Linux人工智能開發(fā)實例 課件 第5-7章 智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例-AI人臉智能識別Linux開發(fā)案例

第5章智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例

5.1Linux網(wǎng)關服務框架智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例網(wǎng)關(Gateway)又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉換器。網(wǎng)關在傳輸層上以實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，是最復雜的網(wǎng)絡互連設備，僅用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡互連。網(wǎng)關的結構也和路由器類似，不同的是互連層。網(wǎng)關既可以用于廣域網(wǎng)互連，也可以用于局域網(wǎng)互連。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，成為連接感知網(wǎng)絡與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的紐帶。作為網(wǎng)關設備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡與通信網(wǎng)絡，以及不同類型感知網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換．既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)．也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。此外物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關還需要具備設備管理功能，運營商通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備可以管理底層的各感知節(jié)點，了解各節(jié)點的相關信息，并實現(xiàn)遠程控制。相關功能如下1）廣泛的接入能力短距離通信的技術標準很多，包括ZigBee、6LowPAN、BLE、Wi-Fi等。各類技術主要針對某一應用展開，之間缺乏兼容性和體系規(guī)劃。國內、外已經(jīng)在展開針對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關進行標準化工作，如3GPP、傳感器工作組，實現(xiàn)各種通信技術標準的互聯(lián)互通。5.1.1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例2）可管理能力首先要對網(wǎng)關進行管理，如注冊管理、權限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關實現(xiàn)子網(wǎng)內的節(jié)點的管理，如獲取節(jié)點的標識、狀態(tài)、屬性、能量等，以及遠程實現(xiàn)喚醒、控制、診斷、升級和維護等。由于子網(wǎng)的技術標準不同，協(xié)議的復雜性不同，所以網(wǎng)關具有的管理性能力不同。提出基于模塊化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關方式來管理不同的感知網(wǎng)絡、不同的應用，保證能夠使用統(tǒng)一的管理接口技術對末梢網(wǎng)絡節(jié)點進行統(tǒng)一管理。5.1.1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關服務架構智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例3）協(xié)議轉換能力從不同的感知網(wǎng)絡到接入網(wǎng)絡的協(xié)議轉換、將下層的標準格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝、保證不同的感知網(wǎng)絡的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議可以識別的信令和控制指令。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關是一個中央數(shù)據(jù)轉換單元，基于傳統(tǒng)嵌入式技術，運行復雜的嵌入式操作系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感無線網(wǎng)數(shù)據(jù)與電信網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交互。智能網(wǎng)關采用嵌入式高性能ARM處理器，運行Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)M2M交互。5.1.1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關服務架構智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例一個基本的智云物聯(lián)項目系統(tǒng)模型如圖所示。（1）各種智能設備通過ZigBee（BLE、Wi-Fi、NB-IoT、LoRa和LTE）等無線傳感網(wǎng)絡聯(lián)系在一起，其中協(xié)調器/匯集器節(jié)點作為整個網(wǎng)絡的匯集中心；（2）協(xié)調器/匯集器與Linux網(wǎng)關進行交互，通過Linux網(wǎng)關上運行的服務程序，將傳感網(wǎng)與電信網(wǎng)和移動網(wǎng)進行連接，同時將數(shù)據(jù)推送給智云中心，也支持數(shù)據(jù)推送到本地局域網(wǎng)。（3）云平臺提供數(shù)據(jù)的存儲服務、數(shù)據(jù)推送服務、自動控制服務等深度的項目接口，本地服務僅支持數(shù)據(jù)的推送服務。（4）物聯(lián)網(wǎng)應用項目通過智云API進行具體應用的開發(fā)，能夠實現(xiàn)對傳感網(wǎng)內節(jié)點進行采集、控制、決策等。5.1.2智云物聯(lián)平臺智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例為了方便物聯(lián)網(wǎng)項目的學習和開發(fā)，本書根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡特性開發(fā)了一款專門用于數(shù)據(jù)收發(fā)調試的輔助開發(fā)和調試工具，工具可以通過無線節(jié)點的調試串口獲取節(jié)點當前配置的網(wǎng)絡信息。當協(xié)調器連接到xLabTools工具上時可以查看網(wǎng)絡信息和該協(xié)調器所組建的網(wǎng)絡下的節(jié)點反饋的信息，并能夠通過調試窗口向網(wǎng)絡內各節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；將終端節(jié)點或路由節(jié)點連接到xLabTools工具上時可以實現(xiàn)對終端節(jié)點數(shù)據(jù)的監(jiān)測，并能夠通過工具向協(xié)調器發(fā)送指令。5.1.3平臺開發(fā)調試工具xLabTools調試工具智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例ZCloudTools是一款無線傳感網(wǎng)綜合分析測試工具，提供網(wǎng)絡拓撲圖、數(shù)據(jù)包分析、傳感器信息采集和控制、傳感器歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。ZCloudTools調試工具界面如左圖所示。除了Android端調試工具外，同時還開發(fā)了PC端調試工具，PC端調試工具為ZCloudWebTools，該工具可直接在PC的瀏覽器上運行，功能于ZCloudTools工具類似。ZCloudWebTools工具界面如右圖所示。5.1.3平臺開發(fā)調試工具ZCloudTools協(xié)議工具智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試ZigBee網(wǎng)絡1.ZigBee網(wǎng)絡參數(shù)ZigBee作為一種可中繼，覆蓋范圍廣泛，接入節(jié)點眾多的無線網(wǎng)絡技術，其所構建的網(wǎng)絡勢必會有眾多的節(jié)點，這些節(jié)點的識別與定位都是ZigBee網(wǎng)絡所要關注的技術重點。ZigBee采用的網(wǎng)絡區(qū)分與識別方法是設置ZigBee的網(wǎng)絡CHANNEL（網(wǎng)絡信道號），在相同CHANNEL下通過PANID（網(wǎng)絡ID）來區(qū)別網(wǎng)絡。當一個ZigBee節(jié)點將CHANNEL和PANID信息與已有的ZigBee網(wǎng)絡信息設置相同時，這個ZigBee節(jié)點可以接入到已有的ZigBee網(wǎng)絡。在ZigBee網(wǎng)絡內部Coordinator（協(xié)調器）和Router（路由）通過分配的ShortAddr（短地址）實現(xiàn)對節(jié)點的定位與識別。在ZigBee網(wǎng)絡外部，開發(fā)者可以通過每個ZigBee芯片所攜帶的全球唯一的MAC地址對Zigbee節(jié)點進行識別。下面對這四個參數(shù)進行說明：PANIDPANID是Zigbee的局域網(wǎng)ID，用于區(qū)分通信道下的其他網(wǎng)絡，節(jié)點通過PANID判斷自身所屬的網(wǎng)絡標識。PANID的參數(shù)可配置，其配置參數(shù)范圍從0x0000~0xFFFF?？苫ハ嗤ㄐ诺墓?jié)點之間PANID必須相同，且必須保證同一工作區(qū)域內的相鄰網(wǎng)絡PANID不同。MACMAC地址是一種是64位IEEE地址，這個64位的IEEE地址是一個全球唯一的地址，一經(jīng)分配就將跟隨設備一生。它通常由制造商或者被安裝時設置。這些地址由IEEE組織來維護和分配。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試ZigBee網(wǎng)絡ShortAddrShortAddr是一種16位的ZigBee網(wǎng)絡內部的網(wǎng)絡地址，這個16位網(wǎng)絡地址是當設備加入網(wǎng)絡后分配的，它在ZigBee局域網(wǎng)中是唯一的，用來在網(wǎng)絡中鑒別設備和發(fā)送數(shù)據(jù)。ZigBee節(jié)點在RFD模式下時直接使用內網(wǎng)點地址即可。CHANNELCHANNEL是ZigBee通信頻率設置的信道號，2.4G的ZigBee協(xié)議棧含有16個通信信道，中國地區(qū)分配的信道為：信道11（0x0b）~信道26（0x1a）。對于信道的設置通過一個4字節(jié)的32bit數(shù)據(jù)來標示，如果需要使能某個信道，就將信道對應bit的數(shù)據(jù)置為1即可。比如某個設備使用信道11，將其信道數(shù)據(jù)值設置為0x00000800,使用信道26則設置為0x04000000。同時ZigBee網(wǎng)絡允許設備使能多個信道。如果需要使能所有信道，設置CHANNEL為0x7fff800即可。ZigBee網(wǎng)絡只有在保證在相同的信道下才能考慮通信的可能性，如果信道不同則無法組網(wǎng)。信道號分配如圖所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試ZigBee網(wǎng)絡2.ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點類型ZigBee網(wǎng)絡的基礎主要包括設備類型，拓撲結構和路由方式三個方面的內容，ZigBee標準規(guī)定所有的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點分為Coordinator（協(xié)調器）、Router（路由）、EndDevice（終端）三種類型，節(jié)點類型只是網(wǎng)絡層的概念，反映了網(wǎng)絡的拓撲形式，而ZigBee網(wǎng)絡采用任何一種拓撲形式只是為了實現(xiàn)網(wǎng)絡中信息高效穩(wěn)定的傳輸，在實際的應用中不必關心ZigBee網(wǎng)絡的組織形式的，節(jié)點類型的定義和節(jié)點在應用中所起到的功能并不相關。三種網(wǎng)絡節(jié)點類型分析如下：Coordinator（協(xié)調器）不論ZigBee網(wǎng)絡采用何種拓撲方式，網(wǎng)絡中有一個并且只能有一個Coordinator節(jié)點，它在網(wǎng)絡層的任務是：選擇網(wǎng)絡所使用的頻率通道、建立網(wǎng)絡并將其它節(jié)點加入網(wǎng)絡、提供信息路由、安全管理和其它的服務。Coordinator在系統(tǒng)初始化時起重要作用，某些應用中網(wǎng)絡初始化完成后，即使關閉了Coordinator節(jié)點，網(wǎng)絡仍然可正常工作，但若Coordinator在應用層提供一些服務，就必須持續(xù)的處于工作狀態(tài)。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試ZigBee網(wǎng)絡Router（路由）如果ZigBee網(wǎng)絡采用了樹形和星形拓撲結構就需要用到Router這種類型的節(jié)點，負責數(shù)據(jù)的路由，路由建立由ZigBee協(xié)議的算法決定，它入網(wǎng)后可以加入其它Router節(jié)點，也可以加入?yún)f(xié)調器，是網(wǎng)絡遠距離延伸的必要部件。此類節(jié)點的主要功能是：發(fā)送和接收節(jié)點自身信息；在節(jié)點之間轉發(fā)信息；容許子節(jié)點通過他加入網(wǎng)絡。EndDevice（終端）EndDevice節(jié)點的主要任務就是發(fā)送和接收信息，不能夠轉發(fā)信息也不能夠讓其他人加入網(wǎng)絡。通常一個EndDevice節(jié)點不處在數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)的時候可進入休眠狀態(tài)以節(jié)省耗電。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試ZigBee網(wǎng)絡ZigBee網(wǎng)絡架構ZigBee作為一種短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線網(wǎng)絡技術，它是介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案，在傳感器網(wǎng)絡等領域應用非常廣泛，這得益于它強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種ZigBee網(wǎng)絡，可以根據(jù)實際項目需要來選擇合適的ZigBee網(wǎng)絡結構，三種ZigBee網(wǎng)絡結構各有優(yōu)勢。星形拓撲星形拓撲是最簡單的拓撲形式如圖所示，包含一個Coordinator節(jié)點和一系列的EndDevice節(jié)點。每一個EndDevice節(jié)點只能和Coordinator節(jié)點進行通訊，在兩個EndDevice節(jié)點之間進行通訊必須通過Coordinator節(jié)點進行轉發(fā)。這種拓撲形式的缺點是節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個路徑。Coordinator（協(xié)調者）有可能成為整個網(wǎng)絡的瓶頸。實現(xiàn)星形網(wǎng)絡拓撲不需要使用ZigBee的網(wǎng)絡層協(xié)議，因為本身IEEE802.15.4的協(xié)議層就已經(jīng)實現(xiàn)了星形拓撲形式，但是這需要開發(fā)者在應用層作更多的工作，包括自己處理信息的轉發(fā)。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試ZigBee網(wǎng)絡樹形拓撲樹形拓撲結構如圖所示，Coordinator可以連接Router和EndDevice，其子節(jié)點的Router也可以連接Router和EndDevice，多個層級的樹形拓撲中，信息具有唯一路由通道，直接通信只可以在父節(jié)點與子節(jié)點之間進行，非父子關系的節(jié)點需間接通信。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試ZigBee網(wǎng)絡網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)狀拓撲如圖所示，具有靈活路由選擇方式，當某個路由路徑出現(xiàn)問題，信息可自動沿其它路由路徑進行傳輸。任兩個節(jié)點可相互傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可直接傳送或在傳輸過程中經(jīng)多級路由轉發(fā)，網(wǎng)絡層提供路由探索功能，使得網(wǎng)絡層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化路徑，應用層不需要任何參與，網(wǎng)絡會自動按照ZigBee協(xié)議算法選擇較好的路由路徑作為數(shù)據(jù)傳輸通道，以使得網(wǎng)絡更穩(wěn)定，通訊更有效率。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試

