通过物联网管理多台MQTT设备-基于米尔T527开发板

 

本篇测评由电子工程世界的优秀测评者“JerryZhen”提供。

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本文将介绍基于米尔电子MYD-LT527开发板的网关方案测试。

一、系统概述

基于米尔-全志 T527设计一个简易的物联网网关，该网关能够管理多台MQTT设备，通过MQTT协议对设备进行读写操作，同时提供HTTP接口，允许用户通过HTTP协议与网关进行交互，并对设备进行读写操作。

二、系统架构

1. 网关服务：基于FastAPI框架构建的Web服务，提供HTTP接口。
2. MQTT客户端：负责与MQTT设备通信，管理设备连接、消息发布和订阅。
3. 设备管理：维护一个设备列表，记录设备的基本信息和状态。

数据存储：使用内存或数据库存储设备数据，确保数据持久化。

三、组件设计

MQTT组件：

• 负责与MQTT broker建立连接。
• 订阅设备主题，接收设备发送的消息。

发布消息到设备，实现远程控制。

设备管理组件：

• 维护一个设备列表，记录设备的唯一标识符（如设备ID）、MQTT主题、连接状态等信息。

提供设备增删改查的方法。

HTTP组件：

• 基于FastAPI定义HTTP接口。
• 接收用户请求，调用MQTT组件和设备管理组件进行相应操作。

返回操作结果给用户。

四、接口设计

设备列表：

• GET /devices：返回所有设备的列表。
• POST /devices：添加新设备到网关。

DELETE /devices/{device_id}：从网关中删除指定设备。

设备详情：

GET /devices/{device_id}：返回指定设备的详细信息。

设备数据：

• GET /devices/{device_id}/data：获取指定设备的最新数据。

POST /devices/{device_id}/data：发送数据到指定设备。

设备控制：

POST /devices/{device_id}/control：发送控制命令到指定设备。

五、数据结构设计

设备信息：

• 设备ID (device_id)：唯一标识设备的字符串。
• MQTT主题 (mqtt_topic)：设备在MQTT broker上的主题。
• 连接状态 (connection_status)：表示设备是否在线的布尔值。

其他设备属性（如名称、描述等）。

设备数据：

• 设备ID (device_id)：关联设备信息的设备ID。
• 时间戳 (timestamp)：数据发送或接收的时间。

数据内容 (data)：设备发送或接收的具体数据，可以是JSON格式或其他格式。

六、安全性考虑

• 使用HTTPS协议提供安全的HTTP通信。
• 实现用户认证和授权机制，确保只有授权用户可以访问和操作设备。

对于敏感操作（如删除设备），要求用户进行二次确认或提供额外的安全措施。

七、部署与扩展

• 使用Docker容器化部署网关服务，便于管理和扩展。

根据需要，可以水平扩展网关实例以处理更多的设备连接和请求。

八、实现步骤

1. 安装所需的Python库：fastapi, uvicorn, paho-mqtt等。
2. 创建FastAPI应用并定义路由。
3. 实现MQTT组件，包括与MQTT broker的连接、订阅、发布等功能。
4. 实现设备管理组件，维护设备列表并提供增删改查的方法。
5. 实现HTTP组件，调用MQTT组件和设备管理组件处理用户请求。
6. 编写测试代码，验证网关的各项功能是否正常工作。

部署网关服务并监控其运行状态。

该设计方案仅仅是概述，具体实现细节可能需要根据实际需求和项目环境进行调整和优化。在实际开发中，还需要考虑异常处理、日志记录、性能优化等方面的问题。基于上述设计方案，以下是一个简化版的参考代码，展示了如何使用FastAPI和paho-mqtt库来创建一个物联网网关。需要注意，示例中不包含完整的错误处理、用户认证和授权机制，这些在实际生产环境中都是必不可少的。依赖的主要库版本：

fastapi==0.108.0

paho-mqtt==1.6.1

 

