李松濤

(河南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,河南 鄭州 451191)

0 引言

在早期的設(shè)備中，大多使用串口與控制器進(jìn)行通信，而控制器對(duì)串口設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取，一般采用輪詢的方式，在對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的場合，這種方式無法有效地滿足系統(tǒng)要求[1-3],串口參數(shù)一旦配置完成，無法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制，控制器不僅能快速獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，還要求通過網(wǎng)絡(luò)與云平臺(tái)通信。由于串口控制器功能比較單一，如果需要連接外網(wǎng)，還要配置通信模塊，且編程復(fù)雜，系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性也不能滿足實(shí)際使用的要求。

針對(duì)這些問題，本文提出一種動(dòng)態(tài)可配置串口物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行可配置、可插拔的OSGi(Open Services Gateway initiative)插件，插件實(shí)現(xiàn)多個(gè)串口設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和通信功能。由于OSGi插件具有動(dòng)態(tài)和并行的特性，與網(wǎng)關(guān)相連的串口設(shè)備可以獨(dú)立、并行地與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)關(guān)運(yùn)行通信模塊，對(duì)通信數(shù)據(jù)遵循消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)協(xié)議進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并將來自不同串口設(shè)備的數(shù)據(jù)封裝成消息的形式，發(fā)布到不同的主題上。

1 Kura平臺(tái)及插件機(jī)制

Kura是Eclipse基金會(huì)發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，用于構(gòu)建IoT(Internet of Things)網(wǎng)關(guān)框架。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。Kura由基本服務(wù)、遠(yuǎn)程連接服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)配置、用戶管理界面等模塊組成。它支持基于事件的消息通信機(jī)制，可以在不同組件之間通過事件進(jìn)行通信。Kura可在樹莓派等多種硬件平臺(tái)上部署。

圖1 Kura體系架構(gòu)

Kura使用OSGi技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊設(shè)計(jì)和管理。OSGi基于構(gòu)件的軟件設(shè)計(jì)方法和面向服務(wù)的模塊化設(shè)計(jì)思想，定義了一個(gè)開放、統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)[4]。OSGi采用層次結(jié)構(gòu)，其中OSGi內(nèi)核框架、bundle(插件)和服務(wù)是其核心要素。插件是OSGi框架下模塊化設(shè)計(jì)的主要體現(xiàn)。在形式上，插件就是一個(gè)Jar文件，OSGi所有基本服務(wù)和功能模塊，都是通過插件實(shí)現(xiàn)的。插件之間實(shí)現(xiàn)物理隔離，系統(tǒng)運(yùn)行期可以遠(yuǎn)程安裝、啟動(dòng)、升級(jí)和卸載，實(shí)現(xiàn)軟件熱插拔、多版本控制。

利用插件的動(dòng)態(tài)模塊化、面向服務(wù)架構(gòu)等特性[5]，用戶可以很方便地創(chuàng)建自己的功能插件，并集成到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能，可根據(jù)需要對(duì)功能模塊擴(kuò)展[6-7]。

2 MQTT協(xié)議

MQTT是一種基于TCP/IP的議通信協(xié)議，為低帶寬、不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[8]。由于其在網(wǎng)絡(luò)連接、可靠性、靈活性及成本等方面突出的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用，成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。MQTT協(xié)議使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息分發(fā)服務(wù)。MQTT協(xié)議由客戶端和代理服務(wù)器兩部分組成，代理服務(wù)器主要完成消息路由功能，它連接了多個(gè)客戶端，客戶端是消息的發(fā)布者和接收者。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件如圖2所示，網(wǎng)關(guān)采用開源硬件樹莓派3B。樹莓派集成四個(gè)USB接口和WiFi模塊,可以直接通過USB接口與底層設(shè)備連接，若連接設(shè)備數(shù)量較多，也可以使用USB-hub對(duì)串口擴(kuò)展。樹莓派使用WiFi與MQTT消息代理服務(wù)器連接。將串口獲取的數(shù)據(jù)上傳到云端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備端到云端的數(shù)據(jù)傳送。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

由于網(wǎng)關(guān)與底層設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的USB串口連接，同時(shí)與云端的通信也是基于WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)網(wǎng)關(guān)的硬件連接基于標(biāo)準(zhǔn)化的接口，系統(tǒng)擴(kuò)展和連接都很方便，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件整體框架