智能網(wǎng)關技術架構分析在整個物聯(lián)網(wǎng)技術架構中，智能網(wǎng)關屬于網(wǎng)絡層與平臺層交互的紐帶。感知層的無線節(jié)點采集數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)無線通信方式（ZigBee、藍牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、LTE）把數(shù)據(jù)傳送到智能網(wǎng)關，網(wǎng)關匯集數(shù)據(jù)后上傳到云服務器，云服務器對數(shù)據(jù)進行存儲加工，最后用戶終端通過云端接口去訪問數(shù)據(jù)，如圖所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試

智云物聯(lián)項目組網(wǎng)與測試ZigBee網(wǎng)絡構建過程：1）準備一個智能網(wǎng)關，若干ZigBee節(jié)點和傳感器。2）智能網(wǎng)關先上電啟動系統(tǒng)，此時ZigBee協(xié)調器根據(jù)程序設定的網(wǎng)絡參數(shù)建立ZigBee網(wǎng)絡。3）ZigBee節(jié)點上電啟動，根據(jù)程序設定的網(wǎng)絡參數(shù)開始搜尋網(wǎng)絡并入網(wǎng)。4）配置智能網(wǎng)關的網(wǎng)關服務程序，設置ZigBee傳感網(wǎng)接入到物聯(lián)網(wǎng)云平臺。5）通過應用軟件連接到設置的ZigBee項目，與ZigBee設備進行通信。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試

