基于MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳方案研究

姚麗麗

摘 要：伴隨著云計(jì)算技術(shù)、移動(dòng)端技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在云服務(wù)器上的部署已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。MQTT作為一種基于訂閱/發(fā)布模型的輕量級(jí)即時(shí)通信協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中得到了廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的MQTT設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致故障時(shí)段數(shù)據(jù)缺失，使得業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不完整。為此，文中研究了一種基于MQTT協(xié)議的斷點(diǎn)續(xù)傳設(shè)計(jì)方案解決此類問題。

關(guān)鍵詞：MQTT;通信協(xié)議;斷點(diǎn)續(xù)傳;Json;網(wǎng)關(guān);物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

伴隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，目前越來越多的云服務(wù)器（Elastic Compute Service，ECS）在市場(chǎng)出現(xiàn)，主要代表有阿里云、華為云、天翼云、金山云等。云服務(wù)器（ECS）具有網(wǎng)絡(luò)部署、靈活擴(kuò)展、節(jié)約成本、方便維護(hù)、公網(wǎng)IP自帶等特點(diǎn)。為了解決由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分散而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)部署困難、移動(dòng)端應(yīng)用必須公網(wǎng)部署、終端需要等問題，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)也部署到了云服務(wù)器上。

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是一種基于訂閱/發(fā)布模型的輕量級(jí)即時(shí)通信協(xié)議，符合物聯(lián)網(wǎng)的通信要求，目前，其已在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。耿錫濤對(duì)MQTT協(xié)議在電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究[2]，給出了基于MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)溫度在線實(shí)時(shí)采集的設(shè)計(jì)方案。劉佳利用MQTT協(xié)議對(duì)城市水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)[3]。MQTT本身的設(shè)計(jì)理念為即時(shí)通信，目前的研究與應(yīng)用也都集中在即時(shí)通信上。若傳輸層網(wǎng)關(guān)、代理服務(wù)器、平臺(tái)端服務(wù)器以及中間傳輸網(wǎng)絡(luò)任何一方在某個(gè)時(shí)段出現(xiàn)故障，采用常規(guī)的MQTT進(jìn)行即時(shí)通信將導(dǎo)致故障時(shí)段數(shù)據(jù)缺失，使得業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不完整。為了解決此類問題，本文給出了一種基于MQTT的數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳設(shè)計(jì)方案。

1 MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用介紹

MQTT協(xié)議是一種基于訂閱/發(fā)布數(shù)據(jù)傳輸模型的通信協(xié)議，MQTT服務(wù)代理作為服務(wù)端，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)端和下方網(wǎng)關(guān)端都屬于客戶端[4]。在正常設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)都無故障的情況下，MQTT可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信，當(dāng)發(fā)布端發(fā)送消息到達(dá)服務(wù)端后，訂閱端可立即接收已訂閱主題的消息。

基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)關(guān)和傳感器之間一般利用RS 485線連接，采用如Modbus，DL645等串口協(xié)議通信[5]，也可以采用LoRa等無線連接;網(wǎng)關(guān)與平臺(tái)端可采用有線、GPRS、無線等方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，采用MQTT協(xié)議通信。

MQTT通過主題對(duì)消息進(jìn)行分類，為了避免消息干擾，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)針對(duì)每一網(wǎng)關(guān)設(shè)置兩個(gè)主題，其中一個(gè)主題作為網(wǎng)關(guān)端，用于發(fā)送數(shù)據(jù)，平臺(tái)端接收數(shù)據(jù);另一個(gè)作為平臺(tái)端，用于發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)端接收數(shù)據(jù)。若一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中有n個(gè)網(wǎng)關(guān)，則主題數(shù)目需要設(shè)置2n個(gè)。對(duì)于每一個(gè)網(wǎng)關(guān)來說，需要訂閱一個(gè)主題，發(fā)布一個(gè)主題;而平臺(tái)端需要訂閱n個(gè)網(wǎng)關(guān)端發(fā)布的主題和發(fā)布n個(gè)針對(duì)不同網(wǎng)關(guān)的主題。

MQTT提供了三種服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）機(jī)制[6]。其中，QoS0為只發(fā)送一次;QoS1為至少發(fā)送一次;QoS2為剛好發(fā)送一次。這三種服務(wù)質(zhì)量的控制都是針對(duì)發(fā)布端和中間代理服務(wù)之間的通信質(zhì)量，對(duì)于代理服務(wù)和訂閱者之間的通信則不做考慮。

