【米尔-全志 T527 开发板-试用评测】-第三篇 网关方案
<div class='showpostmsg'> 本帖最后由 JerryZhen 于 2024-4-27 20:17 编辑<p>一、系统概述</p>
<p>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。</p>
<p> </p>
<p>二、系统架构</p>
<ol>
<li><strong>网关服务</strong>：基于FastAPI框架构建的Web服务，提供HTTP接口。</li>
<li><strong>MQTT客户端</strong>：负责与MQTT设备通信，管理设备连接、消息发布和订阅。</li>
<li><strong>设备管理</strong>：维护一个设备列表，记录设备的基本信息和状态。</li>
<li><strong>数据存储</strong>：使用内存或数据库存储设备数据，确保数据持久化。</li>
</ol>
<p>三、组件设计</p>
<ol>
<li><strong>MQTT组件</strong>：
<ul>
<li>负责与MQTT broker建立连接。</li>
<li>订阅设备主题，接收设备发送的消息。</li>
<li>发布消息到设备，实现远程控制。</li>
</ul>
</li>
<li><strong>设备管理组件</strong>：
<ul>
<li>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。</li>
<li>提供设备增删改查的方法。</li>
</ul>
</li>
<li><strong>HTTP组件</strong>：
<ul>
<li>基于FastAPI定义HTTP接口。</li>
<li>接收用户请求，调用MQTT组件和设备管理组件进行相应操作。</li>
<li>返回操作结果给用户。</li>
</ul>
</li>
</ol>
<p>四、接口设计</p>
<ol>
<li><strong>设备列表</strong>：
<ul>
<li>GET /devices：返回所有设备的列表。</li>
<li>POST /devices：添加新设备到网关。</li>
<li>DELETE /devices/{device_id}：从网关中删除指定设备。</li>
</ul>
</li>
<li><strong>设备详情</strong>：
<ul>
<li>GET /devices/{device_id}：返回指定设备的详细信息。</li>
</ul>
</li>
<li><strong>设备数据</strong>：
<ul>
<li>GET /devices/{device_id}/data：获取指定设备的最新数据。</li>
<li>POST /devices/{device_id}/data：发送数据到指定设备。</li>
</ul>
</li>
<li><strong>设备控制</strong>：
<ul>
<li>POST /devices/{device_id}/control：发送控制命令到指定设备。</li>
</ul>
</li>
</ol>
<p>五、数据结构设计</p>
<ol>
<li><strong>设备信息</strong>：
<ul>
<li>设备ID (device_id)：唯一标识设备的字符串。</li>
<li>MQTT主题 (mqtt_topic)：设备在MQTT broker上的主题。</li>
<li>连接状态 (connection_status)：表示设备是否在线的布尔值。</li>
<li>其他设备属性（如名称、描述等）。</li>
</ul>
</li>
<li><strong>设备数据</strong>：
<ul>
<li>设备ID (device_id)：关联设备信息的设备ID。</li>
<li>时间戳 (timestamp)：数据发送或接收的时间。</li>
<li>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。</li>
</ul>
</li>
</ol>
<p>六、安全性考虑</p>
<ul>
<li>使用HTTPS协议提供安全的HTTP通信。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ul>
<p>七、部署与扩展</p>
<ul>
<li>使用Docker容器化部署网关服务，便于管理和扩展。</li>
<li>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。</li>
</ul>
<p>八、实现步骤</p>
<ol>
<li>安装所需的Python库：fastapi, uvicorn, paho-mqtt等。</li>
<li>创建FastAPI应用并定义路由。</li>
<li>实现MQTT组件，包括与MQTT broker的连接、订阅、发布等功能。</li>
<li>实现设备管理组件，维护设备列表并提供增删改查的方法。</li>
<li>实现HTTP组件，调用MQTT组件和设备管理组件处理用户请求。</li>
<li>编写测试代码，验证网关的各项功能是否正常工作。</li>
<li>部署网关服务并监控其运行状态。</li>
</ol>
<p>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：</p>
<p>fastapi==0.108.0</p>
<p>paho-mqtt==1.6.1</p>
<p> </p>
<p>网关模拟代码gateway.py：</p>
<pre>
<code class="language-python">from fastapi import FastAPI, HTTPException, Body, status
from paho.mqtt.client import Client as MQTTClient
from 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 = 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 = 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 = 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)
</code></pre>
<p> </p>
<p>设备1模拟代码 dev1.py：</p>
<pre>
<code class="language-python">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_connect
client.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()</code></pre>
<p> </p>
<p>设备2模拟代码 dev2.py</p>
<pre>
<code class="language-python">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_connect
client.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()</code></pre>
<p> </p>
<p>运行网关代码，打开网页得到api接口：</p>
<p> 通过api分别添加设备1和设备2，</p>
<p> </p>
<p> </p>
<p>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</p>
<p>通过网页API向设备1发送数据</p>
<p> </p>
<p>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</p>
<p> </p>
<p>我们在网关的后台可以看到完整的数据流</p>
<p> </p>
<p>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。</p>
<p> </p>
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