多个Zigbee监测网络远程监控的实现

　1.概述

　　基于IEEE802.15.4标准的Zigbee传感器网络技术是一种短距离、低速率无线网络技术。其低功耗、易部署等特性，使它在无线监控、工业自动化、家居智能化等领域成了应用研究的热点。

　　结合IP网络技术，可方便地实现对Zigbee监测网络的远程监控。通常的实现方式是在两种异质网络的结合点（网关节点）上实现一个嵌入式的WebServer。对于多个Zigbee监测网络，这种实现方式在集中监管上存在一定的困难。

　　本文给出了利用IBM的Websphere消息中间件技术，对多个Zigbee监测网络进行远程集中管理的实现方法。

　　2.IBM中间件

　　IBM的WebSphere消息中间件产品，根据功能、应用对象的不同有不同的版本。WebSphere Connection Server Micro Edition，称为微型消息代理，主要用于嵌入式的应用，使用MQTT通信协议。

　　MQTT是IBM开发，在2001年发布的一个开放、轻型的消息传输协议，专门用于远程传感应用等低带宽的网络通信,并支持发布/订阅消息传递模式。

　　消息中间件系统的基本元素是客户端、消息和消息代理。在发布/订阅消息传递模式中，发布者和订阅者是客户端，通过连接到消息代理在网络中传递数据。发布者向消息代理发送特定主题的消息，订阅者向消息代理订阅特定主题的消息，发布者和订阅者之间的连接由消息代理管理。当消息代理收到发布提供的消息后，由它向订阅者传递所订阅的消息。

　　3.实现原理

　　采用中间件技术后，整个系统结构由两层结构变成了三层结构，如图1所示。

图1系统结构

　　底层为多个Zigbee监测网络，负责监测数据的采集。每个Zigbee监测网络有一个网关节点和若干的数据采集节点。监测网络采用星型结构，网关节点作为每个监测网络的基站。网关节点具有双重功能，一是充当网络协调器的角色，负责网络的自动建立和维护、数据汇集；二是作为监测网络与中间层交互的接口，与中间层的消息代理传递消息。

　　中间层为消息代理，完成消息的路由功能。分别接收管理应用、网关节点发来的消息，然后进行转发，使管理应用与监测网络的网关间实现数据交互。

　　上层为管理应用，作为人机接口，实时显示各个Zigbee监测网络的监测数据；接收用户的各种设置参数和控制命令。

　　网关节点与管理应用间的数据传递是双向的，即网关节点接收到数据采集节点发来的监测数据后，预处理后形成消息发给消息代理，由消息代理转给管理应用；管理应用收到用户的设置参数或控制命令后，形成消息传递给消息代理，再由消息代理发给网关节点。所以，它们即是消息的提供者，也是消息的使用者。

　　发布/订阅模型允许多个消息提供者向同一主题发布消息。因此，多个Zigbee监测网络通过其网关节点分别连接到消息代理，向同一主题发布有关监测数据的消息。管理应用通过订阅同一个主题，就能获得所有监测网络的监测数据。

　　另外，发布/订阅模型还允许多个消息使用者订阅同一个主题，消息代理会向不同的订阅者广播。因此，不同网关节点订阅同一主题后，管理应用只需向消息代理发送一条控制命令，多个监测网络的网关节点就能收到同一条控制命令。

　　4. 具体实现

　　4.1. 与消息代理间的消息传递

　　通过MQTT协议实现管理应用、监测网络中网关节点与中间层消息代理间的数据传输。

　　首先需要对中间层的消息代理进行配置，主要包括：创建连接工厂、创建主题、创建激活规范等。

　　在消息代理上需要创建两个主题，一个用于传递监测数据，一个用于传递控制命令。不同监测网络的网关节点向监测数据主题提供消息，管理应用订阅监测数据主题。管理应用向控制命令主题提供消息，不同的网关节点订阅控制命令主题。

　　网关节点、管理应用作为客户端，还需要编写专门的消息收、发送模块。虽然它们运行平台不同，网关节点运行于嵌入式设备的Linux环境，管理应用运行于台式机的Windows环境，但它们实现的步骤和原理是一样的。用MQTT库实现消息的发布和订阅模块，主要包括以下几个部分。

　　一、连接 MQTT

　　1) 生成连接字符串：指定消息代理主机的IP地址和MQTT分配的端口号，端口号缺省值为 1883；

　　2) 设置连接属性，包括客户机的标识、订阅类型、发送活动消息的间隔时间；

　　3) 创建 MQTT 客户机对象。

　　二、向代理发布信息

　　直接使用MQTT 提供的API函数publish，需要提供主题、消息、服务质量等参数。

　　三、向代理订阅消息

　　订阅是由 MQTT 对象处理的，要求有两个数组参数。分别是订阅主题数组、服务质量数组。这两个数组是“索引关联的”。

　　主题数组是一个字符串对象数组，主题按层次结构排列，并且通过“/”字符分隔。

　　服务质量数组是一个整数类型的数组。服务质量的值可以为 0、1 和 2，根据具体的应用设置。通常将服务质量的值置为2，使消息仅传递一次，以减少传输开销。

　　四、接收来自代理的消息

　　要使应用能接收到订阅的消息，必须创建一个回调处理函数，并且在MQTT客户端注册。

　　用MqttSimpleCallback 接口创建简单接口的对象，并实现connectionLost 和 publishArrived两个方法。

　　当与代理的连接意外终止时，就调用 connectionLost 方法。如果出现这种情况，则此方法试图重新连接到代理。如果 connectionLost 方法无法重新连接，则会抛出异常来通知客户机重新连接失败。

