引 言

隨著智能家居概念的興起，市場上出現(xiàn)了越來越多的智能電器產(chǎn)品，從智能家電到智能插座，所有這些都使得現(xiàn)代生活耳目一新，并越來越方便人們的日常生活。

近年來，智能手機的普及也使智能家居的管理模式和手段越來越豐富，從固定集中控制延伸到了可移動式管理控制， 通過將APP 程序安裝到智能手機上， 以 3G，WiFi 或LAN 為通信手段實現(xiàn)對智能家居的遠程管理和控制。但上述智能家居應(yīng)用模式主要以智能家庭的應(yīng)用為主，該模式采用WiFi 或 LAN 的方式對市電供電的電器設(shè)備進行控制，但一些行業(yè)卻無法直接采用上述控制方式，如燃氣行業(yè)的設(shè)備以電池供電為主，采用RF 遠程控制，而 RF 頻段屬于ISM，在433 ～498 MHz 之間，使用時無需像IP 化設(shè)備那樣需要一定的時間間隔刷新和維持通信鏈路暢通，而是通過睡眠喚醒的方法進行遠程管理和控制，大大降低了設(shè)備的功耗，延長了燃氣表電池供電時間，因此無線智能水表\ 熱能表\ 燃氣表的遠程控制多采用RF 方式，但該方法只對行業(yè)的集中管理具有重要意義，業(yè)務(wù)人員可通過手持式抄表設(shè)備遠程讀取相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)。在今天大力推廣智慧家庭、智慧小區(qū)、智慧城市的背景下，用戶對智能燃氣表等設(shè)備的管理控制也有強烈需求，將智能燃氣表等設(shè)備融入智能家居是目前的發(fā)展趨勢，但因為采集節(jié)點數(shù)量龐大，對互聯(lián)網(wǎng)鏈路的要求較高，因此設(shè)計一種可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳送采集信號的智能插座是本文的重點。

1 中繼型智能插座的設(shè)計思路及實現(xiàn)原理

對目前市場上流行的智能插座進行功能分析可以看出，

其主要針對智能家庭的相關(guān)應(yīng)用，比如實現(xiàn)電器的遠程開斷電功能，其最大的特點是可移動控制，即下載 APP 軟件到智能手機上，通過手機實現(xiàn)對插座的遠程監(jiān)控。而中繼型智能插座除了上述功能外，還需將管理平臺的信號通過智能插座轉(zhuǎn)發(fā)給采用RF 頻段的智能燃氣表，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及控制，同時該智能插座還能實現(xiàn)管理平臺的動態(tài)注冊，以便平臺了解插座的運行狀態(tài)是否正常。同樣，通過權(quán)限設(shè)定，用戶也可用手機APP 訪問指定的智能插座。智能插座的實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖 1 可知，該插座采用了 RF 無線模塊 +WiFi 模塊的設(shè)計方式，通過單獨的MCU 處理器進行管理和控制。該方案最大的特點在于采用了成熟的器件及內(nèi)部串口通信方式，可靠性高，開發(fā)周期短，便于進行新功能擴展等，其控制原理如圖 2所示。

插座控制原理較為簡單，主要采用成熟的模塊搭建而成，性能可靠，成本較低，對智慧家庭應(yīng)用而言是理想的輔助設(shè)備。針對家庭應(yīng)用，插座使用量較少，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和占用帶寬可忽略不計。但如果行業(yè)應(yīng)用規(guī)模較大，如燃氣行業(yè)，用戶規(guī)?？赡苓_到幾萬甚至幾十萬，如果每戶都采用智能插座進行數(shù)據(jù)收集及其他服務(wù)，那么會對后臺帶寬造成較大壓力，因此若按照傳統(tǒng)思路設(shè)計智能插座軟件部分，在大規(guī)模推廣應(yīng)用時，會在流量和帶寬的問題上對后臺造成影響，故需采用新模式設(shè)計插座的通信協(xié)議部分，由此引入 MQTT 協(xié)議對插座與后臺的通信模式進行規(guī)劃設(shè)計。

2 MQTT協(xié)議的原理及應(yīng)用

2.1 關(guān)于MQTT

消息隊列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是IBM 于1999 年開發(fā)的一個即時通信協(xié)議，也是一個輕量級的，基于代理的發(fā)布/ 訂閱消息傳輸協(xié)議。所謂輕量級，是指該協(xié)議設(shè)計思想開放、簡單、輕量、易于實現(xiàn)， 因此它也是為計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠網(wǎng)絡(luò)的遠程傳感器和控制設(shè)備通信而設(shè)計的協(xié)議。

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集需要通過不斷輪詢才能得到即時數(shù)據(jù)的缺陷，MQTT 協(xié)議擁有信息推送功能，可有效地將物聯(lián)網(wǎng)中的大量傳感器與外部設(shè)備進行連接，并實現(xiàn)最小的網(wǎng)絡(luò)開銷。

