MTQQ 物联网

这个是学校的SRP项目。去年12月做了大概3周。
直接摘个人总结报告如下：
在本次“学生研究计划”项目，研究课题是“基于JAVA的智能家居公众号”。根据课题要求之一：以微信作为媒介，实现智能设备的远程控制。为确定系统总体架构，我先是寻找到了微信硬件平台，并阅读其开发文档中介绍的三种方案，经过初步了解和后来的实际尝试，最终确定应该使用设备商云连接硬件云平台的方案。在设备端方面，我寻找到一种性价比高的wifi开发模块ESP8266，并了解到了乐鑫官网和安信可官网，找到了NONOS-SDK，并在微信硬件云平台找到相应airkiss静态库，接触到airkiss是微信关于物理网一键配置smartconfig技术的一种实现。刚开始先尝试微信硬件平台直连云方案，成功在ESP8266上运行与微信硬件云直接通信的代码系统。
接着寻找设备商云端的实现方案，发现物联网通信协议当前比较流行的有MQTT协议、COAP协议、uIP协议、google Weave协议等，经过一番摸索比较，最终选用了轻量级的MQTT协议，适用于低带宽、低功耗等设备条件环境，实现了异步通信消息队列，支持多层服务质量Qos，还有基于topic主题的消息过滤认证机制等特色。又摸索了解到不少开源MQTT代理服务器的实现，如Mosquito、rabbitmq mqtt、EMQ等，出于开源性、成熟性、可扩展性等方面的考虑，选用EMQ作为MQTT代理，并在本地尝试运行测试成功。
由于采用了MQTT作为物联网通信协议，而现有微信硬件平台与设备商云端的通信依然是基于HTTP的方式，这就需要我们在设备商云端实现一个web应用服务，支持接收微信硬件平台消息并转化为MQTT消息再发布到MQTT代理服务器上，并支持将订阅到的MQTT消息转化为HTTP消息发送回微信硬件云平台。于是学习了比较流行的SpingMVC开发框架和tomcat容器，并使用智能的IntelliJ IDEA开发环境进行代码开发部署和调试。
再学习微信公众号开发的接入方法，找到了github上的基于SpringMVC的Java-mp-demo项目，和eclipse的paho系列开源java项目中的MQTT客户端实现的项目，该项目未实现硬件平台相关的处理接口，于是在该项目基础上增加实现了微信到MQTT代理的中转服务。期间开发调试遇到各种问题，如配置servlet、bean、convertor等相关的坑。刚开始使用的是远程部署到阿里云服务器，在线调试的方式，发现log打印只能在远程服务器上查看太麻烦，于是找到ngrok技术，一种将对域名访问请求代理转发到自己本地电脑端口上再交由本地web服务处理的内网穿透映射的服务。这样在本地就能方便直接调试和查看log信息。
MQTT代理用的EMQ，其开发文档中有关与ACL访问控制的介绍，根据其原理，我设计了一套MQTT主题ACL访问控制机制，远期扩展还可开启EMQ的auth-mysql插件，实现更安全的用户系统。
在设备端移植了微信硬件云平台的直连云方案的DEMO代码，并移植了MQTT底层实现库。

架构图

 

 

如图所示，本项目主要分为微信客户端、微信硬件云、设备商云、设备端四大部分。为实现以微信为媒介远程控制智能设备，本项目采用微信硬件平台的“设备商云连接微信硬件云接入流程”方案，在微信硬件云与设备端两者通信间加入一层设备商云，实现数据的中转。其中微信绑定设备的操作使用微信硬件平台的Airkiss协议，实现设备端在无需自启AP热点的硬件条件下获取微信客户端传递的WIFI设置信息从而联网绑定。而设备商云与设备商的通信采用MQTT物联网协议方案，设备商云上使用MQTT代理服务器EMQ，并实现基于SpringMVC架构的IoT云服务器端的中转和处理服务，负责将从微信硬件云接收到的HTTP消息转化成MQTT消息并发布到EMQ上，并负责订阅相关主题，接收来自设备端发布上EMQ的异步消息并通过微信硬件云HTTP API接口上传给微信硬件云，由微信硬件云负责与微信客户端的通信。本方案使用的MQTT代理，亦可实现微信客户端上基于微信JDK的H5页面实现的自定义面板，直接与EMQ进行通信。

设备商云服务端设计

最主要是MQTT EMQ和微信公众号服务两部分。如下：

 

 

MQTT EMQ配置：

MQTT代理服务器EMQ的配置
（1）在EMQ软件目录下的etc/plugins/emq_auth_username.conf文件中，配置如下：

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

（2）在dashboard控制台网页上，开启auth-username认证插件。

（3）在EMQ软件目录下的etc/acl.conf中，设计如下ACL访问控制配置：

{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}.