　　publishArrived 方法通知系统订阅主题的消息已到达客户端。

　　4.2. 与数据采集节点间的数据传递

　　网关节点作为Zigbee监测网络与IP网络的连接点，除了要与上一层的消息代理进行数据传递，还要与Zigbee监测网络中的数据采集节点间进行数据传递，获得原始的监测数据和向数据采集节点传递设置参数。

　　4.2.1. 网关节点的硬件结构

　　网关节点的硬件结构如图2所示。主要分成两大部分：系统运行的硬件平台和IEEE802.15.4无线通信模块。

图2 网关节点的硬件结构

　　CPU选用AMD的 Au1550。它是一款多功能、高性能、低功耗、高集成度的网络安全处理器。

　　无线通信模块采用飞思卡尔的MC13192。它实现了IEEE802.15.4物理层的数据传输，可以自动完成数据的校验和封装。

　　Au1550与MC13192通过3线SPI接口、一个片选线和一个中断请求线相连，完成数据传输和控制。

　　4.2.2. 网关节点的软件设计

图3 网关节点软件系统的结构

　　根据网关节点的功能，软件系统主要完成两个功能，一是负责网络的建立和维护、汇集监测网络中的监测数据、向数据采集节点发送设置参数。这一部分为实时部分，由内核模块实现，运行于内核态；二是与远程的消息代理之间的消息传递、原始监测数据的预处理。这部分为非实时部分运行于用户空间。

　　当MC13192接收到IEEE802.15.4物理层的数据后，产生中断请求触发数据处理任务读取，校验正确后写入FIFO中，用户空间的应用程序则定时读取FIFO中的数据，然后将原始数据形成文本格式的消息发送给消息代理。

　　当用户空间的应用程序收到消息代理发来的控制消息后，转换成控制命令字写入FIFO中，内核模块中FIFO读取任务则定时读取FIFO的控制命令，形成MAC层的帧格式，通过SPI传递给MC13192。

　　一、Au1550与MC13192间的数据传输

　　MC13192与Au1550之间通过SPI进行数据传输。将SPI的通信模式设为主从方式，Au1550为主机，MC13192为从设备。数据的传输完全由主机Au1550通过片选信号控制完成。

　　SPI数据帧由帧头和数据组成。帧头为8位，第一位为读写标志位，R/W=1表示读操作(从到主)，R/W=0表示写操作(主到从)。低六位表示MC13192中寄存器的地址。

　　MC13192设置成包传输模式，它就会将接收到的主机数据暂存到发送RAM中，当接收完成后再以包的形式发送出去。同样，收到IEEE802.15.4数据帧后，存储到接收RAM中，确定数据帧的长度、进行校验和和链路质量的计算，数据校验正确后向主机发出中断请求，请求主机将数据读走。

　　二、实时任务与非实时应用间的数据传输

　　实时任务与非实时应用间采用FIFO进行数据传递。每一个FIFO都是在一个方向上传送数据。要实现实时任务与非实时应用间的双向传输，需要建立两个FIFO。一个FIFO用于实时任务向非实时应用发送原始监控数据，一个FIFO用于接收非实时应用的控制命令。

　　在实时任务一侧，不管FIFO状态是什么，任何读写入操作都是非阻塞的。因此，读写后都立即返回。在内核模块中FIFO通过rtf_create()来创建，rtf_put()向FIFO写数据, rtf_get()从FIFO读数据。FIFO的读过程由一个周期性的实时线程完成。

　　从应用程序一侧来看，FIFO就像一个常规文件。因此，调用文件打开函数来获得相关FIFO的指针，获得指针后通过读写函数实现对FIFO的读写操作。数据的读操作也由专门的线程用轮询方式完成，数据的发送操作则直接用函数调用方式。

　　5. 结束语

　　本文给出基于中间件技术的分层体系结构，实现对多个Zigbee监测网络的集中管理的方法，并给出了数据传递、网关节点等关键技术的具体实现。这种方式有效地解决了星型拓扑结构Zigbee监测网络监测范围受限的问题。通过增加监测网络的个数来扩大监测范围或多点分布式监测，而且还不会影响到管理应用。

　　本文的创新点：利用基于中间件技术的分层体系结构，实现了对多个Zigbee监测网络的集中管理，有效地解决了星型拓扑结构Zigbee监测网络监测范围受限的问题。星形拓扑结构具有结构简单、易于部署的特点，而且节点间不需要路由，可以有效节省节点的能耗。增加监测网络的个数可以扩大监测范围，但存在对多个监测网络集中管理的问题。　

　　参考文献

　　[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.