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，使它在無線監控、工業自動化、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監測網絡的遠程監控。通常的實現方式是在兩種異質網絡的結合點(網關節點)上實現一個嵌入式的WebServer。對于多個Zigbee監測網絡，這種實現方式在集中監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，在2001年發布的一個開放、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,并支持發布/訂閱消息傳遞模式。

　　消息中間件系統的基本元素是客戶端、消息和消息代理。在發布/訂閱消息傳遞模式中，發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。發布者向消息代理發送特定主題的消息，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，整個系統結構由兩層結構變成了三層結構，如圖1所示。

　　

　　圖1系統結構

　　底層為多個Zigbee監測網絡，負責監測數據的采集。每個Zigbee監測網絡有一個網關節點和若干的數據采集節點。監測網絡采用星型結構，網關節點作為每個監測網絡的基站。網關節點具有雙重功能，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、網關節點發來的消息，然后進行轉發，使管理應用與監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監測網絡的監測數據;接收用戶的各種設置參數和控制命令。

　　網關節點與管理應用間的數據傳遞是雙向的，即網關節點接收到數據采集節點發來的監測數據后，預處理后形成消息發給消息代理，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，再由消息代理發給網關節點。所以，它們即是消息的提供者，也是消息的使用者。

　　發布/訂閱模型允許多個消息提供者向同一主題發布消息。因此，多個Zigbee監測網絡通過其網關節點分別連接到消息代理，向同一主題發布有關監測數據的消息。管理應用通過訂閱同一個主題，就能獲得所有監測網絡的監測數據。

　　另外，發布/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，不同網關節點訂閱同一主題后，管理應用只需向消息代理發送一條控制命令，多個監測網絡的網關節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、監測網絡中網關節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：創建連接工廠、創建主題、創建激活規范等。

　　在消息代理上需要創建兩個主題，一個用于傳遞監測數據，一個用于傳遞控制命令。不同監測網絡的網關節點向監測數據主題提供消息，管理應用訂閱監測數據主題。管理應用向控制命令主題提供消息，不同的網關節點訂閱控制命令主題。

　　網關節點、管理應用作為客戶端，還需要編寫專門的消息收、發送模塊。雖然它們運行平臺不同，網關節點運行于嵌入式設備的Linux環境，管理應用運行于臺式機的Windows環境，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、發送活動消息的間隔時間;

　　3) 創建 MQTT 客戶機對象。

　　二、向代理發布信息

　　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，必須創建一個回調處理函數，并且在MQTT客戶端注冊。

　　用MqttSimpleCallback 接口創建簡單接口的對象，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 方法通知系統訂閱主題的消息已到達客戶端。

　　4.2. 與數據采集節點間的數據傳遞

　　網關節點作為Zigbee監測網絡與IP網絡的連接點，除了要與上一層的消息代理進行數據傳遞，還要與Zigbee監測網絡中的數據采集節點間進行數據傳遞，獲得原始的監測數據和向數據采集節點傳遞設置參數。

　　4.2.1. 網關節點的硬件結構

　　網關節點的硬件結構如圖2所示。主要分成兩大部分：系統運行的硬件平臺和IEEE802.15.4無線通信模塊。

　　

　　圖2 網關節點的硬件結構

　　CPU選用AMD的 Au1550。它是一款多功能、高性能、低功耗、高集成度的網絡安全處理器。

　　無線通信模塊采用飛思卡爾的MC13192。它實現了IEEE802.15.4物理層的數據傳輸，可以自動完成數據的校驗和封裝。

　　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，完成數據傳輸和控制。

　　4.2.2. 網關節點的軟件設計

　　

　　圖3 網關節點軟件系統的結構

　　根據網關節點的功能，軟件系統主要完成兩個功能，一是負責網絡的建立和維護、匯集監測網絡中的監測數據、向數據采集節點發送設置參數。這一部分為實時部分，由內核模塊實現，運行于內核態;二是與遠程的消息代理之間的消息傳遞、原始監測數據的預處理。這部分為非實時部分運行于用戶空間。

　　當MC13192接收到IEEE802.15.4物理層的數據后，產生中斷請求觸發數據處理任務讀取，校驗正確后寫入FIFO中，用戶空間的應用程序則定時讀取FIFO中的數據，然后將原始數據形成文本格式的消息發送給消息代理。

　　當用戶空間的應用程序收到消息代理發來的控制消息后，轉換成控制命令字寫入FIFO中，內核模塊中FIFO讀取任務則定時讀取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間的數據傳輸

　　MC13192與Au1550之間通過SPI進行數據傳輸。將SPI的通信模式設為主從方式，Au1550為主機，MC13192為從設備。數據的傳輸完全由主機Au1550通過片選信號控制完成。

　　SPI數據幀由幀頭和數據組成。幀頭為8位，第一位為讀寫標志位，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設置成包傳輸模式，它就會將接收到的主機數據暫存到發送RAM中，當接收完成后再以包的形式發送出去。同樣，收到IEEE802.15.4數據幀后，存儲到接收RAM中，確定數據幀的長度、進行校驗和和鏈路質量的計算，數據校驗正確后向主機發出中斷請求，請求主機將數據讀走。

　　二、實時任務與非實時應用間的數據傳輸

　　實時任務與非實時應用間采用FIFO

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