2 即時(shí)MQTT報(bào)文規(guī)約設(shè)計(jì)

2.1 報(bào)文格式

Json是一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)交換格式，它具有層次結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、良好的自我描述、生成解析方便、讀寫速度快等特點(diǎn)。故本文采用Json格式確定物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的報(bào)文規(guī)約。

報(bào)文規(guī)約中的具體標(biāo)識(shí)定義：CMD：報(bào)文類型;PN：網(wǎng)關(guān)編碼;State：狀態(tài);Direction：傳輸方向;Value：終端采集設(shè)備數(shù)據(jù);DataType：數(shù)據(jù)類型。

2.2 報(bào)文類型

借助電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類，物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類分為遙測(cè)、遙信、遙脈和遙設(shè)四大類。

遙測(cè)：指?jìng)鬏數(shù)淖兞恐?，如電壓、電流、瞬時(shí)流量等，一般來說，該類數(shù)據(jù)時(shí)刻都在發(fā)生變化，且具有限值的告警存在。在數(shù)據(jù)上送過程中，該類數(shù)據(jù)除了進(jìn)行全上送外，可以給定幅度進(jìn)行變化上送。

遙信：傳輸?shù)臓顟B(tài)信息用0和1表示，如合閘狀態(tài)、機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)等。一般來說，該類數(shù)據(jù)只要狀態(tài)發(fā)生變化，則需要立即上送。

遙脈：指?jìng)鬏數(shù)睦塾?jì)量，如電度、累計(jì)流量等，該類數(shù)據(jù)與遙測(cè)數(shù)據(jù)的最主要區(qū)別是該類數(shù)據(jù)是累計(jì)上升的數(shù)值，無限值。

遙設(shè)：平臺(tái)端下方給終端設(shè)備的設(shè)置命令可以是0和1的狀態(tài)控制，也可以是數(shù)值型設(shè)置，如空調(diào)溫度設(shè)置等。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)種類的應(yīng)用傳輸功能，CMD報(bào)文類型可根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型等的不同給定相應(yīng)設(shè)置：00，遙設(shè);01，全遙測(cè);02，變化遙測(cè);03，全遙信;04，變化遙信;05，全遙脈。

2.3 規(guī)約傳輸內(nèi)容

不考慮斷點(diǎn)續(xù)傳，在即時(shí)通信的情況下，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的平臺(tái)端和網(wǎng)關(guān)端分別傳輸?shù)膬?nèi)容見表1所列，主要包括即時(shí)發(fā)送的消息和定時(shí)發(fā)送的消息。全遙測(cè)、全遙信和全遙脈數(shù)據(jù)設(shè)置為網(wǎng)關(guān)端定時(shí)上送，即每固定周期間隔之后上送一次。對(duì)于變化遙測(cè)，為了避免上送頻繁，可設(shè)置變化幅度，如變化幅度大于1%，則上送;對(duì)于遙信而言，只要發(fā)生變位，都需要立即上送;遙設(shè)消息由平臺(tái)端在業(yè)務(wù)應(yīng)用的觸發(fā)下即時(shí)發(fā)送，網(wǎng)關(guān)端接收到消息后立即下發(fā)給控制裝置，控制裝置執(zhí)行后，網(wǎng)關(guān)可將執(zhí)行結(jié)果以遙信突變的方式或者遙測(cè)突變的方式上送到平臺(tái)端。

3 斷點(diǎn)續(xù)傳方案設(shè)計(jì)

MQTT的數(shù)據(jù)傳輸涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，如果傳輸層網(wǎng)關(guān)、代理服務(wù)器、平臺(tái)端服務(wù)器以及中間傳輸網(wǎng)絡(luò)任何一方在某個(gè)時(shí)段出現(xiàn)故障，采用常規(guī)的MQTT進(jìn)行即時(shí)通信將導(dǎo)致故障時(shí)段數(shù)據(jù)缺失。為了保證業(yè)務(wù)應(yīng)用的完整性，當(dāng)故障修復(fù)后，故障期間的數(shù)據(jù)能夠繼續(xù)上送，本文設(shè)計(jì)了一種基于MQTT的斷點(diǎn)續(xù)傳設(shè)計(jì)方案。

斷點(diǎn)續(xù)傳方案設(shè)計(jì)的思想是基于發(fā)送數(shù)據(jù)端在確定接收端可以接收到數(shù)據(jù)的情況下發(fā)送數(shù)據(jù);否則，不發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)暫存。