网关模拟代码gateway.py：

•  

from fastapi import FastAPI, HTTPException, Body, status from paho.mqtt.client import Client as MQTTClientfrom typing import List, Dict, Any import asyncio import json app = FastAPI() mqtt_client = None device_data = {} 
subtopic="gateway/device/#"
# MQTT回调函数 def on_message(client, userdata, msg): payload = msg.payload.decode() topic = msg.topic device_id = topic.split('/')[-1] device_data[device_id] = payload print(f"Received message from {device_id}: {payload}") # MQTT连接和订阅 def mqtt_connect_and_subscribe(broker_url, broker_port): global mqtt_client mqtt_client = MQTTClient() mqtt_client.on_message = on_message mqtt_client.connect(broker_url, broker_port, 60) mqtt_client.subscribe(subtopic) mqtt_client.loop_start() # MQTT发布消息 async def mqtt_publish(topic: str, message: str): if mqtt_client is not None and mqtt_client.is_connected(): mqtt_client.publish(topic, message) else: print("MQTT client is not connected!") # 设备管理：添加设备 @app.post("/devices/", status_code=status.HTTP_201_CREATED) async def add_device(device_id: str): device_data[device_id] = None return {"message": f"Device {device_id} added"} # 设备管理：获取设备列表 @app.get("/devices/") async def get_devices(): return list(device_data.keys()) # 设备管理：获取设备数据 @app.get("/devices/{device_id}/data") async def get_device_data(device_id: str): if device_id not in device_data: raise HTTPException(status_code=status.HTTP_404_NOT_FOUND, detail=f"Device {device_id} not found") return device_data.get(device_id) # 设备管理：发送数据到设备 @app.post("/devices/{device_id}/data") async def send_data_to_device(device_id: str, data: Dict[str, Any] = Body(...)): topic = f"devices/{device_id}" message = json.dumps(data) await mqtt_publish(topic, message) return {"message": f"Data sent to {device_id}"} # 设备控制：发送控制命令到设备 @app.post("/devices/{device_id}/control") async def control_device(device_id: str, command: str): topic = f"devices/device/{device_id}" await mqtt_publish(topic, command) return {"message": f"Control command sent to {device_id}"} # FastAPI启动事件 @app.on_event("startup") async def startup_event(): mqtt_connect_and_subscribe("127.0.0.1", 1883) # FastAPI关闭事件 @app.on_event("shutdown") async def shutdown_event(): if mqtt_client is not None: mqtt_client.loop_stop() mqtt_client.disconnect() # 运行FastAPI应用 if __name__ == "__main__": import uvicorn     uvicorn.run(app, host="127.0.0.1", port=8000)   

 

 
 

设备1模拟代码 dev1.py：

•  

import paho.mqtt.client as mqtt
# 连接成功回调def on_connect(client, userdata, flags, rc): print('Connected with result code '+str(rc)) client.subscribe('devices/1')
# 消息接收回调def on_message(client, userdata, msg): print(msg.topic+" "+str(msg.payload)) client.publish('gateway/device/1',payload=f'echo {msg.payload}',qos=0)
client = mqtt.Client()
# 指定回调函数client.on_connect = on_connectclient.on_message = on_message
# 建立连接client.connect('127.0.0.1', 1883)# 发布消息client.publish('gateway/device/1',payload='Hello, I am device',qos=0)
client.loop_forever()

 设备2模拟代码 dev2.py

•  

import paho.mqtt.client as mqtt# 连接成功回调def on_connect(client, userdata, flags, rc): print('Connected with result code '+str(rc)) client.subscribe('devices/2')# 消息接收回调def on_message(client, userdata, msg): print(msg.topic+" "+str(msg.payload)) client.publish('gateway/device/2',payload=f'echo {msg.payload}',qos=0)client = mqtt.Client()# 指定回调函数client.on_connect = on_connectclient.on_message = on_message# 建立连接client.connect('127.0.0.1', 1883)# 发布消息client.publish('gateway/device/2',payload='Hello, I am device',qos=0)client.loop_forever()

 运行网关代码，打开网页得到api接口：  通过api分别添加设备1和设备2， 在另外两个控制台中分别运行模拟设备1和模拟设备2的代码通过网页API向设备1发送数据 通过网页API获得设备回复的数据，设备代码中只是简单的把网关发过来的数据进行回传 我们在网关的后台可以看到完整的数据流 至此一个简易的网关已经实现了，接下来将会尝试实现楼宇里的最常见的bacnet设备进行通讯管理。