軟件設(shè)計(jì)基于Kura框架，采用符合OSGi4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的模塊化設(shè)計(jì)，用Java語言編程實(shí)現(xiàn)[9]。每一個(gè)bundle可以獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)和部署。插件根據(jù)需要調(diào)用OSGi和Kura提供的基礎(chǔ)服務(wù)。軟件整體框架如圖3所示。

圖3 軟件整體框架

插件需要實(shí)現(xiàn)的主要功能是與串口設(shè)備的連接和與云端服務(wù)器的通信，這兩部分功能分別由串口bundle和通信bundle具體實(shí)現(xiàn)。其次，還需要實(shí)現(xiàn)插件的動(dòng)態(tài)配置和可視化管理以及插件之間的通信。

(1)串口bundle。串口bundle實(shí)現(xiàn)與多路串口設(shè)備連接，并根據(jù)串口設(shè)備的不同動(dòng)態(tài)配置串口通信數(shù)據(jù)格式、波特率等參數(shù)，串口bundle還要支持設(shè)備的熱插拔和在線升級(jí)。

(2)通信bundle。根據(jù)數(shù)據(jù)來源不同，通信bundle按照不同的主題將數(shù)據(jù)以消息的形式發(fā)送到MQTT代理服務(wù)器。

(3)插件的可視化管理。bundle需要實(shí)現(xiàn)ConfigurableComponent接口，調(diào)用Kura框架提供的可配置服務(wù)，配置參數(shù)來自XML文件。

(4)網(wǎng)關(guān)連接的串口可動(dòng)態(tài)設(shè)置。網(wǎng)關(guān)支持多串口設(shè)備同時(shí)連接到一個(gè)網(wǎng)關(guān)，每一個(gè)串口的參數(shù)信息可以動(dòng)態(tài)改變，包括串口名稱、波特率等。且要求在串口設(shè)備工作時(shí)動(dòng)態(tài)完成不同設(shè)備之間的切換，即實(shí)現(xiàn)所謂的熱插拔。

(5)串口bundle與通信bundle之間的通信。插件之間的通信采用基于事件的實(shí)時(shí)通信。串口bundle將實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)以事件的方式發(fā)送給通信bundle。

3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

(1)串口bundle

串口bundle需要與底層串口設(shè)備連接，由于不同設(shè)備的波特率及數(shù)據(jù)格式各異，在設(shè)計(jì)插件時(shí)，必須將串口bundle設(shè)計(jì)成可動(dòng)態(tài)可配置的。串口bundle的功能實(shí)現(xiàn)，需要調(diào)用OSGi容器和Kura框架提供的一些功能插件，如圖4所示。串口bundle主要依賴連接服務(wù)和事件管理服務(wù)。同時(shí)，它也提供可配置服務(wù)，供Web管理程序使用。串口bundle啟動(dòng)時(shí)，引用一個(gè)連接服務(wù)的實(shí)例，建立與串口設(shè)備的邏輯連接。隨后讀取串口配置文件，串口配置參數(shù)作為插件的元數(shù)據(jù)，以XML文件的形式保存，串口bundle根據(jù)這些參數(shù)設(shè)置串口的工作模式。為實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)收發(fā)，在串口bundle中啟動(dòng)一個(gè)新線程用來監(jiān)聽串口，接收來自串口設(shè)備的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被封裝成事件，每一個(gè)事件與一個(gè)主題相關(guān)聯(lián)，對(duì)于通信bundle來說，這個(gè)主題也是區(qū)分不同串口bundle的一個(gè)主要依據(jù)。借助于事件管理服務(wù)，由OSGi容器負(fù)責(zé)事件的路由分發(fā)。

由于插件繼承了可配置接口，可對(duì)外發(fā)布ConfigurableComponent服務(wù)，當(dāng)插件激活后，插件的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)在Web管理界面，通過可視化界面可以對(duì)串口插件的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。同時(shí)，插件的生命周期也可以在這里統(tǒng)一管理。

