俞為 崔佳冬

摘 要：為改進藍牙Mesh設(shè)備無法進行遠程控制與管理的缺點，設(shè)計并實現(xiàn)了基于分布式服務(wù)器的遠程控制平臺。根據(jù)分布式特點將平臺拆分為注冊中心、路由網(wǎng)關(guān)、Mesh設(shè)備管理服務(wù)、Mesh控制服務(wù)和WebSocket服務(wù)5個模塊。注冊中心用于管理其它模塊，路由網(wǎng)關(guān)用于分發(fā)請求到下游服務(wù)器中，Mesh設(shè)備管理服務(wù)用于查看Mesh設(shè)備信息，Mesh控制服務(wù)用于處理控制指令，WebSocket服務(wù)用于實現(xiàn)對Mesh設(shè)備的控制。測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)集群設(shè)計方式相比，分布式設(shè)計方式的平均TPS（每秒事務(wù)處理量）提高了約3.3倍，平均響應(yīng)時間縮短了約3/4，請求成功率提高了1.92%。

關(guān)鍵詞：Mesh;遠程控制;分布式服務(wù)器;WebSocket

DOI：10. 11907/rjdk. 191562 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0039-05

英標：Design and Implementation of Bluetooth Mesh Device Remote Control Platform

英作：YU Wei，CUI Jia-dong

英單：（School of Electronics & Information， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：In order to improve the shortcomings of remote control and management of Bluetooth Mesh devices， a remote control platform based on distributed server is designed and implemented. According to the distributed characteristics， the platform is divided into five modules： registration center， routing gateway， Mesh device management service， Mesh control service and WebSocket service. The registration center is used to manage other modules. The routing gateway is used to distribute requests to downstream servers. The Mesh device management service is used to view information about Mesh devices. The Mesh control service is used to process control commands. The WebSocket service is used to control Mesh devices. The test results show that compared with the traditional cluster design method， the average TPS（Transaction Per Second） is increased by about 3.3 times， the average response time is shortened by about 3/4， and the request success rate is increased by 1.92%.

Key Words： Mesh; remote control; distributed server; WebSocket

0 引言

藍牙Mesh技術(shù)最早是在2014年由CSR劍橋大學(xué)研發(fā)團隊提出的，當時僅提出了私有協(xié)議（CSR Mesh）。2017年7月19日，藍牙技術(shù)聯(lián)盟正式宣布藍牙技術(shù)開始全面支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[1]，制定了藍牙Mesh的標準協(xié)議（SIG Mesh）[2]。全新的SIG Mesh技術(shù)可支持設(shè)備多對多傳輸[3]，使其更加適用于樓宇自動化、無線傳感器等需要讓數(shù)萬個設(shè)備在安全、可靠、穩(wěn)定環(huán)境下進行信息傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)解決方案[4]。雖然SIG Mesh技術(shù)可以使整個應(yīng)用的通信覆蓋面積增大，但整個應(yīng)用無法接入到互聯(lián)網(wǎng)中，只能在樓宇范圍內(nèi)進行控制，無法實現(xiàn)遠程控制與統(tǒng)一管理[5]，極大限制了其應(yīng)用范圍，所以需要設(shè)計開發(fā)一個針對藍牙Mesh應(yīng)用的遠程控制平臺。

傳統(tǒng)控制平臺采用單機或集群服務(wù)器設(shè)計方式，雖然后者可以利用Nginx[6-7]的負載均衡原理，使其并發(fā)量相比前者明顯提升，但其本質(zhì)仍是將所有業(yè)務(wù)都部署在一臺服務(wù)器上，每臺服務(wù)器并發(fā)量并沒有任何提升，并且當某個服務(wù)出現(xiàn)錯誤時，整臺服務(wù)器都會癱瘓，無法實現(xiàn)平臺的高并發(fā)和高可用。藍牙Mesh應(yīng)用一般用于樓宇與大型商場中，具有高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量的特點，而傳統(tǒng)控制平臺設(shè)計方式無法滿足該應(yīng)用場景。針對以上特點，本文提出一個基于分布式服務(wù)器的遠程控制平臺[8]，將各個相對完整的業(yè)務(wù)拆分成獨立模塊，并部署在不同服務(wù)器上[9- 10]，使每臺服務(wù)器需要處理的業(yè)務(wù)相對較少，以提高控制平臺的并發(fā)量和可用性。

