MTQQ 物聯網

這個是學校的SRP項目。去年12月作了大概3周。
直接摘我的總結報告以下：
在本次「學生研究計劃」項目，研究課題是「基於JAVA的智能家居公衆號」。根據課題要求之一：以微信做爲媒介，實現智能設備的遠程控制。爲肯定系統整體架構，我先是尋找到了微信硬件平臺，並閱讀其開發文檔中介紹的三種方案，通過初步瞭解和後來的實際嘗試，最終肯定應該使用設備商雲鏈接硬件雲平臺的方案。在設備端方面，我尋找到一種性價比高的wifi開發模塊ESP8266，並瞭解到了樂鑫官網和安信可官網，找到了NONOS-SDK，並在微信硬件雲平臺找到相應airkiss靜態庫，接觸到airkiss是微信關於物理網一鍵配置smartconfig技術的一種實現。剛開始先嚐試微信硬件平臺直連雲方案，成功在ESP8266上運行與微信硬件雲直接通訊的代碼系統。
接着尋找設備商雲端的實現方案，發現物聯網通訊協議當前比較流行的有MQTT協議、COAP協議、uIP協議、google Weave協議等，通過一番摸索比較，最終選用了輕量級的MQTT協議，適用於低帶寬、低功耗等設備條件環境，實現了異步通訊消息隊列，支持多層服務質量Qos，還有基於topic主題的消息過濾認證機制等特點。又摸索瞭解到很多開源MQTT代理服務器的實現，如Mosquito、rabbitmq mqtt、EMQ等，出於開源性、成熟性、可擴展性等方面的考慮，選用EMQ做爲MQTT代理，並在本地嘗試運行測試成功。
因爲採用了MQTT做爲物聯網通訊協議，而現有微信硬件平臺與設備商雲端的通訊依然是基於HTTP的方式，這就須要咱們在設備商雲端實現一個web應用服務，支持接收微信硬件平臺消息並轉化爲MQTT消息再發布到MQTT代理服務器上，並支持將訂閱到的MQTT消息轉化爲HTTP消息發送回微信硬件雲平臺。因而學習了比較流行的SpingMVC開發框架和tomcat容器，並使用智能的IntelliJ IDEA開發環境進行代碼開發部署和調試。
再學習微信公衆號開發的接入方法，找到了github上的基於SpringMVC的Java-mp-demo項目，和eclipse的paho系列開源java項目中的MQTT客戶端實現的項目，該項目未實現硬件平臺相關的處理接口，因而在該項目基礎上增長實現了微信到MQTT代理的中轉服務。期間開發調試遇到各類問題，如配置servlet、bean、convertor等相關的坑。剛開始使用的是遠程部署到阿里雲服務器，在線調試的方式，發現log打印只能在遠程服務器上查看太麻煩，因而找到ngrok技術，一種將對域名訪問請求代理轉發到本身本地電腦端口上再交由本地web服務處理的內網穿透映射的服務。這樣在本地就能方便直接調試和查看log信息。
MQTT代理用的EMQ，其開發文檔中有關與ACL訪問控制的介紹，根據其原理，我設計了一套MQTT主題ACL訪問控制機制，遠期擴展還可開啓EMQ的auth-mysql插件，實現更安全的用戶系統。
在設備端移植了微信硬件雲平臺的直連雲方案的DEMO代碼，並移植了MQTT底層實現庫。

架構圖

 

 

如圖所示，本項目主要分爲微信客戶端、微信硬件雲、設備商雲、設備端四大部分。爲實現以微信爲媒介遠程控制智能設備，本項目採用微信硬件平臺的「設備商雲鏈接微信硬件雲接入流程」方案，在微信硬件雲與設備端二者通訊間加入一層設備商雲，實現數據的中轉。其中微信綁定設備的操做使用微信硬件平臺的Airkiss協議，實現設備端在無需自啓AP熱點的硬件條件下獲取微信客戶端傳遞的WIFI設置信息從而聯網綁定。而設備商雲與設備商的通訊採用MQTT物聯網協議方案，設備商雲上使用MQTT代理服務器EMQ，並實現基於SpringMVC架構的IoT雲服務器端的中轉和處理服務，負責將從微信硬件雲接收到的HTTP消息轉化成MQTT消息併發布到EMQ上，並負責訂閱相關主題，接收來自設備端發佈上EMQ的異步消息並經過微信硬件雲HTTP API接口上傳給微信硬件雲，由微信硬件雲負責與微信客戶端的通訊。本方案使用的MQTT代理，亦可實現微信客戶端上基於微信JDK的H5頁面實現的自定義面板，直接與EMQ進行通訊。

設備商雲服務端設計

最主要是MQTT EMQ和微信公衆號服務兩部分。以下：

 

 

