CN109861978B

CN109861978B - 一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台

Info

Publication number: CN109861978B
Application number: CN201811619370.8A
Authority: CN
Inventors: 王涌; 朱涛涛; 纪专凯; 沈鹏飞; 黄留信
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: CN109861978A

Abstract

一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台，包括设备、中间件和WEB端，所述设备与中间件相连，所述中间件与WEB端相连，并为第三方应用提供服务，所述设备提供采集数据的上传、执行云端下发的控制指令的功能，所述设备包括智能网关、用于数据采集的传感器和继电器，智能网关通过485接口与传感器以及继电器连接；所述中间件提供设备接入平台的权限验证、上传数据的二次验证、API接口、向所述设备下发指令进行继电器的控制、数据的存储。本发明提供了一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台，企业可根据隐私需要自由选择将平台部署到公有云或者私有云，另外，该平台能为第三方应用提供服务，可以满足多种工业应用场景。

Description

一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台

技术领域

本发明涉及工业物联网技术领域，尤其是涉及一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台。

背景技术

物联网作为继互联网之后新一代技术革命，在农业、教育、环保、制造业等领域得到广泛应用。随着各行业的需求，衍生了许多适合特定场景的物联网应用，在此前提下，物联网平台也随之产生。

物联网平台可以快速、全面采集传感数据，同时形成云端的数据服务，为具体业务做支撑。当下，中小型物联网企业开发物联网平台为各行各业提供服务，但是资金、人才、技术不足以支撑其独立开发服务平台，过程中存在平台通用性低、重复开发、成本高、运维不便、网关配置复杂、专业人才缺乏等问题；虽然市场上已有基于公有云的物联网平台可以帮助企业管理物联网项目，但是考虑到部分企业数据的私密性，企业不能将内部数据放到公有云，公共物联网平台无法满足其需求。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种能安全性高、可移植的、开发部署难度低、具备运维功能、支持高并发的基于MQTT协议的物联网SaaS平台，企业可根据隐私需要自由选择将平台部署到公有云或者私有云，另外，该平台能为第三方应用提供服务，可以满足多种工业应用场景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台，包括设备、中间件和WEB端，所述设备与中间件相连，所述中间件与WEB端相连，并为第三方应用提供服务，所述设备提供采集数据的上传和执行云端下发的控制指令的功能，所述设备包括智能网关、用于数据采集的传感器和继电器，智能网关通过485接口与传感器以及继电器连接；

所述中间件提供设备接入平台的权限验证、上传数据的二次验证、API接口、向所述设备下发指令进行继电器的控制和数据的存储，所述中间件由broker代理服务器、API数据接口、DB数据库和WEB服务器组成，broker代理服务器接收发布者发布的主题消息并将消息分发到各个订阅者，API数据接口通过MQTT协议方式对外提供服务；DB数据库包含Redis、MySQL和InfluxDB三种数据库，其中Redis用于缓存设备状态信息，网关配置化信息以及上下线时间，MySQL用于存储WEB端的业务数据，InfluxDB用于存储海量传感器数据，并为应用层的历史统计数据提供支持；

每个设备作为MQTT的客户端，接入平台需要做权限验证，验证方式是一机一密；权限验证是指设备是作为一个MQTT的客户端连接到中间件的broker代理服务器上，在设备接入平台前需要先查询Redis数据库是否有该设备的密钥，若查询成功则允许设备接入平台；否则拒绝接入平台；

上传数据的二次验证是对设备上传的数据进行主题格式的验证，每个设备上传到中间件的数据会有一个主题，主题有固定的格式，即使有匿名设备绕过权限验证接入平台，并发送数据到中间件，中间件对主题的格式进行验证，对于不符合现有主题格式的数据均作拒绝处理，实现过滤匿名设备的数据，这使得设备必须发送固定主题格式的数据，从而保证平台的安全性；

企业用户登录WEB端，可进行应用管理、产品管理、设备管理和用户管理五个模块的操作，在设备管理中，用户可以在线配置设备的功能项，并将信息下发到设备，省去人力配置设备内部信息的成本；