智云物聯(lián)項目組網(wǎng)與測試Linux網(wǎng)關配置：1）系統(tǒng)開機后Linux網(wǎng)關程序會自動啟動，點擊遠程服務/本地服務的啟動按鈕打開服務，成功后會顯示已連接，如左圖所示。2）若需要修改邊緣計算網(wǎng)關內置的ZigBee協(xié)調器節(jié)點的網(wǎng)絡參數(shù)，選擇“ZigBee”標簽頁，對PANID/CHANNEL進行修改，修改完成后重新勾選啟動選項，如右圖所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試

智云物聯(lián)項目組網(wǎng)與測試連接設備并組建ZigBee網(wǎng)絡：準備LiteB節(jié)點、傳感器，接上天線，再將連接有傳感器的LiteB節(jié)點上電（網(wǎng)絡紅燈閃爍后常亮表示加入網(wǎng)絡成功），如左圖所示。注意觀察每個節(jié)點上的節(jié)點網(wǎng)絡燈是否常亮，節(jié)點數(shù)據(jù)燈是藍色，有數(shù)據(jù)傳送時會閃爍，如右圖所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試

智云物聯(lián)項目組網(wǎng)與測試智能網(wǎng)關數(shù)據(jù)測試：當ZigBee設備組網(wǎng)成功，并且正確設置智能網(wǎng)關將數(shù)據(jù)連接到云端，此時可以通過ZCloudTools工具抓取和調試應用層數(shù)據(jù)。打開應用后，點擊右下角的功能菜單，通過掃描智能網(wǎng)關上云服務ID/KEY的二維碼輸入相同的帳號信息，連接到服務器，如左圖所示。ZCloudTools可查看網(wǎng)絡拓撲圖，了解設備組網(wǎng)狀態(tài)如右圖所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試

智云物聯(lián)項目組網(wǎng)與測試點擊界面上標注Sensor-B藍色的節(jié)點，可啟動Sensor-B的控制界面，操作不同的按鈕可對節(jié)點進行控制，如左圖所示。ZCloudTools可查看網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，并支持下行發(fā)送控制命令，如右圖所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試

智云物聯(lián)項目組網(wǎng)與測試xLabDemo智能家居測試通過Android設備掃描下述兩維碼，打開應用后選擇安裝里面的xLabDemo工具，如左圖所示。在ID/KEY設置界面，通過掃描智能網(wǎng)關ZXBeeGW軟件上分享的二維碼，連接到服務器，如右圖所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.1.4開發(fā)實踐：智能網(wǎng)關組網(wǎng)與測試

智云物聯(lián)項目組網(wǎng)與測試如果應用已經(jīng)連接到服務器，可以看到無線節(jié)點的MAC地址信息，如左圖所示。在“模式設置”界面可以切換自動與手動模式，在“自動”模式下用戶通過設置閾值，關聯(lián)的傳感器會根據(jù)閾值自動開關?！笆謩印蹦Ｊ綍r，用戶可以在“運營主頁”手動控制設備，如右圖所示。網(wǎng)絡視頻監(jiān)控Linux開發(fā)案例5.1.5小結了解了智能網(wǎng)關的概念、智云物聯(lián)平臺的框架，說明了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，平臺開發(fā)調試工具的使用。通過智云物聯(lián)網(wǎng)項目組網(wǎng)與測試學習，理解智能網(wǎng)關在整個物聯(lián)網(wǎng)項目中的功能作用，了解智云協(xié)議通信測試步驟。掌握智能網(wǎng)關功能需求設計，為后面的具體功能開發(fā)提供明確的設計目標。網(wǎng)絡視頻監(jiān)控Linux開發(fā)案例

5.1.6思考與拓展1、什么是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，網(wǎng)關的功能與作用是什么？2、ZigBee網(wǎng)絡組網(wǎng)參數(shù)有哪些？第5章

智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例

5.2Linux智能網(wǎng)關設計智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例1）接入能力設計智能網(wǎng)關支持以下常見無線通信協(xié)議，如ZigBee、BLE、Wi-Fi、LoRa和LTE。2）管理能力設計網(wǎng)關實現(xiàn)子網(wǎng)內的節(jié)點的管理，如獲取節(jié)點的標識、狀態(tài)、屬性、類型等，以及遠程實現(xiàn)節(jié)點的采集、控制、診斷、升級和維護等，如圖所示。5.2.1Linux智能網(wǎng)關系統(tǒng)分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例3）協(xié)議轉換能力設計從不同的感知網(wǎng)絡到接入網(wǎng)絡的協(xié)議轉換、將下層的標準格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝、保證不同的感知網(wǎng)絡的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議可以識別的信令和控制指令。無線ZigBee、BLE、Wi-Fi、LoRa、LTE等節(jié)點的底層通信協(xié)議、數(shù)據(jù)包各不相同，在智能網(wǎng)關中最后都通過上層ZXBee數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行處理。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關ZigBee通信原理如右圖所示。5.2.1Linux智能網(wǎng)關系統(tǒng)分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例1）串口通信程序設計串口的通信就是協(xié)調器與網(wǎng)關的通信過程，物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關集成ZigBee協(xié)調器，通過串口進行通信，雙方約定的串口參數(shù)設置（波特率：38400，數(shù)據(jù)位：8bit，奇偶校驗：無，停止位：1），如圖所示。5.2.2本地服務設計智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例2）串口數(shù)據(jù)解析程序設計網(wǎng)關協(xié)議解析程序就是對串口收到的數(shù)據(jù)提取，提取出對于用戶而言必要的信息（短地址和傳感器數(shù)據(jù)），如圖所示。5.2.2本地服務設計智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例3）地址轉換程序設計ZigBee是通過動態(tài)短地址通信，每次重建網(wǎng)絡地址會變，一般可以通過設備唯一的長地址進行轉換通信，如圖所示。地址緩存就是將收到的數(shù)據(jù)提取出短地址，然后查詢出對應的長地址，然后將長短地址的對應關系緩存起來。5.2.2本地服務設計智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例4）ZigBee綜合應用程序設計ZigBee綜合測試程序基于Linux串口可以完成對傳感器數(shù)據(jù)的采集和控制，如圖5.29所示。5.2.2本地服務設計智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例串口的通信就是協(xié)調器與網(wǎng)關的通信過程，物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關集成ZigBee協(xié)調器，通過串口進行通信，雙方約定的串口參數(shù)設置（波特率：38400，數(shù)據(jù)位：8bit，奇偶校驗：無，停止位：1），如圖所示。5.2.3協(xié)議解析服務設計

串口通信服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.3協(xié)議解析服務設計

串口通信服務設計分析串口數(shù)據(jù)測試程序流程圖串口讀寫智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.3協(xié)議解析服務設計

串口通信服務設計分析程序文件與函數(shù)功能列表如表所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.3協(xié)議解析服務設計

串口通信服務設計分析程序文件與函數(shù)功能列表如表所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.3協(xié)議解析服務設計

