主題提供消息，管理應用訂閱監(jiān)測數據主題。管理應用向控制命令主題提供消息，不同的網關節(jié)點訂閱控制命令主題。

　　網關節(jié)點、管理應用作為客戶端，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，網關節(jié)點運行于嵌入式設備的Linux環(huán)境，管理應用運行于臺式機的Windows環(huán)境，但它們實現的步驟和原理是一樣的。用MQTT庫實現消息的發(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publish，需要提供主題、消息、服務質量等參數。

　　三、向代理訂閱消息

　　訂閱是由 MQTT 對象處理的，要求有兩個數組參數。分別是訂閱主題數組、服務質量數組。這兩個數組是“索引關聯的”。

　　主題數組是一個字符串對象數組，主題按層次結構排列，并且通過“/”字符分隔。

　　服務質量數組是一個整數類型的數組。服務質量的值可以為 0、1 和 2，根據具體的應用設置。通常將服務質量的值置為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

　　要使應用能接收到訂閱的消息，必須創(chuàng)建一個回調處理函數，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connectionLost 和 publishArrived兩個方法。

　　當與代理的連接意外終止時，就調用 connectionLost 方法。如果出現這種情況，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。