CN113364838B - 一种基于mqtt的设备自组网方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于MQTT的设备自组网方法，属于物联网技术领域，包括根据预设策略将组网设备划分为主设备和从设备，主设备和从设备分别通过MQTT协议与MQTT服务器建立通信连接。从设备向MQTT服务器订阅主设备上线主题的消息，从设备接收到该消息后向主设备发送设备即时信息，主设备接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备加入设备组并更新设备组信息。主设备向MQTT服务器订阅从设备下线主题的消息，主设备接收到该消息后，将发布该消息的从设备由设备组中删除并更新设备组信息。本发明能够实现无人自主组网，降低设备组网的难度和出错率，提高异常情况下的自恢复能力。

Description

一种基于MQTT的设备自组网方法及系统

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种基于MQTT的设备自组网方法及系统。

背景技术

近年来物联网技术在智慧工厂系统中获得大量应用，为工厂设备提供健康状况的管理与调度，让设备管理者在任何地方均可掌握设备的运转状况、运转趋势及健康情形，使所有机器均处最佳状况，并可提出预防性维修建议。

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)是一种基于publish/subscribe(发布/订阅)模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议)协议上，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。MQTT协议可以用来上报终端设备实时数据给管理平台，也可以被管理平台用来下发配置信息到终端设备。

一般对于工厂中的大型设备，经常有设备组的概念，需要将多台设备的数据组合起来，成为一套设备组的数据，因此设备需要组网成设备组。比如一座泵站，通常是由取水和引水构筑物、进水构筑物、泵房和阀门井等多个工程设施组成，需要将这些设备的数据全部收集起来组合成一套泵站。

设备组网通常是通过人工配置的方式完成，不仅需要对每台设备做单独配置，而且还需要对管理平台做相应配置，不仅操作繁琐，而且极易出错，并且出错后也很难查找问题，找到问题后又很难订正，极其费时费力。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的提供一种基于MQTT的设备自组网方法及系统，实现无人自主组网，降低设备组网的难度和出错率，提高异常情况下的自恢复能力。

为达到以上目的，采取的技术方案是：

一种基于MQTT的设备自组网方法，所述方法包括：

根据预设策略将组网设备划分为主设备和从设备，主设备和从设备分别通过MQTT协议与MQTT服务器建立通信连接；

从设备向MQTT服务器订阅主设备上线主题的消息，从设备接收到该消息后向主设备发送设备即时信息，主设备接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备加入设备组并更新设备组信息；

主设备向MQTT服务器订阅从设备下线主题的消息，主设备接收到该消息后，将发布该消息的从设备由设备组中删除并更新设备组信息。

优选的，所述方法还包括：

MQTT服务器通过HTTPS协议与一管理平台建立通信连接；

主设备周期性将设备组信息发送至管理平台；以及

主设备将从设备加入设备组后，将更新后的设备组信息发送至管理平台；以及

主设备将从设备由设备组中删除后，将更新后的设备组信息发送至管理平台。

优选的，所述方法还包括：

主设备周期性向MQTT服务器发布主设备上线主题的消息，MQTT服务器将主设备上线主题的最新消息发送给订阅该主题的所有从设备；

从设备周期性向MQTT服务器发布从设备下线主题的消息，MQTT服务器将从设备下线主题的最新消息发送给订阅该主题的所有主设备。

优选的，从设备接收到主设备上线主题的消息后向主设备发送设备即时信息的具体步骤如下：

从设备接收到主设备上线主题的消息后，对主设备上线主题的消息进行解析得到发布该消息的主设备的设备地址，根据该设备地址向主设备发送设备即时信息。

优选的，主设备接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备加入设备组并更新设备组信息的具体步骤如下：

主设备接收到设备即时信息后，判断发送该信息的从设备是否在设备组中，若是，则根据设备即时信息更新设备组信息；若否，则将发送设备即时信息的从设备加入设备组，并更新设备组信息。

优选的，主设备接收到从设备下线主题的消息后，将发布该消息的从设备由设备组中删除并更新设备组信息的具体步骤如下：

主设备接收到从设备下线主题的消息后，判断发布该消息的从设备是否在设备组中，若是，则将发布该消息的从设备由设备组中删除，并更新设备组信息；若否，则忽略该消息。

优选的，主设备上线主题的消息包括主设备的IP地址、服务绑定端口、支持的设备类型、参数类型、以及单位。

一种基于MQTT的设备自组网系统，所述系统包括：

组网设备，具有多台；

管理平台，其用于根据预设策略将组网设备划分为主设备和从设备，并分别为主设备和从设备配置本地文件；

MQTT服务器，其连接管理平台，用于通过MQTT协议分别与主设备和从设备建立通信连接；

管理平台还用于管理主设备向MQTT服务器发布主设备上线主题的消息、管理从设备向MQTT服务器订阅主设备上线主题的消息、管理从设备向MQTT服务器发布从设备下线主题的消息、以及管理主设备向MQTT服务器订阅从设备下线主题的消息；