串口通信服務程序分析

協(xié)調器與網(wǎng)關通信協(xié)議（詳細串口通信源碼請查看文檔）協(xié)調器作為網(wǎng)關與ZigBee節(jié)點通信的中介，所以必須深刻理解協(xié)調器與網(wǎng)關的通信協(xié)議ZigBee設備組網(wǎng)后，通過協(xié)調器匯集數(shù)據(jù)，協(xié)調器通過串口與上位機通信。Zstack協(xié)議棧定義了協(xié)調器與上位機（網(wǎng)關）的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。1）串口設置波特率（38400bps），數(shù)據(jù)位（8bit），奇偶校驗（無），停止位（1）2）通信數(shù)據(jù)包格式通信數(shù)據(jù)包格式如表所示。標示幀頭長度命令數(shù)據(jù)校驗SOPLENCMDDATAFCS長度（B）112N1智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.3協(xié)議解析服務設計

串口通信服務程序分析

協(xié)調器與網(wǎng)關通信協(xié)議（詳細串口通信源碼請查看文檔）3）幀格式說明#數(shù)據(jù)幀說明：SOP:固定為0xFELEN:DATA的長度CMD:2900//上位機發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調器6900//協(xié)調器接收到正確指令后的響應幀6980//協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機4）協(xié)調器與網(wǎng)關的數(shù)據(jù)交互分析實例：

上位機向協(xié)調器發(fā)送查詢數(shù)據(jù)的指令：智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.3協(xié)議解析服務設計

協(xié)議解析服務設計分析

網(wǎng)關協(xié)議解析程序就是對串口收到的數(shù)據(jù)提取，提取出對于用戶而言必要的信息（短地址和傳感器數(shù)據(jù)），如圖所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.3協(xié)議解析服務設計

協(xié)議解析服務設計分析本項目程序文件和函數(shù)說明如表所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.3協(xié)議解析服務設計

協(xié)議解析服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.3協(xié)議解析服務設計

協(xié)議解析服務程序分析網(wǎng)關協(xié)議解析程序就是對串口收到的數(shù)據(jù)提取，提取出對于用戶而言必要的信息（短地址和傳感器數(shù)據(jù)）。通信數(shù)據(jù)實例（詳細協(xié)議分析源碼請查看文檔）智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.4地址緩存服務設計

長短地址轉換概述1）長地址與短地址的概念長地址（MAC地址）MAC地址是一種是64位IEEE地址，這個64位的IEEE地址是一個全球唯一的地址，一經(jīng)分配就將跟隨設備一生。它通常由制造商或者被安裝時設置。這些地址由IEEE組織來維護和分配。短地址（ShortAddr）ShortAddr是一種16位的ZigBee網(wǎng)絡內部的網(wǎng)絡地址，這個16位網(wǎng)絡地址是當設備加入網(wǎng)絡后分配的，它在ZigBee局域網(wǎng)中是唯一的，用來在網(wǎng)絡中鑒別設備和發(fā)送數(shù)據(jù)。ZigBee節(jié)點在RFD模式下時直接使用內網(wǎng)點地址即可。2）長短地址轉換原因局域網(wǎng)內，協(xié)調器與終端和路由節(jié)點交互數(shù)據(jù)采用隨機分配的短地址，網(wǎng)關將各種節(jié)點的數(shù)據(jù)上傳到服務器時必須使用長地址，以保證地址的唯一性。服務器里只有長地址的信息，服務器控制或者查詢節(jié)點，網(wǎng)關必須將服務器發(fā)送的長地址轉換為短地址，然后去控制節(jié)點。其中長地址轉化為短地址是靠發(fā)送短地址查詢命令來完成，短地址轉換為長地址亦是如此。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.4地址緩存服務設計

長短地址轉換概述3）長短地址查詢指令特殊數(shù)據(jù)幀說明：1）協(xié)調器給定的MAC地址，查詢網(wǎng)絡地址上位機向協(xié)調器發(fā)送查詢指令。DATA數(shù)據(jù)格式：02+NA（協(xié)調器網(wǎng)絡地址0000）+APP_CMD(0101)+APP_DATA（要查詢節(jié)點的MAC地址，8個字節(jié)）協(xié)調器返回數(shù)據(jù)，DATA數(shù)據(jù)格式：NA（協(xié)調器網(wǎng)絡地址0000）+APP_CMD(0101)+APP_DATA（要查詢節(jié)點的MAC地址，8個字節(jié)）+NA1（返回查詢到的節(jié)點網(wǎng)絡地址，2個字節(jié)）2）協(xié)調器根據(jù)給定的網(wǎng)絡地址，查詢MAC地址上位機向協(xié)調器發(fā)送查詢指令，DATA數(shù)據(jù)格式：02+NA（協(xié)調器網(wǎng)絡地址0000）+APP_CMD(0102)+APP_DATA（要查詢節(jié)點的網(wǎng)絡地址，2個字節(jié)）協(xié)調器返回數(shù)據(jù)，DATA數(shù)據(jù)格式：NA（協(xié)調器網(wǎng)絡地址0000）+APP_CMD(0102)+APP_DATA（要查詢節(jié)點的網(wǎng)絡地址，2個字節(jié)）+NA1(返回查詢到的節(jié)點MAC地址，8個字節(jié))智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.4地址緩存服務設計

長短地址轉換概述4）地址查詢指令舉例：上位機向協(xié)調器發(fā)送查詢網(wǎng)絡地址的指令上位機收到協(xié)調器發(fā)送過來網(wǎng)絡地址的數(shù)據(jù)（更多指令舉例請查看文檔）智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.4地址緩存服務設計

地址緩存服務設計分析ZigBee是通過動態(tài)短地址通信，每次重建網(wǎng)絡地址會變，一般可以通過設備唯一的長地址進行轉換通信。局域網(wǎng)內，協(xié)調器與終端和路由節(jié)點交互數(shù)據(jù)采用隨機分配的短地址，網(wǎng)關將各種節(jié)點的數(shù)據(jù)上傳到服務器時必須使用長地址，以保證地址的唯一性。服務器里只有長地址的信息，服務器控制或者查詢節(jié)點，網(wǎng)關必須將服務器發(fā)送的長地址轉換為短地址，然后去控制節(jié)點。其中長地址轉化為短地址是靠發(fā)送短地址查詢命令來完成，短地址轉換為長地址亦是如此。地址緩存就是將收到的數(shù)據(jù)提取出短地址，然后查詢出對應的長地址，然后將長短地址的對應關系緩存起來，網(wǎng)關直接從緩存里找到長地址對應的短地址，也不需要通過串口查詢就可以找到短地址了，大大提高效率。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.4地址緩存服務設計

地址緩存服務設計分析本項目文件和函數(shù)接口說明如表所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.4地址緩存服務設計