1 系統(tǒng)總體框架

如圖1所示，系統(tǒng)不再只有藍牙一種通信方式，而是在原有藍牙Mesh應(yīng)用基礎(chǔ)上添加了網(wǎng)關(guān)、分布式服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫和瀏覽器部分，實現(xiàn)了一個遠程控制平臺。手機APP可通過原有藍牙通信方式進行控制[11]，也可以通過HTTP請求訪問服務(wù)器，再由服務(wù)器通過WebSocket[12-14]通信下發(fā)指令到網(wǎng)關(guān)，最終實現(xiàn)遠程控制。瀏覽器可通過HTTP請求訪問服務(wù)器，再由服務(wù)器訪問MySQL數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)對設(shè)備信息的遠程查看功能。

2 分布式服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)

本文控制平臺是基于分布式服務(wù)器的，如圖2所示為分布式服務(wù)器設(shè)計框架，共有5個模塊，分別是注冊中心[15]、路由網(wǎng)關(guān)[16]、Mesh設(shè)備管理服務(wù)、Mesh控制服務(wù)與WebSocket服務(wù)[17]。在注冊中心、Mesh設(shè)備管理服務(wù)和Mesh控制服務(wù)3個重要模塊中還增添了集群形式，以保證每個模塊在一臺服務(wù)器崩潰時不會受到影響，從而提高了控制平臺的可用性。

2.1 注冊中心設(shè)計與實現(xiàn)

注冊中心在整個分布式服務(wù)器中的作用是管理其它模塊及提供其它模塊的IP與端口。所有模塊都需要在注冊中心進行注冊（上傳模塊IP、端口與模塊名稱到注冊中心），注冊完成后，每個模塊需要每隔30s向注冊中心發(fā)送心跳請求，若注冊中心90s內(nèi)沒有收到心跳請求，則認為該模塊出現(xiàn)故障。當模塊1需要調(diào)用模塊2的服務(wù)時，模塊1會根據(jù)模塊2的模塊名稱從注冊中心得到相應(yīng)IP和端口，通過得到的IP和端口實現(xiàn)對模塊2服務(wù)的調(diào)用。表1為各模塊在注冊中心注冊的信息表。

本文注冊中心采用Eureka[18]集群形式。從圖2中可以看出有兩個Eureka充當注冊中心，它們之間的相互注冊可以使注冊信息同步。其它模塊需要配置這兩個注冊中心的IP和端口，模塊會尋找一個正常運行的注冊中心進行注冊，所以當其中一個注冊中心無法使用時，整個平臺并不會受到影響，因而提高了平臺的可用性。其它模塊在注冊中心注冊配置如下：

spring：

application：

//注冊時的模塊名稱

name：xxx

eureka：

client：

service-url：

//配置兩個注冊中心

defaultZone：http：//xxx/eureka/，http：//xxx/eureka/

2.2 路由網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

路由網(wǎng)關(guān)在整個分布式服務(wù)器中的作用是接收用戶所有請求與路由分發(fā)請求，用戶所有請求都會經(jīng)過路由網(wǎng)關(guān)。根據(jù)請求路徑，路由網(wǎng)關(guān)對照自己配置的路由表獲得需要轉(zhuǎn)發(fā)的模塊名稱，再從注冊中心中獲得對應(yīng)IP和端口，最后完成請求轉(zhuǎn)發(fā)。本文采用Zuul組件充當網(wǎng)關(guān)[19]。

例如當前有請求118.24.110.30/meshmanage/ login，則該請求首先經(jīng)過Zuul路由網(wǎng)關(guān)，通過查看路由表可以發(fā)現(xiàn)該請求需要轉(zhuǎn)發(fā)到模塊名為mesh-manage的服務(wù)器上，即請求路徑為mesh-manage/login，再從注冊中心中獲取mesh-manage的信息?？梢詮谋?看出mesh-manage已有兩臺服務(wù)器進行了注冊，分別是39.106.119.55：1112和106.12.196.14：1112，此時真正要轉(zhuǎn)發(fā)的請求路徑為39.106.119.55：1112/login或106.12.196.14：1112/login。由于兩臺服務(wù)器都可以處理服務(wù)，所以Zuul路由網(wǎng)關(guān)會自動進行負載均衡，以保證轉(zhuǎn)發(fā)到每臺服務(wù)器的請求數(shù)基本相同。路由表配置如下：

zuul：

routes：

manage：

path： /meshmanage/**

//Mesh設(shè)備管理模塊路由配置

serviceId： mesh-manage

control：

path： /meshcontrol/**

//Mesh控制模塊路由配置

serviceId： mesh-control

2.3 業(yè)務(wù)模塊設(shè)計與實現(xiàn)