(2)通信bundle

通信bundle基于Kura內(nèi)置的MQTT service，根據(jù)連接MQTT代理服務(wù)器的不同可以在可視化界面中配置MQTT服務(wù)代理的參數(shù)。通信bundle接收來自串口bundle的事件。通過解析事件的主題，提取出來自串口bundle的數(shù)據(jù)，并根據(jù)事件主題，建立相應(yīng)的消息主題，程序流程圖如圖5所示。

圖5 消息處理插件流程圖

(3)插件間通信

插件之間的通信使用事件實(shí)現(xiàn)，這是一種松耦合的通信方式，最大限度地減少了插件之間的依賴性。OSGi提供了事件管理服務(wù)，如圖6所示。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，插件需要應(yīng)用OSGi框架內(nèi)置的事件管理服務(wù)。管理服務(wù)采用發(fā)布/訂閱模型。事件發(fā)布者將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成事件的形式，并以特定的主題向外發(fā)布。由OSGi框架對(duì)事件進(jìn)行管理，將事件向所有訂閱該主題的訂閱者發(fā)布。訂閱者實(shí)現(xiàn)事件監(jiān)聽接口，接收特定主題，對(duì)事件進(jìn)行解析，獲得發(fā)布者發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖6 事件管理服務(wù)模型

事件管理服務(wù)以聲明的方式注入，需要在bundle配置文件添加以下內(nèi)容。

cardinality="1..1"

interface="org.osgi.service.event.EventAdmin"

name="EventAdmin"

policy="static"

unbind="unbind"/>

在bind和unbind方法中就可以獲取事件管理服務(wù)的實(shí)例并通過postEvent()和handleEvent()發(fā)布和接收事件。

(4)插件的動(dòng)態(tài)配置和可視化管理

為符合底層設(shè)備遷移及參數(shù)變化的需要，將插件設(shè)計(jì)為可熱插拔形式，用戶可通過可視化管理界面管理插件的生命周期，對(duì)插件的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，這些操作可以在插件運(yùn)行時(shí)實(shí)施?？紤]到插件的倚賴性，同一個(gè)插件的不同版本可以同時(shí)運(yùn)行。

插件的配置信息主要是串口的屬性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)定義為元數(shù)據(jù)(Metadata)，并在配置文件中設(shè)置其默認(rèn)值或可選項(xiàng)，也可以由用戶根據(jù)需要設(shè)置。首先建立XML格式元數(shù)據(jù)文件，文件中定義了每一個(gè)參數(shù)的Id、Name、Type、Cardinality、Tequired、Default等信息。這些信息最終以可視化的形式顯示在管理界面，如圖7所示。

圖7 動(dòng)態(tài)設(shè)置串口設(shè)備及參數(shù)界面

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試環(huán)境

網(wǎng)關(guān)硬件使用開源硬件平臺(tái)Raspberry Pi，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。Kura框架采用4.1版本，測試時(shí)同時(shí)連接了四個(gè)USB串口設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備工作在不同的波特率下。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置，使用PC在局域網(wǎng)內(nèi)與網(wǎng)關(guān)連接，登錄Web服務(wù)器進(jìn)入管理界面對(duì)插件進(jìn)行可視化管理。使用WMQTT-utility客戶端訂閱云端數(shù)據(jù)。

4.2 功能測試

通信bundle根據(jù)串口數(shù)據(jù)的來源不同將數(shù)據(jù)發(fā)布到不同的主題上，可以選擇不同的MQTT代理服務(wù)器將消息發(fā)布到局域網(wǎng)或云端。這里測試了兩種不同的代理服務(wù)器設(shè)置，分別是Kura內(nèi)置的Apache ActiveMQ Artemis代理服務(wù)器和Eclipse提供的MQTT測試代理服務(wù)器。測試結(jié)果表明，在兩種不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，插件都能夠很好地工作，數(shù)據(jù)接收界面如圖8所示。

圖8 客戶端接收數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種動(dòng)態(tài)可配置多路串口的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)軟硬件都基于開源項(xiàng)目，具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)快捷、使用靈活等特點(diǎn)。解決了網(wǎng)關(guān)與早期設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)問題，在快速網(wǎng)關(guān)原型設(shè)計(jì)中具有一定的實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)的插件設(shè)計(jì)方法，也為未來網(wǎng)關(guān)兼容更多的底層設(shè)備和通信協(xié)議提供了一種有效的方法。