从设备接收到主设备上线主题的消息后，向主设备发送设备即时信息，主设备接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备加入设备组并更新设备组信息；

主设备接收到从设备下线主题的消息后，将发布该消息的从设备由设备组删除并更新设备组信息。

优选的，从设备包括：

第一MQTT管理模块，其通过MQTT协议与MQTT服务器建立通信连接，用于接收MQTT服务器发送的主设备上线主题的消息并输出；还用于向MQTT服务器发布设备下线主题的消息；

第一数据收集模块，其用于采集本地传感器上传的设备即时信息并输出；

第一数据发送模块，其连接第一MQTT管理模块和第一数据收集模块，用于接收主设备上线主题的消息和设备即时信息，并对主设备上线主题的消息进行解析得到发布该消息的主设备的设备地址后，向该设备地址的主设备发送设备即时信息。

优选的，主设备包括：

第二MQTT管理模块，其通过MQTT协议与MQTT服务器建立通信连接，用于向MQTT服务器发送主设备上线主题的消息；还用于接收MQTT服务器发布的从设备下线主题的消息并输出；

第二数据收集模块，其用于接收从设备发送的设备即时信息并输出；

数据组装模块，其连接第二MQTT管理模块和第二数据收集模块，用于接收设备即时信息并根据该信息组装设备组，并输出更新后的设备组的组数据；还用于接收从设备下线主题的消息并根据该消息将从设备由设备组中删除，并输出更新后的设备组的组数据；

第二数据发送模块，其连接数据组装模块，用于接收组数据并将其发送至管理平台。

本发明的有益效果：

(1)只要设备组配置了一台主设备，该主设备就会自动发布主设备上线主题的消息，所有订阅了该主题的从设备都会自动加入该主设备组建的设备组，实现自动组网。

(2)任何从设备除了可以自行加入设备组，也可以通过发布从设备下线主题的消息，让订阅了该主题的主设备得知该从设备下线，因此将其从组建的设备组删除，实现自动退网。

(3)主设备和从设备都会周期性发布上线主题，使得比自身后上线的设备也能收到主题消息，因此可以对主设备和从设备的上线顺序不做要求。

(4)因为只有主设备向管理平台报告设备组信息，因此管理平台只与主设备打交道，无须与其他任何从设备交互，管理平台的设计将会非常简单。利用MQTT协议使多个组网设备实现自动发现、互相认证、自动组网，最后归并汇总数据到管理平台，自动在管理平台创建设备组，能够降低设备组网的难度和出错概率，提高异常状况的恢复能力。

(5)由于MQTT协议具有低开销、高可靠、轻巧简单等优点，因此基于MQTT的设备自组网方法及系统也具有这些优点。

附图说明

图1为本发明实施例中，设备自组网方法的流程图。

图2为本发明实施例中，设备自组网方法系统的功能模块示意图。

图3为本发明实施例中，从设备的功能模块示意图。

图4为本发明实施例中，主设备的功能模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。此外，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于MQTT的设备自组网方法的实施例，该方法包括：

步骤S1、根据预设策略将组网设备划分为主设备1和从设备2，主设备1和从设备2分别通过MQTT协议与MQTT服务器3建立通信连接。

步骤S2、从设备2向MQTT服务器3订阅主设备上线主题的消息，从设备2接收到该消息后向主设备1发送设备即时信息，主设备1接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备2加入设备组并更新设备组信息。

步骤S3、主设备1向MQTT服务器3订阅从设备下线主题的消息，主设备1接收到该消息后，将发布该消息的从设备2从设备2组删除并更新设备组信息。

本实施例中，预设策略根据用户需求设定，例如根据用户需求为所有组网设备配置本地配置文件，在组网上，根据本地配置文件判断每个组网设备是主设备1还是从设备2。只要设备组配置了一台主设备1，该主设备1就会自动发布主设备上线主题的消息，所有订阅了该主题的从设备2都会自动加入该主设备1组建的设备组，实现自动组网。任何从设备2除了可以自行加入设备组，也可以通过发布从设备下线主题的消息，让订阅了该主题的主设备1得知该从设备2下线，因此将其从组建的设备组删除，实现自动退网。