Mesh設(shè)備管理服務(wù)、Mesh控制服務(wù)和WebSocket服務(wù)3個模塊屬于業(yè)務(wù)模塊。Mesh設(shè)備管理服務(wù)模塊接收指令查詢請求，并通過查詢MySQL數(shù)據(jù)庫獲得網(wǎng)關(guān)信息（已綁定的網(wǎng)關(guān)MAC地址、綁定網(wǎng)關(guān)對應(yīng)用戶、該網(wǎng)關(guān)下綁定設(shè)備數(shù)）或設(shè)備信息（設(shè)備的DeviceID，設(shè)備綁定對應(yīng)網(wǎng)關(guān)及用戶，設(shè)備所實現(xiàn)的Model與設(shè)備訂閱組地址）返回給用戶。Mesh控制服務(wù)模塊接收控制指令請求，并調(diào)用WebSocket服務(wù)模塊完成控制指令操作，最后對綁定信息進行MySQL數(shù)據(jù)庫存儲。WebSocket服務(wù)模塊通過WebSocket協(xié)議實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的長連接，并可實時下發(fā)指令操作網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)關(guān)下的設(shè)備[20]。同時WebSocket服務(wù)模塊也提供接口供Mesh控制服務(wù)模塊調(diào)用。平臺業(yè)務(wù)模塊如圖3所示，業(yè)務(wù)中涉及的專有標識符如表2所示。

業(yè)務(wù)操作流程如圖4所示，值得注意的是，Mesh控制服務(wù)模塊需要調(diào)用WebSocket服務(wù)模塊才能完成相應(yīng)業(yè)務(wù)，所以需要在分布式處理中實現(xiàn)模塊與模塊之間的調(diào)用。

本文采用ribbon+restTemplate[21]組件實現(xiàn)這種調(diào)用，調(diào)用原理即上文所述的模塊1調(diào)用模塊2的原理。具體調(diào)用程序如下：

//調(diào)用WebSocket服務(wù)獲得未綁定的設(shè)備

List devUUIDs = restTemplate.getForObject （“http：//MESH-WEBSOCKET/getAllUnbindDevice？gwID=” + gwID， List.class）;

3 測試與分析

3.1 性能測試

（1） 測試環(huán)境。本文測試中使用的服務(wù)器性能參數(shù)如表3所示。

由于需要對采用分布式設(shè)計方式與集群設(shè)計方式的服務(wù)器進行性能比較，所以分別對兩種設(shè)計方式進行測試，兩種設(shè)計方式測試環(huán)境對比如表4所示。

測試并發(fā)人數(shù)采用階梯遞增方式。并發(fā)用戶初始值為100人，每過30s人數(shù)增加100人，一直增加到1 000人結(jié)束，每個用戶每500ms發(fā)送一次請求模擬真實環(huán)境。并發(fā)人數(shù)設(shè)置如表5所示。

（2） 測試工具。測試工具使用騰訊的壓測大師，這是一款專業(yè)且方便的壓測工具。只要給出并發(fā)人數(shù)設(shè)置與需要測試的請求路徑，該工具就會自動進行壓力測試并得到測試結(jié)果。

（3） 測試內(nèi)容。測試內(nèi)容有平臺的平均TPS（每秒事務(wù)處理量）、平臺平均響應(yīng)時間以及請求成功率。

（4） 測試結(jié)果。分布式設(shè)計方式測試結(jié)果如圖5所示，集群設(shè)計方式測試結(jié)果如圖6所示。

（5） 結(jié)果分析。從圖5、圖6中發(fā)現(xiàn)本文介紹的分布式設(shè)計方式相比集群設(shè)計方式，平均TPS提高了約3.3倍，平均響應(yīng)時間縮短了約3/4，請求成功率提高了1.92%?？傮w來看，分布式設(shè)計方式遠優(yōu)于集群設(shè)計方式，更適合應(yīng)用于藍牙Mesh設(shè)備遠程控制平臺。

3.2 功能測試

3.2.1 手機APP遠程功能測試

測試功能有掃描網(wǎng)關(guān)、綁定網(wǎng)關(guān)、掃描設(shè)備、綁定設(shè)備與設(shè)備控制。手機APP遠程功能測試圖如圖7所示，圖7左半部分表明，手機APP可以對網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)下的設(shè)備進行遠程掃描與綁定。圖中掃描出兩個網(wǎng)關(guān)（用Mac地址表示），其中一個網(wǎng)關(guān)與用戶（用手機號表示）完成了綁定，在該綁定的網(wǎng)關(guān)下對設(shè)備進行掃描，可以發(fā)現(xiàn)有兩個設(shè)備，其中一個設(shè)備未綁定（用UUID表示），另一個完成了綁定（用DeviceID表示）;圖7右半部分表明，手機APP的Light Model遠程控制界面可實現(xiàn)開關(guān)控制、RGB燈顏色控制與冷暖燈亮度控制等功能。