目前 MQTT v 2.1 主要包含 14 類消息類型的指令，如下所示：

（1）CONNECT：將客戶端請求發(fā)送到服務(wù)器 ；

（2）CONNACK ：連接確認（服務(wù)器端→客戶端）；

（3）PUBLISH ：發(fā)布消息（雙向）；

（4）PUBACK ：發(fā)布確認（雙向）；

（5）PUBREC ：確保發(fā)布被收到（雙向）；

（6）PUBREL ：確保發(fā)布分發(fā)（雙向）；

（7）PUBCOMP：確保發(fā)布完成（雙向）；

（8）SUBSCRIBE ：客戶端訂閱請求 ；

（9）SUBACK ：訂閱確認（服務(wù)器端→客戶端）；

（10）UNSUBSCRIBE ：客戶端退訂請求 ；

（11）UNSUBACK ：服務(wù)器端退訂確認 ；

（12）PINGREQ ：PING 請求（客戶端→服務(wù)器端）；

（13）PINGRESP：PING 響應(yīng)（服務(wù)器端→客戶端）；

（14）DISCONNECT：斷開連接通知（客戶端→服務(wù)器端）

上述 14類消息體都采用了固定頭 + 可變頭 + 有效載荷組成方式，其中固定頭是所有消息類型必須包含的部分，其結(jié)構(gòu)見表 1 所列。

從表 1 可以看出，MQTT 協(xié)議的標準格式由消息類型、重復(fù)標識、質(zhì)量等級、保留標識及剩余字長組成，MQTT 協(xié)議具有如下特點：

(1) 通信開銷小 ：最小消息為 2 B，降低了網(wǎng)絡(luò)負載。

(2) 協(xié)議具有簡單和跨平臺的特點：MQTT采用訂閱/發(fā)布模式，提供一到多的分發(fā)方法，使應(yīng)用耦合度降低，并可在 TCP/IP及其他無線協(xié)議中使用RF，ZigBee等。

(3) 可訂制合適的服務(wù)質(zhì)量：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及服務(wù)要求可選擇三種不同的消息質(zhì)量等級。

由此可見，正因為MQTT協(xié)議的開放性與消息短小性， 使得它在.NET，WINRT，M2M，PHP等平臺上都有良好的表現(xiàn)。同時對于MQTT協(xié)議的實現(xiàn)多以庫函數(shù)的方式實現(xiàn)， 包括 C語言設(shè)計，J2ME，J2EE 等，本節(jié)就智能插座如何實現(xiàn)消息的定閱和發(fā)送機制做簡單討論。

2.2 智能插座的軟件設(shè)計方案

中繼型智能插座可將 WiFi 模塊及RF 模塊之間的數(shù)據(jù)進行交換、轉(zhuǎn)發(fā)及控制。智能插座就是MQTT 協(xié)議中所描述的終端設(shè)備，為了簡化智能插座軟件設(shè)計，根據(jù)智能插座的特點，在中繼型插座的通信協(xié)議設(shè)計上只選擇了 MQTT 協(xié)議14 種消息類型中的 6 種， 分別為 CONNECT，CONNACK， PUBLISH，PINGREQ，PINGRESP，DISCONNECT，這幾類

消息主要用于插座與后臺的連接和信息發(fā)布。插座注冊及信息接收過程如圖 3 所示。

為適應(yīng)本應(yīng)用的特點，系統(tǒng)通信連接做了如下設(shè)置：

(1) 為節(jié)省時間片及帶寬開銷，取消除了 CONNACK確認信息外其他指令的確認信息，是一種無可靠質(zhì)量（QoS）連接的傳輸。

(2) 隨機給智能插座每天分配多個斷開時間片 Tu和連通時間片 Tc，且在連通時間片 Tc內(nèi)，如PUBLISH已完成則立即發(fā)送DISCONNECT，退出連通，即實際連通時間≤ Tc，此舉不易造成通信堵塞。智能插座在進入 Tc時，發(fā)送 CONNECT， 如服務(wù)器端無CONNACK 返回或返回拒絕信息，待這一 Tc結(jié)束后，在下一 Tc 再進行連接。

（3）在連通時間片 Tc 內(nèi)，智能插座每隔一定時間便發(fā)出 一 PINGREQ 心跳信號給服務(wù)器端，待服務(wù)器端收到后返回 一 PINGRESP 給智能插座。這一時間間隔在 MQTT 中稱為 KEEP ALIVE，服務(wù)器端在收到 DISCONNECT 或在 1.5 倍 KEEP ALIVE 時間內(nèi)沒有收到智能插座發(fā)送的信息則認為智 能插座已斷開連接。

3 結(jié) 語

將現(xiàn)有 RF 及 WiFi 模塊集成到智能插座中，不僅實現(xiàn)了 市場上流行的遠程控制智能插座開斷電功能，還在軟件設(shè)計 中采用了 MQTT 協(xié)議，減少了節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸在帶寬及時間片 上的需要。該方案已成功應(yīng)用在智慧廚房的整體解決方案中， 滿足了燃氣行業(yè)和家庭應(yīng)用的需求。