由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)端僅發(fā)送一些控制消息，因此在發(fā)送消息前可以利用MQTT的遺囑方式獲得網(wǎng)關(guān)的在線狀態(tài)而反饋。數(shù)據(jù)發(fā)送主要集中在網(wǎng)關(guān)端，故斷點(diǎn)續(xù)傳針對(duì)網(wǎng)關(guān)端設(shè)計(jì)，平臺(tái)端獲取斷點(diǎn)續(xù)傳數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析處理即可。

本文給出的斷點(diǎn)續(xù)傳設(shè)計(jì)方案如下：

（1）規(guī)定平臺(tái)端每一分鐘發(fā)送一次心跳（此處心跳也可用MQTT遺囑實(shí)現(xiàn)），當(dāng)網(wǎng)關(guān)端接收到平臺(tái)端發(fā)送來的心跳時(shí)，表示當(dāng)前平臺(tái)端、代理服務(wù)端、網(wǎng)關(guān)端及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好，設(shè)置平臺(tái)在線狀態(tài)為1，設(shè)置上次通信時(shí)間等于當(dāng)前時(shí)間;

（2）對(duì)于平臺(tái)端的離線機(jī)制，每隔一分鐘進(jìn)行一次狀態(tài)檢測(cè)，若當(dāng)前時(shí)間與上次通信時(shí)間之差大于規(guī)定有效通斷時(shí)間，則設(shè)置平臺(tái)在線狀態(tài)為0;

（3）在得知平臺(tái)端在線離線狀態(tài)的情況下，網(wǎng)關(guān)端的斷點(diǎn)續(xù)傳流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文提出的斷點(diǎn)續(xù)傳方案已成功應(yīng)用到本公司的DMFS-9000蜜云綜合能源管控平臺(tái)中，目前已部署到多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，滿足斷線故障后的數(shù)據(jù)續(xù)傳業(yè)務(wù)需求。

DMFS-9000蜜云綜合能源管控平臺(tái)網(wǎng)關(guān)端采用DMF-330X系列數(shù)據(jù)集中器作為網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，MQTT代理服務(wù)器安裝在集中業(yè)務(wù)云平臺(tái)。

圖3所示為網(wǎng)關(guān)端MQTT的服務(wù)配置程序，采集規(guī)約支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus，DL645等，可進(jìn)行即時(shí)開發(fā)插件擴(kuò)展，對(duì)規(guī)約采用本文介紹的含有數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳的MQTT協(xié)議。

圖4所示為帶有斷點(diǎn)續(xù)傳功能的MQTT協(xié)議的平臺(tái)端的接收解析應(yīng)用程序。圖5所示為業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)的展示界面。

為了進(jìn)一步說明本文提出的帶有斷點(diǎn)續(xù)傳功能的MQTT協(xié)議對(duì)于業(yè)務(wù)應(yīng)用的必要性，同時(shí)搭建之前無斷點(diǎn)續(xù)傳功能的平臺(tái)和帶有斷點(diǎn)續(xù)傳功能的平臺(tái)，網(wǎng)關(guān)和代理服務(wù)只有一個(gè)，代理服務(wù)與兩個(gè)平臺(tái)不在同一臺(tái)服務(wù)器上，兩個(gè)平臺(tái)同時(shí)訂閱網(wǎng)關(guān)的發(fā)布數(shù)據(jù)主題。在6：20時(shí)分別將兩個(gè)平臺(tái)和代理服務(wù)之間的網(wǎng)絡(luò)斷開，8：50時(shí)恢復(fù)，其結(jié)果如圖6和圖7所示。無斷點(diǎn)續(xù)傳功能的平臺(tái)在6：20和8：50之間數(shù)據(jù)缺失，而含有斷點(diǎn)續(xù)傳功能的平臺(tái)在6：20和8：50之間的數(shù)據(jù)是完整的。

5 結(jié) 語

MQTT協(xié)議由于其開源、可靠、輕巧、簡(jiǎn)單、低功耗的特點(diǎn)，已然成為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議發(fā)展的趨勢(shì)。由于MQTT本身設(shè)計(jì)思想是給定一種即時(shí)通信，在很多物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或平臺(tái)端故障問題，業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)將缺失。為了解決發(fā)布端無故障，而代理服務(wù)器、平臺(tái)端或者中間任意傳輸網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，當(dāng)故障修復(fù)后，故障期間的數(shù)據(jù)能夠繼續(xù)上送平臺(tái)，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的完整性，本文提出的基于MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成功應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，得到了客戶的廣泛認(rèn)可。

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