基于MQTT的物联网设备接入及网络通信方法的研究

摘要

物联网作为物与物、物与人之间进行连接和信息交换的平台，近年来成为各国在信息产业竞相发展的重要方向。MQTT消息传输协议以其简单、轻量、易于实现，以及其基于发布/订阅的消息转发模型等优点，成为物联网系统中潜在的标准通信协议。本课题来源于作者读研期间所在实验室的“基于物联网技术的智能照明控制系统研发与应用示范”项目，针对物联网系统工程应用中存在的终端设备网络接入、设备云平台接入、以及设备之间多对多的复杂关系下的通信方法等问题，展开一系列的研究。论文的主要研究工作总结如下： （1）针对物联网系统中 Wi-Fi 设备的网络接入问题，提出了一种使用UDP组播方式传递无线网络接入点名称和密码的方法。在分析802.11数据帧格式的基础上，提出利用数据帧长度和802.11数据帧帧头中的目的MAC地址进行配置信息的编码，终端设备在监听模式下捕获 802.11 数据包，并解析获得无线网络接入点名称和密码的方法。 （2）针对物联网系统终端设备的云平台接入需求，制定了终端设备的云平台接入流程和验证方法，保证了设备的合法、安全接入。终端设备通过HTTP协议访问云平台提供的RESTful API接口进行身份验证，并根据验证结果建立与MQTT服务器的通信。 （3）针对物联网系统中设备之间复杂的多对多通信关系，在分析以基于主题的发布/订阅模型来实现设备间通信这一方法在物联网系统中存在的问题，提出了以建立主题映射表来快速便捷的建立设备之间通信关系的方法，实现了多对多设备之间通信关系的解耦，并能保证在设备之间的耦合关系发生变化时灵活的进行修改。 （4）完成了终端设备的开发，确定了硬件部分以 STM32F429VIT6 为主控制器、EMW1062为Wi-Fi通信模块的设计方案，并在此基础上完成了电源电路、Wi-Fi通信电路等硬件设计；软件部分在移植FreeRTOS实时操作系统与 LWIP 网络协议栈的基础上完成了设备网络接入、云平台接入、MQTT通信等服务程序的实现。 完成系统的研究设计中作后，搭建了系统测试平台，对物联网终端设备的Wi-Fi接入、与云平台通信以及设备间的通信等各项功能进行了测试。结果表明，本论文研究的Wi-Fi接入配置技术可便捷、高效的实现设备的网络接入，本论文提出的基于 MQTT的物联网终端设备的通信方法能够可靠、灵活的实现设备的通信功能，满足物联网系统的通信需求。

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摘 要

ABSTRACT

1绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题的研究内容

1.4 论文章节安排

2系统架构与相关技术

2.1 系统整体架构

2.2 相关通信协议

2.2.1 业务访问协议

2.2.2 物联通信协议

2.3 Wi-Fi通信技术

2.3.1 Wi-Fi技术概述

2.3.2 Wi-Fi工作模式

2.3.3 Wi-Fi通信数据帧格式

2.4 本章小结

3 Wi-Fi接入配置方法研究与实现

3.1 配网方案分析

3.1.1 配网方案设计

3.1.2 配网方案可行性分析

3.2 编码方式分析

3.3 配网协议制定

3.3.1 物理层协议

3.3.2 链路层协议

3.4 终端设备配网方案实现

3.5 Wi-Fi配置工具设计与实现

3.5.1 获取Wi-Fi信息功能实现

3.5.2 UDP通信功能实现

3.5.3 编码的实现

3.6 本章小结

4终端设备通信方法研究

4.1 终端设备的云平台接入

4.1.1 云平台接入方法设计

4.1.2 云平台接入服务设计

4.2 设备与云服务器通信的建立

4.2.1 MQTT服务程序设计

4.2.2 功能模块设计

4.3 设备之间通信的建立

4.3.1 设备绑定的需求分析

4.3.2 设备间绑定方法设计

4.3.3 设备间通信服务设计

4.4 本章小结

5终端设备的设计与实现

5.1 终端设备器件选型

5.2 终端设备硬件设计

5.2.1 微控制器外围电路设计

5.2.2 Wi-Fi通信电路设计

5.2.3 电源电路设计

5.3 终端设备软件实现

5.3.1 软件总体架构设计

5.3.2 实时操作系统和LWIP协议栈的移植

5.3.3 Wi-Fi接入服务实现

5.3.4 云平台接入服务实现

5.3.5 MQTT通信服务实现

5.4 本章小结

6测试与分析

6.1 终端设备Wi-Fi接入测试

6.1.1 Wi-Fi接入配置方法功能测试

6.1.2 Wi-Fi接入配置方法性能测试

6.2 系统通信功能测试

6.2.1 终端设备云平台接入功能测试

6.2.2 终端设备与云平台通信功能测试

6.2.3 终端设备之间通信功能测试

6.3 本章小结

7总结与展望

7.1 课题工作总结

7.2 未来工作展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明