所述设备与中间件通过MQTT协议通信，中间件与WEB端通过MQTT协议或者HTTP协议进行通信，中间件通过基于HTTP协议的Restful风格的API数据接口为第三方应用提供服务，所述智能网关通过modbus协议与传感器或者继电器进行通信。

进一步，所述智能网关是基于arm linux系统的物联网网关装置，智能网关的微处理器为基于ARM体系的型号为AM3352的32位RISC工业级Cortex-A8处理器。

再进一步，所述broker代理服务器采用mosquitto代理服务器，对于接入的设备进行权限验证，拒绝非法设备的接入，同时对设备上传的数据进行主题格式的验证。

本发明的有益效果主要表现在：安全性高、可移植的、开发部署难度低、具备运维功能、支持高并发、灵活性高，企业可根据隐私需要自由选择将平台部署到公有云或者私有云，网关参数的配置化，用户只要在WEB端进行配置，然后通过云端将配置信息下发到网关，不必人工对每个网关进行配置，省去大量人力成本，另外，该平台能为第三方应用提供服务。

附图说明

图1为一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台的架构图。

图2为智能网关与传感器的通信结构示意图。

图3为本发明的中间件的架构示意图。

图4为WEB端的操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台，包括设备、中间件和WEB端，所述设备与中间件相连，所述中间件与WEB端相连，并为第三方应用提供服务，所述设备提供采集数据的上传和执行云端下发的控制指令的功能，所述设备包括智能网关、用于数据采集的传感器和继电器，智能网关通过485接口与传感器以及继电器连接；

上传数据的二次验证是对设备上传的数据进行主题格式的验证，每个设备上传到中间件的数据会有一个主题(Topic)，主题有固定的格式，即使有匿名设备绕过权限验证接入平台，并发送数据到中间件，中间件对主题的格式进行验证，对于不符合现有主题格式的数据均作拒绝处理，实现过滤匿名设备的数据，这使得设备必须发送固定主题格式的数据，从而保证平台的安全性；

所述设备与中间件通过MQTT协议通信，中间件与WEB端通过MQTT协议或者HTTP协议通信，中间件通过基于HTTP协议的Restful风格的API数据接口为第三方应用提供服务，所述智能网关通过modbus协议与传感器或者继电器进行通信。

如图1所示，物联网SaaS平台包括设备、中间件、WEB端，并通过中间件为第三方应用提供服务，其中，设备与中间件通过MQTT协议通信，中间件与WEB端通过MQTT协议、HTTP协议通信，中间件主要通过基于HTTP协议的Restful风格的API为第三方应用提供服务。所述设备与中间件通过MQTT协议通信，完成采集的数据的上传和控制信息的下发。所述中间件与WEB端通过MQTT协议、HTTP协议通信，完成实时数据的显示、API接口的获取。设备主要负责数据采集以及继电器的控制，如环境温湿度数据采集、红光/蓝光的开关等。智能网关通过modbus通信协议采集传感数据以及对继电器控制，通过485接口与传感器以及继电器连接，提供GPRS通信功能。本发明主要解决中小型创业型物联网企业在构建物联网管理平台过程中存在的开发不够便利、开发成本高、网关配置繁琐等问题，以软件即服务的形式(SaaS)服务于企业。