地址緩存服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.4地址緩存服務設計

地址緩存服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.4地址緩存服務設計

長短地址轉換程序設計（詳細分析源碼請查看文檔）

地址緩存服務程序設計1）地址緩存服務地址緩存就是將收到的數(shù)據(jù)提取出短地址，然后查詢出對應的長地址，然后將長短地址的對應關系緩存起來，這樣以后收到包含短地址的數(shù)據(jù)后，就可以不通過串口查詢來轉換為長地址，進而將長地址和對應的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌魃?，這是數(shù)據(jù)的上行過程。同樣當服務器發(fā)送一個長地址和命令給網(wǎng)關，網(wǎng)關直接從緩存里找到長地址對應的短地址，也不需要通過串口查詢就可以找到短地址了，這樣就可以提高效率了。2）地址緩存關系程序設計定義地址結構體typedefstruct_a{struct_a*next;unsignedshortnet_addr;charmac[8];}addr_t;

addr_t*pAddress=NULL;//結構體變量初始化智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例ZigBee綜合測試程序基于Linux串口可以完成對傳感器數(shù)據(jù)的采集和控制，設計如圖所示。程序框架總共分為兩部分：一部分是數(shù)據(jù)的封包（打包），一部分是數(shù)據(jù)的解包。其中封包就是輸入MAC地址和對應的命令，然后通過串口發(fā)送完整的命令給節(jié)點。解包就是將串口收到的傳感器信息以MAC地址和數(shù)據(jù)的形式解析出來。5.2.5數(shù)據(jù)處理服務設計

數(shù)據(jù)處理服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例本項目函數(shù)接口和說明如表所示。5.2.5數(shù)據(jù)處理服務設計

數(shù)據(jù)處理服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.5數(shù)據(jù)處理服務設計

數(shù)據(jù)處理服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.5數(shù)據(jù)處理服務設計

數(shù)據(jù)處理服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.5數(shù)據(jù)處理服務設計

數(shù)據(jù)處理服務程序設計

數(shù)據(jù)處理服務設計分析（僅展示部分代碼，詳細分析源碼請查看文檔）封包程序設計：理解解包程序設計主要是理解以下幾個關鍵函數(shù)voidproc_user(intfd){staticintoffset=0;staticcharbuf[BUFSIZE];inti,ret;

ret=read(fd,&buf[offset],BUFSIZE-offset);if(ret<0){perror("readuart");exit(1);}offset+=ret;if(buf[offset-1]=='\n'){buf[offset-1]='\0';if(strcmp(buf,"quit")==0){gQuit=1;//退出程序return;}else{

char*pdat=strstr(buf,",");if(pdat==NULL){printf("格式錯誤\n");offset=0;return;}*pdat++='\0';intlen=strlen(buf);if(len!=23){offset=0;printf("地址格式錯誤\n");return;}if(strlen(pdat)==0){offset=0;printf("發(fā)送數(shù)據(jù)長度不能為0\n");return;}printf("%s<<<%s\n",buf,pdat);zigbee_send_data(buf,pdat,strlen(pdat));}offset=0;}}智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.6開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關本地服務設計

串口通信服務設計1）把實驗目錄下面的uart-test文件夾通過MobaXterm軟件拷貝到開發(fā)板的/home/zonesion目錄下。2）輸入如下命令進入本節(jié)實驗目錄，ls命令查看當前文件夾內容test@rk3399:~$cduart-test/test@rk3399:~/uart-test$lsMakefileuart.cuart.huart-testuart-test.cutil.cutil.h3）輸入make，進行編譯，查看uart-test文件是否生成test@rk3399:~/uart-test$makegcc-static-pthreaduart.cutil.cuart-test.c-ouart-testtest@rk3399:~/uart-test$lsMakefileuart.cuart.huart-testuart-test.cutil.cutil.h4）輸入命令“./uart-test”，運行該程序test@rk3399:~/uart-test$./uart-test智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.6開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關本地服務設計

串口通信服務設計5）會出現(xiàn)如下信息，說明連接串口通信成功。test@rk3399:~/uart-test$./uart-testzigbeeuarttestprogramv0.1uart>>>FE0A698032FE00007B44313D307D516）數(shù)據(jù)分析：1）FE：幀頭（SOP）2）OA：數(shù)據(jù)長度（LEN）3）6980：協(xié)調器發(fā)送給上位機4）32FE：短地址（網(wǎng)絡地址）5）0000：正常數(shù)據(jù)命令6）7B44313D307D：傳感器數(shù)據(jù)7）51：校驗和智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.6開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關本地服務設計

協(xié)議解析服務設計1）將實驗目錄下的protol-test文件通過MobaXterm軟件拷貝到開發(fā)板的/home/zonesion目錄下面。2）然后輸入如下命令進入該目錄test@rk3399:~$cdprotol-test/test@rk3399:~/protol-test$lsMakefileprotol.hprotol-test.cuart.hutil.hprotol.cprotol-testuart.cutil.c3）輸入make指令，進行編譯test@rk3399:~/protol-test$makegcc-static-pthreaduart.cutil.cprotol.cprotol-test.c-oprotol-testprotol.c:Infunction‘mk_net_data’:protol.c:70:15:warning:implicitdeclarationoffunction‘calc_fcs’[-Wimplicit-function-declaration]pkg[9+len]=calc_fcs(&pkg[1],pkg_len-2);^智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.6開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關本地服務設計

協(xié)議解析服務設計4）查看是否生成protol-test文件test@rk3399:~/protol-test$lsMakefileprotol.cprotol.hprotol-testprotol-test.cuart.cuart.hutil.cutil.h5）輸入如下命令，運行程序test@rk3399:~/protol-test$./protol-test6）等待20秒左右，會出現(xiàn)如圖所示信息。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.6開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關本地服務設計

協(xié)議解析服務設計7）本節(jié)測試還提供了交互功能，即不單單能夠解析出數(shù)據(jù)，還可以通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點，來查詢節(jié)點上對應傳感器的狀態(tài)。在開發(fā)板終端界面按下回車鍵，輸入如下信息，“9027,0000,7B4F44313D36347D”，其中“9027”要根據(jù)自己節(jié)點的短地址來填寫，然后繼續(xù)回車，會出現(xiàn)如圖所示信息：功能協(xié)議指令指令Hex數(shù)據(jù)打開繼電器{OD1=64}7B4F44313D36347D關閉繼電器{CD1=64}7B4344313D36347D繼電器通信協(xié)議表智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.6開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關本地服務設計

地址緩存服務設計1）將實驗目錄下面的cache-test文件通過MobaXterm軟件或者U盤拷貝到開發(fā)板的/home/zonesion目錄下面，進入本節(jié)實驗目錄。test@rk3399:~/$cdcache-test/test@rk3399:~/cache-test$lscache-addr.cMakefileprotol.huart.hutil.hzigbee.hcache-addr.hprotol.cuart.cutil.czigbee.czigbee-test.c2）輸入make指令進行編譯test@rk3399:~/cache-test$makegcc-static-pthreaduart.cutil.cprotol.czigbee.ccache-addr.czigbee-test.c-ozigbee-test3）查看是否生成cache-test文件test@rk3399:~/work/cache-test$lscache-addr.cMakefileprotol.huart.hutil.hzigbee.hzigbee-test.ccache-addr.hprotol.cuart.cutil.czigbee.czigbee-test智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.6開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關本地服務設計

地址緩存服務設計4）運行cache-testtest@rk3399:~/work/cache-test$./zigbee-test5）等待20秒，可以看到串口終端打印出如下信息uart>>>FE0A6980128500007B44313D307D0Aprotol>>>1258,0000,7B44313D307Dprotol<<<0000,0102,1258uart<<<FE07290002000001021285B8uart>>>FE0169000068uart>>>FE0E698000000102128500124B0015D14907A0protol>>>0000,0102,128500124B0015D14907zigbee:1285--->00:12:4B:00:15:D1:49:07智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.6開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關本地服務設計