利用MQTT协议使多个组网设备实现自动发现、互相认证、自动组网，自动创建设备组，能够降低设备组网的难度和出错概率，提高异常状况的恢复能力。由于MQTT协议具有低开销、高可靠、轻巧简单等优点，因此基于MQTT的设备自组网方法及系统也具有这些优点。

较佳的实施例中，上述方法还包括：

MQTT服务器3通过HTTPS协议与一管理平台4建立通信连接。主设备1周期性将设备组信息发送至管理平台4。并且主设备1将从设备2加入设备组后，将更新后的设备组信息发送至管理平台4。并且主设备1将从设备2从设备2组删除后，将更新后的设备组信息发送至管理平台4。

本实施例中，只有主设备1向管理平台4报告设备组信息，因此管理平台4只与主设备1打交道，无须与其他任何从设备2交互，管理平台4的设计将会非常简单。利用MQTT协议使多个组网设备实现自动发现、互相认证、自动组网，最后归并汇总数据到管理平台4，自动在管理平台4创建设备组，能够降低设备组网的难度和出错概率，提高异常状况的恢复能力。

在较佳的实施例中，上述方法还包括：

主设备1周期性向MQTT服务器3发布主设备上线主题的消息，MQTT服务器3将主设备上线主题的最新消息发送给订阅该主题的所有从设备2。从设备2周期性向MQTT服务器3发布从设备下线主题的消息，MQTT服务器3将从设备下线主题的最新消息发送给订阅该主题的所有主设备1。

本实施例中，主设备1和从设备2都会周期性发布上线主题，使得比自身后上线的设备也能收到主题消息，因此可以对主设备1和从设备2的上线顺序不做要求。

较佳的实施例中，从设备2接收到主设备上线主题的消息后向主设备1发送设备即时信息的具体步骤如下：

从设备2接收到主设备上线主题的消息后，对主设备上线主题的消息进行解析得到发布该消息的主设备1的设备地址，根据该设备地址向主设备1发送设备即时信息。

本实施例中，主设备1与MQTT服务器3建立连接后，主设备1可以向MQTT服务器3发布主设备上线主题的消息，该消息包含主设备1的各项信息，如IP地址、服务绑定端口、支持的设备类型、参数类型、单位等。所有订阅过该主题的从设备2都会收到的主设备上线主题的消息，从而得知主设备1的各项信息。

从设备2与MQTT服务器3建立连接后，从设备2可以向MQTT服务器3发布从设备上线主题的消息，该消息包含从设备2的各项信息，如IP地址、服务绑定端口、设备类型、参数个数、参数类型、单位等。所有订阅过该主题的从设备2都会收到的从设备上线主题的消息，从而得知从设备2的各项信息。

较佳的实施例中，主设备1接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备2加入设备组并更新设备组信息的具体步骤如下：

主设备1接收到设备即时信息后，判断发送该信息的从设备2是否在设备组中，若在，则根据设备即时信息更新设备组信息，若不在，则将发送设备即时信息的从设备2加入设备组，并更新设备组信息。

本实施例中，主设备1先查询该从设备2是否在现有设备组中，如在则直接更新其设备组数据再上报设备组数据给管理平台4，如不在则说明是新的从设备2，此时应将此从设备2加入设备组，更新设备组信息，再将设备组数据上报给管理平台4。

较佳的实施例中，主设备1接收到从设备下线主题的消息后，将发布该消息的从设备2从设备2组删除并更新设备组信息的具体步骤如下：

主设备1接收到从设备下线主题的消息后，判断发布该消息的从设备2是否在设备组中，如在，则将发布该消息的从设备2从设备2组删除，并更新设备组信息，如不在，则忽略该消息。

本实施例中，主设备1先查询该从设备2是否在现有设备组中，如在则将其从设备2组中删除后上报给管理平台4，如不在则忽略。

如图2所示，本申请还公开一种基于MQTT的设备自组网系统实施例，该系统包括：

管理平台4，其用于根据预设策略将组网设备划分为主设备1和从设备2，并分别为主设备1和从设备2配置本地文件。

MQTT服务器3，其连接管理平台4，用于通过MQTT协议分别与主设备1和从设备2建立通信连接。管理平台4还用于管理主设备1向MQTT服务器3发布主设备上线主题的消息、管理从设备2向MQTT服务器3订阅主设备上线主题的消息、管理从设备2向MQTT服务器3发布从设备下线主题的消息、以及管理主设备1向MQTT服务器3订阅从设备下线主题的消息。

从设备2接收到主设备上线主题的消息后，向主设备1发送设备即时信息，主设备1接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备2加入设备组并更新设备组信息。主设备1接收到从设备下线主题的消息后，将发布该消息的从设备2从设备2组删除并更新设备组信息。