如图2为所示，智能网关需要将传感器采集的数据以及继电器状态进行上传到中间件；同时接收中间件下发的指令进行继电器开关的控制，智能网关的串口可以连接多个传感器或者继电器，图示示意使用了智能网关的2个串口。智能网关与传感器通过RS485接口相连，数据的传输使用modbus协议。数据采集：网关打开串口，发送指令到传感器，如采集温度或湿度或CO₂浓度，网关接收并解析传感器采集的传感数据，然后通过MQTT协议上传到中间件；传输控制指令时，网关接收中间件下发的指令，如打开风机或控制红光、蓝光，网关打开串口通过继电器进行风机的开关控制。如图3所示：中间件由broker代理服务器、API数据接口、DB数据库、WEB服务器组成，该中间件部署在云端。broker是基于发布/订阅的MQTT协议中的代理服务器，另外2个角色是订阅者和发布者，代理服务器主要是接收发布者发布的主题消息并将消息分发到各个订阅者。本发明中，各个设备既是消息订阅者又是消息发布者。broker代理服务器常用的有mosquitto、RabbitMQ、emqttd、HvieMQ等，根据应用场景以及测试，本发明采用mosquitto代理服务器，对于接入的设备进行身份认证，拒绝非法设备的接入，同时对设备上传的数据进行主题格式的验证；API是提供实时数据的RESTful风格的接口，通过MQTT协议方式对外(如第三方、WEB端)提供服务，灵活性强，耦合度更低，数据主要涉及实时数据的显示、历史数据统计信息(如：前7或30天平均数值、最大值、最小值等)。DB即数据库，本发明中涉及3类数据库：缓存数据库Redis、关系型数据库MySQL、时序数据库InfluxDB。Redis用于缓存设备状态信息，网关配置化信息以及上下线时间等，MySQL主要存储WEB端的业务数据，InfluxDB用于存储海量传感器数据，并为应用层的历史统计数据提供支持。WEB服务器主要以JSON数据格式为WEB端提供后端数据的接口，涉及业务数据的处理，与前端通过HTTP协议通信。

所述中间件负责接收消息发布者的消息、设备权限验证、设备上传数据的二次验证；经过综合对比多个broker，本平台选用mosquito作为代理服务器；通过MQTT协议/HTTP/RPC方式对外(如第三方)提供提供实时数据的RESTful风格的接口，灵活性强，耦合度更低；

所述中间件的权限验证：每个设备作为MQTT的客户端，接入物联网平台需要做权限验证。本发明的验证方式是一机一密，由平台颁发证书，包括产品证书(ProductKey和ProductSecret)与设备证书(DeviceName和DeviceSecret)，设备证书确保设备的全局唯一性，使用snowflaker算法产生唯一ID。颁发证书后，将证书人工烧录到对应的设备中，设备上报产品证书和设备证书，云端经过查询Redis缓存或者数据库来认证，通过后设备即可接入本发明所述的一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台。

如图4所示，企业用户登录WEB端，可进行应用管理、产品管理、设备管理、用户管理操作。应用管理即为第三方应用，本物联网平台可为第三方应用服务；产品管理是对设备功能项的定义，是一个抽象概念；设备既是一个实体，包含智能网关、传感器、继电器。设备管理中进行设备的实时数据和历史数据查看以及基本的统计信息。用户管理即企业里每个管理人员可管理个人设备或者企业公有设备。接入设备之前，首先需要定义产品的功能项，如需要采集温湿度、二氧化碳浓度、红蓝光的开关等，该类型的产品的实例即设备，通过安全验证接入平台，并通过MQTT协议将采集的数据传输到中间件，同时WEB端可管理该类设备，例如查看设备数据、修改设备数据采集频率等；经测试，WEB端下发开关指令到设备，设备完成指令操作，实时性较高，延迟较低。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施案例，凡依本发明申请范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台，其特征在于：包括设备、中间件和WEB端，所述设备与中间件相连，所述中间件与WEB端相连，并为第三方应用提供服务，所述设备提供采集数据的上传和执行云端下发的控制指令的功能，所述设备包括智能网关、用于数据采集的传感器和继电器，智能网关通过485接口与传感器以及继电器连接；

企业用户登录WEB端，可进行应用管理、产品管理、设备管理和用户管理五个模块的操作，在设备管理中，用户可以在线配置设备的功能项，并将信息下发到设备；

2.如权利要求1所述的一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台，其特征在于：所述智能网关是基于arm linux系统的物联网网关装置，智能网关的微处理器为基于ARM体系的型号为AM3352的32位RISC工业级Cortex-A8处理器。

3.如权利要求1或2所述的一种基于MQTT协议的物联网SaaS平台，其特征在于：所述broker代理服务器采用mosquitto代理服务器，对于接入的设备进行权限验证，拒绝非法设备的接入，同时对设备上传的数据进行主题格式的验证。