物联网教学实践研讨一

王维涛 郑芳

摘要：以局域网作为物联网教学环境，集成物联网络消息处理服务、物联网软件开发环境、单板计算机及微处理器控制开发板物联网开发硬件，完成物联网消息协议、物联网开发编程语言、传感器数据采集等教学内容。

信息社会物联网无处不在。其在现代农业工业、交通运输、生物医疗、智慧城市等各领域应用广泛。本文以物联网体系工作框架，给出物联网教学实践的基本环境及方法。

目前物联网的体系工作框架由底层至高层分为：设备层、网络层、平台层、应用层。设备层包括：传感器、通信模组、感知类智能设备及执行装置;网络层包括：通信运营商的2G、3G、4G、5G网络，局域网的WiFi、、ZigBee、LPWAN（LoRa、SigFox、NB-Iot）等;平台层包括：接入管理、设备管理、消息处理、数据处理、机器学习等;应用层包括：各应用领域App及服务软件。

物联网教学实践环境，以局域网为基础，以教学内容为原则，简化体系结构，实现物联网教学实操环境。

在局域网中，我们可以合并应用层、平台层，以微型计算机（PC）、单板计算机（SBC）构成，软件选用开源软件，主要服务软件是Mosquitto，实现物联网络消息处理服务（MQTT），采用Node.js、Node-RED（JavaScript）、SQLite、Python（MicroPython）实现物联网开发环境（SDK）。

MQTT消息队列遥测传输是物联网OASIS标准消息传递协议，是非常轻量级的发布/订阅消息传输协议。MQTT协议工作在 TCP/IP协议族之上，非常适合低性能硬件及低带宽网络，连接控制远程硬件系统。

Mosquitto是Eclipse基金会实现MQTT V5.0、V3.1.1、V3.1版本协议的服务器软件，适合安装在低功耗的单板计算机、微型计算机、服务器上使用。我们既可以把它安装在流行的树莓派（Raspberry Pi 3 B+）Raspberry Pi OS系统的SBC机上，也可以把它安装在Windows 10系统的PC机上运行。MQTT服务器在局域网内，可使用用户/密码方式保证安全。

在局域网中，移动设备、嵌入式系统、各类传感器开发板，以相应接入方式接入网络，客户端可采用命令方式、图形界面、编程方式与服务端处理消息。

在设备层面，我们使用构建在Node.js之上，事件驱动、低代码量编程的 Node-RED （https：//nodered.org/）和面向微处理器控制开发板的 MicroPython 语言进行编程开发;如需大量数据处理，选用SQLite数据库。

Node-RED是基于流程的可视化编程工具，以浏览器作为编辑界面，使用系统提供的各类功能节点。在Node-RED节点编辑框中，可以设置参数和使用JavaScript语言及函数，完成消息处理及硬件系统控制。MicroPython是兼容Python 3的子集，优化设计，运行在微处理器、微控制器、嵌入式系统上，主要使用在连接传感器及执行控制器的开发板系统中。单板计算机树莓派的Raspberry Pi OS（https：//www.raspberrypi.org/software/）系统，集成Node-RED、Python、Thonny环境，给学习实践带来诸多便利。连接传感器及执行控制器的开发板系统，我们使用ESP8266、ESP32（https：//www.espressif.com/）这类高性价比开发板，既可使用树莓派（Thonny IDE-Raspberry Pi）的集成环境，也可以使用Windows10系统的Thonny IED版本或其它开发环境（ThonnyIDE-Linux、Thonny IDE-Mac OS X、Arduino IDE等）进行学习。

網络消息处理协议MQTT的学习

网络消息处理原理学习，是理解物联网运行的基础。MQTT技术文档给出的协议通信规则及数据帧结构，学习者需要在实际网络中加以理解。Windows10系统安装设置好Mosquitto服务器后，局域网中的其它计算机或硬件设备作为客户端，和服务器即可建立起消息通信机制。我们使用开源软件Wireshark网络协议分析器，抓取网络通信数据包，进行直观分析学习。图一是局域网中抓取的数据帧截图，图中给出服务端192.168.0.114与客户端192.168.0.110的消息通信过程。

物联网编程过程学习

在局域网中，我们使用树莓派（Raspberry Pi）、Windows 10 PC机、智能移动设备（手机）说明学习过程。图二是消息发布/订阅示意图。

Mosquitto服务器在Windows10 PC（192.168.0.114）机上运行，在树莓派（192.168.0.105）上运行Node-RED，使用局域网中的计算机浏览器访问树莓派192.168.0.105：1880端口（可设置用户/密码访问权限），打开Node-RED编辑界面，通过编辑界面左侧节点版面，拖拽所需若干功能节点到编辑界面中部编辑区，经设置参数及使用JavaScript语言、函数，连接各节点完成所需编程要求。图三是模拟传感器数据输入，经Mosquitto服务器发布消息，通过Mosquitto服务器，设置树莓派GPIO26（PIN37）脚位输出值。可以在智能移动设备（手机）安装设置MQTT Dash App（https：//play.google.com/store/apps/details？id=net.routix.mqttdash&hl=en_IN≷=US），使用开源软件实现消息的订阅/发布及可视化显示控制。

总之，物联网实践教学环境，是物联网教学的必备的实操教学平台，对于理解物联网工作原理、物联网消息发布订阅，物联网远端数据采集及执行控制，十分必要。随着物联网技术的不断发展，网络的可视化及可视化控制，也必将大量应用到实际工作环境中。

作者简介：

王维涛（1964.7），男，汉族，河北石家庄，高级工程师，研究方向：计算机通信及物联网。