如图3所示，为从设备2的功能模块示意图，从设备2包括：

第一MQTT管理模块21，其通过MQTT协议与MQTT服务器3建立通信连接，用于接收MQTT服务器3发送的主设备上线主题的消息并输出；还用于向MQTT服务器3发布设备下线主题的消息。具体的，第一MQTT管理模块21负责与MQTT服务器3建立连接、维护链路、接收主设备上线主题的消息。

第一数据收集模块23，其用于采集本地传感器上传的设备即时信息并输出。具体的，负责从本地传感器收集设备实时数据并通过本地socket转给数据发送模块。

第一数据发送模块22，其连接第一MQTT管理模块21和第一数据收集模块23，用于接收主设备上线主题的消息和设备即时信息，并对主设备上线主题的消息进行解析得到发布该消息的主设备1的设备地址后，向该设备地址的主设备1发送设备即时信息。具体的，负责解析主设备上线主题的消息，从而得知主设备1各项信息，然后再将设备数据通过HTTPS协议发送给主设备1。

如图4所示，为主设备1的功能模块的示意图，主设备1包括：

第二MQTT管理模块11，其通过MQTT协议与MQTT服务器3建立通信连接，用于向MQTT服务器3发送主设备上线主题的消息；还用于接收MQTT服务器3发布的从设备下线主题的消息并输出。具体的，负责与MQTT服务器3建立连接、维护链路、发布主设备上线主题的消息。

第二数据收集模块12，其用于接收从设备2发送的设备即时信息并输出。具体的，负责从各从设备2收集实时数据并通过本地socket转给数据组装模块。

数据组装模块13，其连接第二MQTT管理模块11和第二数据收集模块12，用于接收设备即时信息并根据该信息组装设备组，并输出更新后的设备组的组数据；还用于接收从设备下线主题的消息并根据该消息将从设备2从设备2组删除，并输出更新后的设备组的组数据。具体的，负责将各设备数据根据设备类型分类，然后组装成设备组，再将设备组数据通过本地socket转给数据发送模块。

数据发送模块14，其连接数据组装模块13，用于接收组数据并将其发送至管理平台4。具体的，将设备组数据作为一个整体通过HTTPS发送给管理平台4。

具体实施例中，主设备1与MQTT服务器3之间以及从设备2与MQTT服务器3之间均可采用标准为QOS2的通信服务，即主设备1和从设备2必须确认MQTT服务器3收到了消息并且返回了响应，若在一段时间内没有收到来自MQTT服务器3的响应，则会重发消息，直到收到来自MQTT服务器3的响应。

主设备1周期性判断此时是否已到报告设备组数据时间，如果时间已到则向管理平台4上报最新的设备组数据，即将目前已有的设备组信息打包发给管理平台4，然后继续向MQTT服务器3发布主设备上线主题的消息。如果时间未到则主设备1判断是否已收到来自任何从设备2通过HTTPS发来的数据，没收到则继续等待，收到则判断是否来自新的从设备2，如来自新的从设备2则将其添加到设备组后将更新后的设备组信息上报管理平台4，如来自旧的从设备2则直接更新设备组信息后上报管理平台4。

主设备1是根据上报频率周期性上报设备组信息的，但不同的从设备2上线时间不同，特别是有些从设备2可能是后来才加入的，因此主设备1上报给管理平台4的设备组信息会随着时间变化。主设备1除了需要周期性向管理平台4报告设备组数据之外，还需要周期性发布主设备上线主题的消息，以保证在主设备1上线之后上线的从设备2也能收到该消息。

从设备2从传感器收集设备即时数据后，判断是否有来自MQTT服务器3的主设备上线主题的消息，如果没有则回到收集数据的状态，如果有，从设备2从MQTT服务器3发布的主设备上线主题的消息内容中解析出主设备1的IP地址和端口，从设备2通过HTTPS向主设备1发送设备即时数据。

当任意一从设备2下线时，会通过MQTT服务器3发布从设备下线主题的消息，订阅了从设备下线主题的主设备1会马上得知该消息，立刻将该从设备2的状态置为下线，并通过HTTPS及时通知管理平台4。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于MQTT的设备自组网方法，其特征在于，所述方法包括：

根据预设策略将组网设备划分为主设备和从设备，主设备和从设备分别通过MQTT协议与MQTT服务器建立通信连接；

从设备向MQTT服务器订阅主设备上线主题的消息，从设备接收到该消息后向主设备发送设备即时信息，主设备接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备加入设备组并更新设备组信息；