MQTT EMQ配置：

MQTT代理服務器EMQ的配置
（1）在EMQ軟件目錄下的etc/plugins/emq_auth_username.conf文件中，配置以下：

auth.user.1.username = device
auth.user.1.password = password
auth.user.2.username = server
auth.user.2.password = password

（2）在dashboard控制檯網頁上，開啓auth-username認證插件。

（3）在EMQ軟件目錄下的etc/acl.conf中，設計以下ACL訪問控制配置：

{allow, {user, "server"}, publish, ["server/bind/+","server/unbind/+","server/get/+","server/set/+"]}. {allow, {user, "device"}, subscribe, ["server/bind/%c","server/unbind/%c","server/get/%c","server/set/%c"]}. {allow, {user, "device"}, publish, ["device/%c/ack/bind","device/%c/ack/unbind","device/%c/ack/get","device/%c/ack/set","device/%c/notify"]}. {allow, {user, "server"}, subscribe, ["device/+/#"]}. {deny, all, subscribe, ["$SYS/#", {eq, "#"}]}. {deny, all}. 

設備商雲端微信公衆號web服務

具體圖

 

 

本設備商雲端微信公衆號web服務項目底層使用springMVC框架+tomcat容器，並基於開源的java-mp-demo微信公衆號項目進行擴展開發，實現的代碼頂層包名爲com.srpgroup.iot，分爲6個模塊： 其中mqtt.config包爲初始配置文件模塊、service包爲服務模塊（包含微信硬件雲到Mqtt的中轉服務Wx2MqttService和微信硬件雲API接口服務WxIotDeviceService）、wx.bean包爲微信硬件雲API接口的數據模型，wx.controller爲微信硬件平臺通訊入口，wx.handler包下爲publisher包和subscriber包，分別處理來自微信硬件雲和設備端的消息。

設備端設計代碼框架圖

 

 

如代碼框架圖所示，最底層是ESP-NONOS-SDK代碼靜態庫，由樂鑫官網提供，中間層由三層模塊組成 ，最上層爲產品層模塊，中間層的基本模塊有airkiss庫、mqtt庫、json庫和driver-key驅動庫。其上層分別是與iot系統有關的四個模塊以下：
 Smartlink模塊：負責基於airkiss協議的配對發現功能；
 IOT-mqtt客戶端模塊：負責鏈接設備商雲MQTT代理服務器；
 network模塊：負責當前系統所處網絡狀態的處理的分配，由iot-platform進行回調；包括定時器中斷，每隔必定時間檢測並更新狀態信息。
 config配置模塊：負責存取配置信息；
再上層爲Iot-platform模塊，負責調度下層模塊，並解耦product模塊與iot基礎模塊間的聯繫。
最上層爲應用層，分別有以下模塊：
 user_main入口模塊：負責運行初始化platform模塊和其餘無關iot系統的操做。
 product模塊：各類產品功能可集中在此實現和擴展；
 user_key等其餘模塊：與硬件交互有關的其餘功能，如user_key主要定義了負責開啓airkiss的按鍵事件和開關燈等物理操做事件相關的函數。

流程分析：
當設備上電時，硬件調用user_main.c中的main()函數，對platform.c模塊進行調用，platform.c模塊初始化函數中先調用config模塊，檢查是否已配置wifi熱點信息，並嘗試聯網，第一次運行或嘗試聯網超時失敗，或用戶點擊相關按鈕事件時，會觸發platform模塊調用smartlink模塊進入等待用戶配對狀態。當聯網成功時，network.c調用iot-mqtt模塊嘗試鏈接MQTT代理並訂閱相關主題，由此進入正常運行狀態。

//TODO

源代碼

設備端-源代碼和設備商雲端-源代碼 已上傳
設備商雲端 https://github.com/fightfa/weixin-java-mp-demo-springmvc
設備端 https://github.com/fightfa/SmartHome

參考文獻

[1].微信硬件平臺
[2].基於MQTT協議的物聯網通訊系統的研究與實現姚丹
[3].基於MQTT物聯網消息推送系統姜妮
[4].基於ZigBee與MQTT的物聯網網關通訊框架的設計與實現_譚方勇
[5].EMQ官方文檔：http://emqtt.com/docs/v2/index.html
[6].姜 妮 張 宇 趙志軍.基於MQTT物聯網消息推送系統.網絡新媒體技術(第3卷第6期) 2014,11
[7].微信硬件雲官方文檔：http://iot.weixin.qq.com/wiki/new/index.html?page=1-2 姚 丹，謝雪松，楊建軍.基於 MQTT 協議的物聯網通訊系統的研究與實現. 信息通訊(159期) 2016，03 [8].微信硬件平臺AirKiss3.0開發文檔 [9].微信公衆測試號接口與權限開發文檔 [10].ESP8266EX 技術規格表 [11].Windows環境下搭建MosQuitto服務器 - CSDN博客 [12].Airkiss智能配置上網 - CSDN博客