王維濤 鄭芳

摘要：以局域網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)教學環(huán)境，集成物聯(lián)網(wǎng)絡消息處理服務、物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)環(huán)境、單板計算機及微處理器控制開發(fā)板物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)硬件，完成物聯(lián)網(wǎng)消息協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)編程語言、傳感器數(shù)據(jù)采集等教學內(nèi)容。

信息社會物聯(lián)網(wǎng)無處不在。其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工業(yè)、交通運輸、生物醫(yī)療、智慧城市等各領域應用廣泛。本文以物聯(lián)網(wǎng)體系工作框架，給出物聯(lián)網(wǎng)教學實踐的基本環(huán)境及方法。

目前物聯(lián)網(wǎng)的體系工作框架由底層至高層分為：設備層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層。設備層包括：傳感器、通信模組、感知類智能設備及執(zhí)行裝置;網(wǎng)絡層包括：通信運營商的2G、3G、4G、5G網(wǎng)絡，局域網(wǎng)的WiFi、、ZigBee、LPWAN（LoRa、SigFox、NB-Iot）等;平臺層包括：接入管理、設備管理、消息處理、數(shù)據(jù)處理、機器學習等;應用層包括：各應用領域App及服務軟件。

物聯(lián)網(wǎng)教學實踐環(huán)境，以局域網(wǎng)為基礎，以教學內(nèi)容為原則，簡化體系結構，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)教學實操環(huán)境。

在局域網(wǎng)中，我們可以合并應用層、平臺層，以微型計算機（PC）、單板計算機（SBC）構成，軟件選用開源軟件，主要服務軟件是Mosquitto，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡消息處理服務（MQTT），采用Node.js、Node-RED（JavaScript）、SQLite、Python（MicroPython）實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)環(huán)境（SDK）。

MQTT消息隊列遙測傳輸是物聯(lián)網(wǎng)OASIS標準消息傳遞協(xié)議，是非常輕量級的發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議工作在 TCP/IP協(xié)議族之上，非常適合低性能硬件及低帶寬網(wǎng)絡，連接控制遠程硬件系統(tǒng)。

Mosquitto是Eclipse基金會實現(xiàn)MQTT V5.0、V3.1.1、V3.1版本協(xié)議的服務器軟件，適合安裝在低功耗的單板計算機、微型計算機、服務器上使用。我們既可以把它安裝在流行的樹莓派（Raspberry Pi 3 B+）Raspberry Pi OS系統(tǒng)的SBC機上，也可以把它安裝在Windows 10系統(tǒng)的PC機上運行。MQTT服務器在局域網(wǎng)內(nèi)，可使用用戶/密碼方式保證安全。

在局域網(wǎng)中，移動設備、嵌入式系統(tǒng)、各類傳感器開發(fā)板，以相應接入方式接入網(wǎng)絡，客戶端可采用命令方式、圖形界面、編程方式與服務端處理消息。

在設備層面，我們使用構建在Node.js之上，事件驅動、低代碼量編程的 Node-RED （https：//nodered.org/）和面向微處理器控制開發(fā)板的 MicroPython 語言進行編程開發(fā);如需大量數(shù)據(jù)處理，選用SQLite數(shù)據(jù)庫。

Node-RED是基于流程的可視化編程工具，以瀏覽器作為編輯界面，使用系統(tǒng)提供的各類功能節(jié)點。在Node-RED節(jié)點編輯框中，可以設置參數(shù)和使用JavaScript語言及函數(shù)，完成消息處理及硬件系統(tǒng)控制。MicroPython是兼容Python 3的子集，優(yōu)化設計，運行在微處理器、微控制器、嵌入式系統(tǒng)上，主要使用在連接傳感器及執(zhí)行控制器的開發(fā)板系統(tǒng)中。單板計算機樹莓派的Raspberry Pi OS（https：//www.raspberrypi.org/software/）系統(tǒng)，集成Node-RED、Python、Thonny環(huán)境，給學習實踐帶來諸多便利。連接傳感器及執(zhí)行控制器的開發(fā)板系統(tǒng)，我們使用ESP8266、ESP32（https：//www.espressif.com/）這類高性價比開發(fā)板，既可使用樹莓派（Thonny IDE-Raspberry Pi）的集成環(huán)境，也可以使用Windows10系統(tǒng)的Thonny IED版本或其它開發(fā)環(huán)境（ThonnyIDE-Linux、Thonny IDE-Mac OS X、Arduino IDE等）進行學習。

網(wǎng)絡消息處理協(xié)議MQTT的學習

網(wǎng)絡消息處理原理學習，是理解物聯(lián)網(wǎng)運行的基礎。MQTT技術文檔給出的協(xié)議通信規(guī)則及數(shù)據(jù)幀結構，學習者需要在實際網(wǎng)絡中加以理解。Windows10系統(tǒng)安裝設置好Mosquitto服務器后，局域網(wǎng)中的其它計算機或硬件設備作為客戶端，和服務器即可建立起消息通信機制。我們使用開源軟件Wireshark網(wǎng)絡協(xié)議分析器，抓取網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)包，進行直觀分析學習。圖一是局域網(wǎng)中抓取的數(shù)據(jù)幀截圖，圖中給出服務端192.168.0.114與客戶端192.168.0.110的消息通信過程。

物聯(lián)網(wǎng)編程過程學習

在局域網(wǎng)中，我們使用樹莓派（Raspberry Pi）、Windows 10 PC機、智能移動設備（手機）說明學習過程。圖二是消息發(fā)布/訂閱示意圖。

Mosquitto服務器在Windows10 PC（192.168.0.114）機上運行，在樹莓派（192.168.0.105）上運行Node-RED，使用局域網(wǎng)中的計算機瀏覽器訪問樹莓派192.168.0.105：1880端口（可設置用戶/密碼訪問權限），打開Node-RED編輯界面，通過編輯界面左側節(jié)點版面，拖拽所需若干功能節(jié)點到編輯界面中部編輯區(qū)，經(jīng)設置參數(shù)及使用JavaScript語言、函數(shù)，連接各節(jié)點完成所需編程要求。圖三是模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)Mosquitto服務器發(fā)布消息，通過Mosquitto服務器，設置樹莓派GPIO26（PIN37）腳位輸出值。可以在智能移動設備（手機）安裝設置MQTT Dash App（https：//play.google.com/store/apps/details？id=net.routix.mqttdash&hl=en_IN?=US），使用開源軟件實現(xiàn)消息的訂閱/發(fā)布及可視化顯示控制。

總之，物聯(lián)網(wǎng)實踐教學環(huán)境，是物聯(lián)網(wǎng)教學的必備的實操教學平臺，對于理解物聯(lián)網(wǎng)工作原理、物聯(lián)網(wǎng)消息發(fā)布訂閱，物聯(lián)網(wǎng)遠端數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行控制，十分必要。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡的可視化及可視化控制，也必將大量應用到實際工作環(huán)境中。

作者簡介：

王維濤（1964.7），男，漢族，河北石家莊，高級工程師，研究方向：計算機通信及物聯(lián)網(wǎng)。