原创 多个Zigbee监测网络远程监控的实现

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.