物联网网关开发：基于MQTT消息总线的设计步骤之一
发布时间：2021-06-07 16:59:04 所属栏目：交互 来源：互联网
导读：一、前言 在上一篇中，我们聊了在一个嵌入式系统中，如何利用MQTT消息总线在各进程之间进行通信。 这样的通信模型，我之前已经在多个项目中应用过，对于非工控产品来说，通信速度完全足够。我以前做过测试，在x86平台和ARM平台，一条数据从本地到云端绕一下
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一、前言
在上一篇中，我们聊了在一个嵌入式系统中，如何利用MQTT消息总线在各进程之间进行通信。
这样的通信模型，我之前已经在多个项目中应用过，对于非工控产品来说，通信速度完全足够。我以前做过测试，在x86平台和ARM平台，一条数据从本地到云端绕一下，然后再回到本地，可以控制在毫秒级别。
上篇文章只是简单的介绍了这样的一种设计思路，并没有详细的讨论其中的一些细节问题。这一次，我们就来具体的聊一聊物联网系统中的网关内部程序应该如何设计。
阅读这篇文章，你可以有如下收获：
物联网系统中，设备之间是如何通信的;
网关中的进程之间消息总线通信模型;
网关内部消息总线上的数据如何与服务器进行通信;
作为消遣，了解一下物联网系统中的一些基本知识;
二、网关的作用
物联网这个词语的范畴太广，似乎所有的硬件设备，只要能够接入网络，就可以称之为物联网产品，似乎物联网这个词可以把一切都纳入到其中。
这么空洞的词语不利于我们的讲解，因此我们就用一个可以感知、想象的场景来代替，那就是智能家居系统，这是最能代表物联网时代的典型产品了。
2.1 指令转发
在一个智能家居系统中，假设有这么几个设备：
这些设备的通信模块，如果是 WiFi 或者是蓝牙，那么一般都可以直接通过手机来控制(当然，需要厂家提供相应的手机 APP)，手机就相当于一个中心节点，控制着所有的设备。
目前市面上的一些智能设备单品都是这样的通信方式，例如：空调、吸尘器、空气净化器、冰箱等等。只要在这些设备中加一个无线通信模块即可(例如：ESP8266模块)。
如果通信模块是其它的通信模块，例如：RF433、ZigBee、ZWave等，由于手机没有这些通信模块，因此就需要一个网关来“转发”指令。
手机和网关都连接到家中的路由器，处于同一个局域网中，手机把控制指令发送给网关，网关再把指令转发给相应的设备。通信模型如下：
2.2 外网通信
在上面的通信模型中，手机和网关由于处于同一个局域网中，因此可以直接通信。如果手机不在局域网中呢?那么就要通过云端的服务器来转发了，通信模型如下：
手机把指令发到服务器;
服务器把指令转发给网关;
网关把指令发给指定的设备;
以上描述的是控制指令的流程，如果是设备发出的报警信息呢，数据的流向就是反向进行的。
可以看出，网关是所有设备之间通信的中心节点，也是内网与外网之间通信的中转节点，也就是把各种智能设备连接到互联网的中转器。
2.3 协议转换
上面已经提到，硬件设备上的通信模块都是确定的(RF，ZigBee，ZWave等等)，一般来说，可以把这些通信模块称呼为无线通信协议。在一套智能家居系统中，所有设备的无线通信协议大部分都是相同的。
那么，不同类型的无线通信协议设备是否可以共存在同一个系统中呢?
答案是：可以。只要在网关中，集成了相应的无线通信协议模块就可以达到这个目的!如下图所示：
从手机APP上看，所有的设备都是相同的，不会关心设备的无线通信协议是什么，因此，发出的控制指令都是协议无关的。
当网关接收到控制指令时，首先根据指令内容查找出目标设备，然后确定目标设备的无线通信协议，最后把指令发送给对应的硬件通信模块，由该通信模块通过无线电信号把控制指令发送到设备。
从这个指令的传输过程来看，网关就充当着协议转换的角色。
另外还有一种通信场景：当系统中的一个“输入”设备与一个“输出”设备进行绑定/关联时，例如：
红外感应器与声光报警器绑定：当红外感应器监测到人体时，发出信号，然后控制声光报警器发出报警;
门磁与灯绑定：当开门时，门磁发出信号，自动打开灯光;
如果“输入”设备与“输出”设备是不同类型的无线通信协议，也需要网关来进行协议转换。
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