设备商云端微信公众号web服务

具体图

 

 

本设备商云端微信公众号web服务项目底层使用springMVC框架+tomcat容器，并基于开源的java-mp-demo微信公众号项目进行扩展开发，实现的代码顶层包名为com.srpgroup.iot，分为6个模块： 其中mqtt.config包为初始配置文件模块、service包为服务模块（包含微信硬件云到Mqtt的中转服务Wx2MqttService和微信硬件云API接口服务WxIotDeviceService）、wx.bean包为微信硬件云API接口的数据模型，wx.controller为微信硬件平台通信入口，wx.handler包下为publisher包和subscriber包，分别处理来自微信硬件云和设备端的消息。

设备端设计代码框架图

 

 

如代码框架图所示，最底层是ESP-NONOS-SDK代码静态库，由乐鑫官网提供，中间层由三层模块组成 ，最上层为产品层模块，中间层的基本模块有airkiss库、mqtt库、json库和driver-key驱动库。其上层分别是与iot系统有关的四个模块如下：
 Smartlink模块：负责基于airkiss协议的配对发现功能；
 IOT-mqtt客户端模块：负责连接设备商云MQTT代理服务器；
 network模块：负责当前系统所处网络状态的处理的分配，由iot-platform进行回调；包括定时器中断，每隔一定时间检测并更新状态信息。
 config配置模块：负责存取配置信息；
再上层为Iot-platform模块，负责调度下层模块，并解耦product模块与iot基础模块间的联系。
最上层为应用层，分别有如下模块：
 user_main入口模块：负责运行初始化platform模块和其他无关iot系统的操作。
 product模块：各种产品功能可集中在此实现和扩展；
 user_key等其他模块：与硬件交互有关的其他功能，如user_key主要定义了负责开启airkiss的按键事件和开关灯等物理操作事件相关的函数。

流程分析：
当设备上电时，硬件调用user_main.c中的main()函数，对platform.c模块进行调用，platform.c模块初始化函数中先调用config模块，检查是否已配置wifi热点信息，并尝试联网，第一次运行或尝试联网超时失败，或用户点击相关按钮事件时，会触发platform模块调用smartlink模块进入等待用户配对状态。当联网成功时，network.c调用iot-mqtt模块尝试连接MQTT代理并订阅相关主题，由此进入正常运行状态。

//TODO

源代码

设备端-源代码和设备商云端-源代码 已上传
设备商云端 https://github.com/fightfa/weixin-java-mp-demo-springmvc
设备端 https://github.com/fightfa/SmartHome

参考文献

[1].微信硬件平台
[2].基于MQTT协议的物联网通信系统的研究与实现姚丹
[3].基于MQTT物联网消息推送系统姜妮
[4].基于ZigBee与MQTT的物联网网关通信框架的设计与实现_谭方勇
[5].EMQ官方文档：http://emqtt.com/docs/v2/index.html
[6].姜 妮 张 宇 赵志军.基于MQTT物联网消息推送系统.网络新媒体技术(第3卷第6期) 2014,11
[7].微信硬件云官方文档：http://iot.weixin.qq.com/wiki/new/index.html?page=1-2
姚 丹，谢雪松，杨建军.基于 MQTT 协议的物联网通信系统的研究与实现. 信息通信(159期) 2016，03
[8].微信硬件平台AirKiss3.0开发文档
[9].微信公众测试号接口与权限开发文档
[10].ESP8266EX 技术规格表
[11].Windows环境下搭建MosQuitto服务器 - CSDN博客
[12].Airkiss智能配置上网 - CSDN博客