主设备向MQTT服务器订阅从设备下线主题的消息，主设备接收到该消息后，将发布该消息的从设备由设备组中删除并更新设备组信息。

2.如权利要求1所述的基于MQTT的设备自组网方法，其特征在于，所述方法还包括：

MQTT服务器通过HTTPS协议与一管理平台建立通信连接；

主设备周期性将设备组信息发送至管理平台；以及

主设备将从设备加入设备组后，将更新后的设备组信息发送至管理平台；以及

主设备将从设备由设备组中删除后，将更新后的设备组信息发送至管理平台。

3.如权利要求1所述的基于MQTT的设备自组网方法，其特征在于，所述方法还包括：

主设备周期性向MQTT服务器发布主设备上线主题的消息，MQTT服务器将主设备上线主题的最新消息发送给订阅该主题的所有从设备；

从设备周期性向MQTT服务器发布从设备下线主题的消息，MQTT服务器将从设备下线主题的最新消息发送给订阅该主题的所有主设备。

4.如权利要求1所述的基于MQTT的设备自组网方法，其特征在于，从设备接收到主设备上线主题的消息后向主设备发送设备即时信息的具体步骤如下：

从设备接收到主设备上线主题的消息后，对主设备上线主题的消息进行解析得到发布该消息的主设备的设备地址，根据该设备地址向主设备发送设备即时信息。

5.如权利要求1所述的基于MQTT的设备自组网方法，其特征在于，主设备接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备加入设备组并更新设备组信息的具体步骤如下：

主设备接收到设备即时信息后，判断发送该信息的从设备是否在设备组中，若是，则根据设备即时信息更新设备组信息；若否，则将发送设备即时信息的从设备加入设备组，并更新设备组信息。

6.如权利要求1所述的基于MQTT的设备自组网方法，其特征在于，主设备接收到从设备下线主题的消息后，将发布该消息的从设备由设备组中删除并更新设备组信息的具体步骤如下：

主设备接收到从设备下线主题的消息后，判断发布该消息的从设备是否在设备组中，若是，则将发布该消息的从设备由设备组中删除，并更新设备组信息；若否，则忽略该消息。

7.如权利要求1所述的基于MQTT的设备自组网方法，其特征在于，主设备上线主题的消息包括主设备的IP地址、服务绑定端口、支持的设备类型、参数类型、以及单位。

8.一种基于MQTT的设备自组网系统，其特征在于，所述系统包括：

组网设备，具有多台；

管理平台，其用于根据预设策略将组网设备划分为主设备和从设备，并分别为主设备和从设备配置本地文件；

MQTT服务器，其连接管理平台，用于通过MQTT协议分别与主设备和从设备建立通信连接；

管理平台还用于管理主设备向MQTT服务器发布主设备上线主题的消息、管理从设备向MQTT服务器订阅主设备上线主题的消息、管理从设备向MQTT服务器发布从设备下线主题的消息、以及管理主设备向MQTT服务器订阅从设备下线主题的消息；

从设备接收到主设备上线主题的消息后，向主设备发送设备即时信息，主设备接收到设备即时信息后，将发送该信息的从设备加入设备组并更新设备组信息；

主设备接收到从设备下线主题的消息后，将发布该消息的从设备由设备组删除并更新设备组信息。

9.如权利要求8所述的基于MQTT的设备自组网系统，其特征在于，从设备包括：

第一MQTT管理模块，其通过MQTT协议与MQTT服务器建立通信连接，用于接收MQTT服务器发送的主设备上线主题的消息并输出；还用于向MQTT服务器发布设备下线主题的消息；

第一数据收集模块，其用于采集本地传感器上传的设备即时信息并输出；

第一数据发送模块，其连接第一MQTT管理模块和第一数据收集模块，用于接收主设备上线主题的消息和设备即时信息，并对主设备上线主题的消息进行解析得到发布该消息的主设备的设备地址后，向该设备地址的主设备发送设备即时信息。

10.如权利要求9所述的基于MQTT的设备自组网系统，其特征在于，主设备包括：

第二MQTT管理模块，其通过MQTT协议与MQTT服务器建立通信连接，用于向MQTT服务器发送主设备上线主题的消息；还用于接收MQTT服务器发布的从设备下线主题的消息并输出；

第二数据收集模块，其用于接收从设备发送的设备即时信息并输出；

数据组装模块，其连接第二MQTT管理模块和第二数据收集模块，用于接收设备即时信息并根据该信息组装设备组，并输出更新后的设备组的组数据；还用于接收从设备下线主题的消息并根据该消息将从设备由设备组中删除，并输出更新后的设备组的组数据；

第二数据发送模块，其连接数据组装模块，用于接收组数据并将其发送至管理平台。

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