地址緩存服務設計6）繼續(xù)等待20秒，等待接收下一次數(shù)據(jù)，會出現(xiàn)如下信息uart>>>FE0A6980128500007B44313D307D0Aprotol>>>1285,0000,7B44313D307Dzigbee:1285--->00:12:4B:00:15:D1:49:077）接下來手動在終端輸入一個長地址，來查看對應的短地址是否被緩存。在終端輸入MAC地址，然后回車（說明：MAC地址一定要對應自己終端節(jié)點的，不要和實驗步驟的一樣。）00:12:4B:00:15:D1:49:078）可以看到串口會立即打印如下信息00:12:4B:00:15:D1:49:07correctmacaddrees:00:12:4B:00:15:D1:49:07zigbee_test:00:12:4B:00:15:D1:49:07--->1285智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.2.7小結學習了智能網(wǎng)關實現(xiàn)的接入能力、管理能力、協(xié)議轉換的設計，本地服務總體設計架構。通過協(xié)議解析服務分析與設計、地址緩存服務分析與設計、數(shù)據(jù)處理服務分析與設計三個部分的程序分析與實現(xiàn)，學習網(wǎng)關的本地服務編程實現(xiàn)。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例

5.2.8思考與拓展1、Linux網(wǎng)關本地服務具有哪些功能？2、描述協(xié)調器與網(wǎng)關通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式？第5章智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3Linux網(wǎng)關遠程服務設計智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例Linux網(wǎng)關的遠程服務設計，通過TCP網(wǎng)絡服務設計、MQTT數(shù)據(jù)服務設計、Linux網(wǎng)關協(xié)議設計3個功能步驟進行設計。1）TCP網(wǎng)絡服務設計網(wǎng)關收到串口的數(shù)據(jù)后可以通過UDP或者TCP服務將傳感器的MAC地址和傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌魃厦?，實現(xiàn)Zigbee數(shù)據(jù)通信的上行。這里選擇傳輸比較穩(wěn)定的TCP服務來實現(xiàn)這種上行方式，如圖所示。5.3.1遠程服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例2）MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT數(shù)據(jù)服務設計，通過Linuxc編程mosquitto庫的調用，實現(xiàn)一個mqtt客戶端，向服務推送消息與接收處理用戶控制指令，如圖所示。5.3.1遠程服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例3）Linux網(wǎng)關協(xié)議設計Linux網(wǎng)關協(xié)議設計，是在TCP網(wǎng)絡服務設計的基礎上，通過TCP網(wǎng)絡編程通信，與服務器進行通信數(shù)據(jù)交互。Linux網(wǎng)關協(xié)議設計將在網(wǎng)關上建立一個TCP客戶端，連接時需要發(fā)送網(wǎng)關認證數(shù)據(jù)包，進行認證。認證通過后，數(shù)據(jù)按照ZXBee協(xié)議進行封包與解包處理。Linux網(wǎng)關協(xié)議設計框架如圖所示。5.3.1遠程服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例網(wǎng)關收到串口的數(shù)據(jù)后可以通過UDP或者TCP服務將傳感器的MAC地址和傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌魃厦妫瑢崿F(xiàn)Zigbee數(shù)據(jù)通信的上行。這里選擇傳輸比較穩(wěn)定的TCP服務來實現(xiàn)這種上行方式。數(shù)據(jù)轉發(fā)服務設計將在網(wǎng)關上建立一個TCP服務端，然后將傳感器數(shù)據(jù)轉發(fā)到連接的客戶端，客戶端由TCP&UDP測試工具來模擬。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉發(fā)服務設計框架如圖所示。數(shù)據(jù)轉發(fā)服務設計主要由兩大部分組成，一部分是網(wǎng)關（服務器）發(fā)數(shù)據(jù)給客戶端，把這個過程叫做ZigBee上行數(shù)據(jù)通信，另外一部分是發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關（服務器），網(wǎng)關對數(shù)據(jù)進行處理，最后發(fā)送命令給ZigBee節(jié)點，把這個過程客戶端叫做ZigBee下行數(shù)據(jù)通信。5.3.2TCP網(wǎng)絡服務設計TCP網(wǎng)絡服務設計分析智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.2TCP網(wǎng)絡服務設計TCP網(wǎng)絡服務設計分析本項目函數(shù)接口與說明如表所示（詳細函數(shù)解析請查看文檔）智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.2TCP網(wǎng)絡服務設計TCP網(wǎng)絡服務設計分析（詳細函數(shù)解析請查看文檔）智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.2TCP網(wǎng)絡服務設計TCP網(wǎng)絡服務設計分析（詳細函數(shù)解析請查看文檔）智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT協(xié)議概述MQTT(消息隊列遙測傳輸)是ISO標準(ISO/IECPRF20922)下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。它工作在TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠程設備以及網(wǎng)絡狀況糟糕的情況下而設計的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議，為此，它需要一個消息中間件。MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，是一種輕量信息傳輸協(xié)議,專門為受限設備,低帶寬,高延遲或不可靠的網(wǎng)絡而設的?MQTT的設計原理是最小化網(wǎng)絡帶寬和設備資源要求。MQTT協(xié)議的底層是基于TCP/IP，它工作在TCP和IP協(xié)議層上，屬于應用層協(xié)議，在支持TCP/IP協(xié)議的機器上運行。MQTT協(xié)議為計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協(xié)議，具有以下主要的幾項特性：1、使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應用程序耦合；2、對負載內容屏蔽的消息傳輸；3、使用TCP/IP提供網(wǎng)絡連接；4、小型傳輸，開銷很小，協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡流量；5、使用LastWill和Testament特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。LastWill：即遺言機制，用于通知同一主題下的其他設備發(fā)送遺言的設備已經(jīng)斷開了連接。Testament：遺囑機制。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT協(xié)議概述MQTT協(xié)議中的訂閱、主題、會話訂閱（Subscription）：訂閱包含主題篩選器（TopicFilter）和最大服務質量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關聯(lián)。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。會話（Session）：每個客戶端與服務器建立連接后就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態(tài)交互。會話存在于一個網(wǎng)絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續(xù)的網(wǎng)絡連接。主題名（TopicName）：連接到一個應用程序消息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配。服務器會將消息發(fā)送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端。主題篩選器（TopicFilter）：一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。負載（Payload）：消息訂閱者所具體接收的內容。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT協(xié)議概述網(wǎng)絡傳輸與應用消息MQTT會構建底層網(wǎng)絡傳輸：它將建立客戶端到服務器的連接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基于字節(jié)流的雙向傳輸。當應用數(shù)據(jù)通過MQTT網(wǎng)絡發(fā)送時，MQTT會把與之相關的服務質量和主題名相關連。MQTT客戶端一個使用MQTT協(xié)議的應用程序或者設備，它總是建立到服務器的網(wǎng)絡連接。客戶端作用：（1）發(fā)布其他客戶端可能會訂閱的信息；（2）訂閱其它客戶端發(fā)布的消息；（3）退訂或刪除應用程序的消息；（4）斷開與服務器連接。