3.2.2 瀏覽器遠程功能測試

測試功能有網(wǎng)關(guān)信息查詢與設(shè)備信息查詢。瀏覽器遠程功能測試圖如圖8所示，圖8上半部分表明，可以查看綁定的網(wǎng)關(guān)信息（包括綁定對應(yīng)用戶，以及在該網(wǎng)關(guān)下綁定的設(shè)備數(shù)量）;圖8下半部分表明，可以查詢某個具體網(wǎng)關(guān)下的綁定設(shè)備信息（包括設(shè)備DeviceID，綁定對應(yīng)網(wǎng)關(guān)及用戶，該設(shè)備實現(xiàn)的Model與該設(shè)備訂閱的組地址）。

4 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個藍牙Mesh設(shè)備遠程控制平臺，針對藍牙Mesh應(yīng)用高并發(fā)與大數(shù)據(jù)量的特點，平臺采用分布式設(shè)計方式，相比集群設(shè)計方式，該方式提高了平臺的并發(fā)量與請求成功率，縮短了平臺響應(yīng)時間。該平臺實現(xiàn)了對藍牙Mesh應(yīng)用的遠程管理與控制，彌補了藍牙Mesh的不足。未來該平臺還將針對藍牙Mesh的特點實現(xiàn)更加豐富的功能（例如對所有Model的遠程控制），以搭建一個更為通用的藍牙Mesh設(shè)備遠程控制平臺。

參考文獻：

[1] 迎九. 藍牙Mesh出臺，15.4等面臨挑戰(zhàn)[J].電子產(chǎn)品世界， 2017， 24（9）：79-80.

[2] 王熙. 藍牙m(xù)esh驅(qū)動創(chuàng)新打造安全可靠物聯(lián)網(wǎng)解決方案[J]. 通信世界， 2017 （25）：46.

[3] NEIL TYLER. The next frontier in mesh networking[J]. New Electronics， 2017， 50（14）：10.

[4] 程琳琳. 藍牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布mesh標準將提供多點互聯(lián)的工業(yè)級解決方案[J]. 通信世界， 2017 （21）：49.

[5] 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用編輯部. 藍牙技術(shù)聯(lián)盟開放網(wǎng)關(guān)架構(gòu)[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2016， 16（4）：9.

[6] LERNER R M. At the forge： Nginx[J]. Linux Journal， 2016.

[7] 林麗麗. 使用高性能Web服務(wù)器Nginx實現(xiàn)開源負載均衡[J]. 大眾科技， 2010 （7）：37-38

[8] CERNY T. Aspect-oriented challenges in system integration with microservices， SOA and IoT[J]. Enterprise Information Systems， 2018：1-23.

[9] 王方旭. 基于Spring Cloud和Docker的微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計[J]. 中國信息化， 2018 （3）：53-55.

[10] CHRISTOPH F S.Microservice based tool support for business process modelling[J]. Computing reviews， 2016， 57（8）：495-495.

[11] 錢建平，李曉兵，茅梅芳，等. 基于藍牙Mesh組網(wǎng)的智能燈絲燈產(chǎn)品設(shè)計[J]. 中國照明電器， 2018 （8）：25-29.

[12] WITTHAYAWIROJ N，NILAPHRUEK P. The development of smart home system for controlling and monitoring energy consumption using websocket protocol[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2017， 185（1）：012019.

[13] 陳淏，高守瑋，岳金冬. 基于WebSocket實時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]. 工業(yè)控制計算機，2016， 29（11）：33-34，36.

[14] 謝佳柏，陳賢祥，胡欣宇，等. 基于低功耗藍牙和WebSocket的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2016 （1）：76-78.

[15] 李春陽，劉迪，崔蔚，等. 基于微服務(wù)架構(gòu)的統(tǒng)一應(yīng)用開發(fā)平臺[J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用， 2017， 26（4）：43-48.

[16] 劉罡. 基于微服務(wù)架構(gòu)的汽車經(jīng)銷商管理系統(tǒng)[J]. 計算機應(yīng)用， 2018， 38（z2）：243-249.

[17] LIU W T. Research on the development of WebSocket server[J]. Advanced Materials Research， 2014， 886：4.

[18] 劉賢義，馮向陽，馮文和，等. 一種WEB應(yīng)用無縫接入分布式系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)[P]. 北京：CN108667925A， 2018-10-16.

[19] 張杰，司維超，王麗娜，等. 一種面向微服務(wù)的通用考核系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 計算機與數(shù)字工程，2018，46（12）：2463-2467，2533.

[20] PIMENTEL V，NICKERSON B G. Communicating and displaying real-time data with WebSocket[J]. IEEE Internet Computing， 2012， 16（4）：45-53.

[21] 丁振凡. Spring REST風格Web服務(wù)的Json消息封裝及解析研究[J]. 智能計算機與應(yīng)用， 2012 （2）：9-10.

（責任編輯：黃 ?。?/p>