MQTT服務器MQTT服務器以稱為"消息代理"（Broker），可以是一個應用程序或一臺設備。它是位于消息發(fā)布者和訂閱者之間，它作用：（1）接受來自客戶的網(wǎng)絡連接；（2）接受客戶發(fā)布的應用信息；（3）處理來自客戶端的訂閱和退訂請求；（4）向訂閱的客戶轉發(fā)應用程序消息。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT協(xié)議概述網(wǎng)絡傳輸與應用消息MQTT協(xié)議中的方法MQTT協(xié)議中定義了一些方法，來于表示對確定資源所進行操作。這個資源可以代表預先存在的數(shù)據(jù)或動態(tài)生成數(shù)據(jù)，這取決于服務器的實現(xiàn)。通常來說，資源指服務器上的文件或輸出。主要方法有：（1）Connect。等待與服務器建立連接。（2）Disconnect。等待MQTT客戶端完成所做的工作，并與服務器斷開TCP/IP會話。（3）Subscribe。等待完成訂閱。（4）UnSubscribe。等待服務器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。（5）Publish。MQTT客戶端發(fā)送消息請求，發(fā)送完成后返回應用程序線程。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT協(xié)議概述網(wǎng)絡傳輸與應用消息MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)包結構在MQTT協(xié)議中，一個MQTT數(shù)據(jù)包由：固定頭（Fixedheader）、可變頭（Variableheader）、消息體（payload）三部分構成。MQTT數(shù)據(jù)包結構如下：（1）固定頭（Fixedheader）。存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，表示數(shù)據(jù)包類型及數(shù)據(jù)包的分組類標識。（2）可變頭（Variableheader）。存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容。（3）消息體（Payload）。存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，表示客戶端收到的具體內容。（MQTT通信架構圖）智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT協(xié)議概述網(wǎng)絡傳輸與應用消息MQTT協(xié)議實現(xiàn)方式實現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）（服務器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。（1）發(fā)布者將消息發(fā)布至代理服務器中，消息在代理服務器中以樹的方式存儲。（2）訂閱者通過訂閱消息接受訂閱的消息，代理服務器接收到訂閱消息后將訂閱者放置在對應末端節(jié)點的下方。（3）代理根據(jù)消息的設置決定是否發(fā)送一些以前的信息，或者當發(fā)布者發(fā)布信息時，代理將信息推送到訂閱服務器。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計Mosquitto安裝與調試Mosquitto是一個開源(BSD許可證)的消息代理，是一款實現(xiàn)了消息推送協(xié)議MQTT的開源消息代理軟件，提供輕量級的，支持可發(fā)布/可訂閱的的消息推送模式，使設備對設備之間的短消息通信變得簡單，比如現(xiàn)在應用廣泛的低功耗傳感器，手機、嵌入式計算機、微型控制器等移動設備，安裝步驟如下：1、Mosquitto安裝在下述網(wǎng)址下載MQTT/files/source/#解壓tarzxfvmosquitto-x.x.x.tar.gz#進入目錄cdmosquitto-1.4.9#編譯make#安裝sudomakeinstallMosquitto功能命令如下：mosquitto–代理器主程序mosquitto.conf–配置文件mosquitto_passwd–用戶密碼管理工具mosquitto_tls–veryroughcheatsheetforhelpingwithSSL/TLSmosquitto_pub–用于發(fā)布消息的命令行客戶端mosquitto_sub–用于訂閱消息的命令行客戶端mqtt–MQTT的后臺進程libmosquitto–客戶端編譯的庫文件智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計Mosquitto安裝與調試2、Mosquitto測試Mosquitto服務器安裝完成后，通過以下3個命令對服務進行測試。這3個命令需要在3個Linux命令行終端中運行。mosquitto–代理器主程序mosquitto_pub–用于發(fā)布消息的命令行客戶端mosquitto_sub–用于訂閱消息的命令行客戶端首先，在命令行終端啟動mosquiltto服務。root@zonesion:/home/mysdk/gw3399-linux/mosquitto-1.6.8#mosquitto-v1600304111:mosquittoversion1.6.8starting1600304111:Usingdefaultconfig.1600304111:Openingipv4listensocketonport1883.1600304111:Openingipv6listensocketonport1883.智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計Mosquitto安裝與調試2、Mosquitto測試發(fā)布使用mosquitto_pub命令，訂閱使用mosquitto_sub命令。常用參數(shù)介紹如表所示。新建一個命令行終端，輸入命令“mosquitto_sub-h-p1883-v-ttesttopic”訂閱主題，如右圖所示。參數(shù)描述-h服務器主機，默認localhost-t指定主題-u用戶名-P密碼-i客戶端id，唯一-m發(fā)布的消息內容智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT數(shù)據(jù)服務設計分析MQTT數(shù)據(jù)服務設計，通過Linuxc編程mosquitto庫的調用，實現(xiàn)一個mqtt客戶端，向服務推送消息與接收處理用戶控制指令，如圖所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT數(shù)據(jù)服務設計分析本項目函數(shù)接口與說明如表所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT數(shù)據(jù)服務設計分析本項目函數(shù)接口與說明如表所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.3MQTT數(shù)據(jù)服務設計MQTT數(shù)據(jù)服務設計分析本項目函數(shù)接口與說明如表所示。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例1）通過MobaXterm軟件將zigbee-tcp-test文件拷貝到開發(fā)板的/home/zonesion目錄下面，輸入如下命令進入實驗目錄：5.3.5開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關遠程服務設計TCP網(wǎng)絡服務設計test@rk3399:~/work$cdzigbee-tcp-test/test@rk3399:~/work/zigbee-tcp-test$lscache-addr.cMakefileprotol.huart.hutil.hzigbee.hcache-addr.hprotol.cuart.cutil.czigbee.czigbee-tcp-test.c2）輸入make命令進行編譯，查看是否生成目標文件test@rk3399:~/work/zigbee-tcp-test$makegcc-static-pthreaduart.cutil.cprotol.czigbee.ccache-addr.czigbee-tcp-test.c-ozigbee-tcp-testprotol.c:Infunction‘mk_net_data’:protol.c:70:15:warning:implicitdeclarationoffunction‘calc_fcs’[-Wimplicit-function-declaration]pkg[9+len]=calc_fcs(&pkg[1],pkg_len-2);^test@rk3399:~/work/zigbee-tcp-test$lscache-addr.cprotol.cuart.hzigbee.czigbee-tcp-test.ccache-addr.hprotol.hutil.czigbee.hMakefileuart.cutil.hzigbee-tcp-test智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.5開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關遠程服務設計TCP網(wǎng)絡服務設計3）查看網(wǎng)關以太網(wǎng)地址test@rk3399:~/work/zigbee-tcp-test$ifconfigwlan0Linkencap:以太網(wǎng)

硬件地址6c:21:a2:ec:55:ebinet地址:1廣播:55掩碼:inet6地址:fe80::38c6:ca99:8363:32b5/64Scope:LinkUPBROADCASTRUNNINGMULTICASTMTU:1500躍點數(shù):1

接收數(shù)據(jù)包:791錯誤:0丟棄:2過載:0幀數(shù):0

發(fā)送數(shù)據(jù)包:677錯誤:0丟棄:0過載:0載波:0

碰撞:0發(fā)送隊列長度:1000

接收字節(jié):118235(118.2KB)發(fā)送字節(jié):132562(132.5KB)test@rk3399:~/work/zigbee-tcp-test$./zigbee-tcp-testzigbeezigbeetestprogramv0.1

發(fā)送數(shù)據(jù)格式MAC地址,數(shù)據(jù)

例如：00:12:4B:00:06:1B:5F:BB,{A0=?}

tcpserverlistenport600004）輸入如下命令運行測試程序，終端打印出如下信息：智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.5開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關遠程服務設計TCP網(wǎng)絡服務設計5）打開TCP測試工具，會出現(xiàn)如左圖所示界面6）然后在發(fā)送區(qū)輸入如下信息“00:12:4B:00:15:D1:49:7A,{OD1=64,D1=?}”，并點擊發(fā)送按鈕，注意MAC地址必須是對應自己控制類節(jié)點的。（注意，如果節(jié)點原來狀態(tài)是D1=64，需要先發(fā)送命令00:12:4B:00:15:D1:49:7A,{CD1=64,D1=?}，關閉繼電器1會看到接收區(qū)立即出現(xiàn)一行新的應答信息“00:12:4B:00:15:D1:49:7A,{D1=64}”，說明數(shù)據(jù)的下行和上行都成功了。（如右圖）智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.5開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關遠程服務設計 Linux網(wǎng)關協(xié)議設計1）啟動mqtt服務器中的mosquitto服務2）啟動網(wǎng)關消息發(fā)布程序3）服務器端訂閱主題4）Android端mqtt服務測試測試1測試3測試2測試4智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.5開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關遠程服務設計Linux網(wǎng)關協(xié)議設計1）將zigbee-tcp_send文件夾通過MobaXtrem軟件拷貝到開發(fā)板的/home/zonesion/zcloud目錄下面，進入目錄zigbee-zhiyun，并查看當前目錄文件2）測試程序編譯運行3）協(xié)議測試打開調試工具ZCloudTools，選擇實時數(shù)據(jù)測試工具，輸入程序中設置的ID\KEY，點擊連接按鈕，等待30s左右會顯示接收到的節(jié)點數(shù)據(jù)，協(xié)議測試如表所示。（詳細命令步驟解析請查看文檔）采集類節(jié)點數(shù)據(jù)00:12:4B:00:15:D3:57:B4{A0=26.5,A1=33.3,A2=292.5,A3=112,A4=1011.9,A5=0,A6=0.0,D1=O}控制類節(jié)點數(shù)據(jù)00:12:4B:00:15:D1:49:7A{D1=0}安防類節(jié)點數(shù)據(jù)00:12:4B:00:15:D1:35:C1{A0=0,A4=0,A5=0,D1=0}智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.5開發(fā)實踐：Linux網(wǎng)關遠程服務設計Linux網(wǎng)關協(xié)議設計實時數(shù)據(jù)測試如左圖所示。在地址信息輸入框分別輸入3個節(jié)點MAC地址，數(shù)據(jù)輸入框輸入?yún)f(xié)議命令{TYPE=？}，可以查詢節(jié)點的類型，如右圖所示。（詳細命令步驟解析請查看文檔）智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例5.3.6小結學習了智能網(wǎng)關實現(xiàn)的遠程服務設計架構，MQTT協(xié)議的基本概念，Mosquitto安裝與測試。通過TCP網(wǎng)絡服務分析與設計、MQTT數(shù)據(jù)服務分析與設計、Linux網(wǎng)關協(xié)議分析與設計三個部分的程序分析與實現(xiàn)，完成網(wǎng)關的遠程服務編程實現(xiàn)。智能家居網(wǎng)關Linux開發(fā)案例

5.3.7思考與拓展1、什么是MQTT協(xié)議，本協(xié)議有什么特性？2、描述MQTT協(xié)議實現(xiàn)方式？3、TCP網(wǎng)絡服務設計、MQTT數(shù)據(jù)服務設計與Linux網(wǎng)關協(xié)議設計這3個功能設計有什么區(qū)別與聯(lián)系??第6章智能車牌識別Linux開發(fā)案例智能車牌識別Linux開發(fā)案例本章分析Linux技術在智能家居網(wǎng)關中的應用，共分3個模塊：1.系統(tǒng)總體設計與OpenCV開發(fā)框架：先進行系統(tǒng)總體設計分析，簡述OpenCV技術，分析OpenCV開發(fā)環(huán)境和OpenCV常用接口，實現(xiàn)OpenCV視頻流采集。2.車牌識別功能開發(fā)：學習車牌識別原理，分析卷積神經(jīng)網(wǎng)絡技術、車牌識別開源庫，進行車牌識別功能開發(fā)，實現(xiàn)視頻車牌識別。3.車牌識別管理功能開發(fā)：學習Flask應用框架，進行Flask安裝測試和Flask應用分析，實現(xiàn)Flask視頻車牌識別。第6章智能車牌識別Linux開發(fā)案例

6.1系統(tǒng)總體設計與OpenCV開發(fā)框架智能車牌識別Linux開發(fā)案例智能車牌識別系統(tǒng)是結合數(shù)字圖像處理技術,計算機視覺和模式識別為一體的綜合系統(tǒng),包含對車牌圖像進行預處理,車牌區(qū)域定位,字符分割以及字符識別等功能。本項目通過運用基于OpenCV計算機視覺庫，采用HyperLPR基于深度學習的高性能中文車牌庫，大大降低了系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度，實現(xiàn)了快速準確識別中文車牌號碼。功能需求如表所示。6.1.1系統(tǒng)總體設計分析

系統(tǒng)需求分析功能功能說明視頻流采集功能基于OpenCV采集視頻流中文車牌識別功能基于HyperLPR高性能中文車牌庫對圖片、視頻中車牌進行識別WEB用戶界面功能基于Flask應用框架顯示視頻流與識別結果智能車牌識別Linux開發(fā)案例本項目的硬件主要邊緣計算網(wǎng)關與高清攝像頭構成。邊緣計算網(wǎng)關連接高清攝像頭通過OpenCV采集視頻數(shù)據(jù)，實時采視頻數(shù)據(jù)再通過HyperLPR庫對視頻流中的中文車牌進行識別，PC端的WEB管理界面可實時顯示OpenCV采集的視頻流與識別結果，硬件結構框如左圖所示。中文車牌識別系統(tǒng)，其軟件模塊主要由OpenCV庫，HyperLPR庫、Flask服務軟件、PC端Web管理軟件構成，項目主要開發(fā)語言為Python語言，軟件總體結構框如右圖所示。6.1.1系統(tǒng)總體設計分析

系統(tǒng)總體設計智能車牌識別Linux開發(fā)案例6.1.2OpenCV簡介OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary）開源計算機視覺庫。OpenCV是一個基于BSD許可（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺和機器學習軟件庫，可以運行在Linux、Windows、Android和MacOS操作系統(tǒng)上。它輕量級而且高效，同時提供了有C++，Python，Java和MATLAB等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。OpenCV的結構共分為五個部分，分別是圖像處理和視覺算法（CV）、機器學習庫（ML）、圖像和視頻輸入/輸出庫（HighGUI）、基本結構和算法，XML支持，繪圖函數(shù)（CXCORE）以及CVAUx模塊，其中前4個模塊結構如圖所示。CV圖像與視覺算法ML統(tǒng)計分析器HighGUI圖像與視頻輸入輸出CXCORE基本結構和算法、XML支持、繪圖函數(shù)智能車牌識別Linux開發(fā)案例6.1.3OpenCV開發(fā)環(huán)境（環(huán)境配置詳細請查看文檔）6.1.4