基于MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的室內(nèi)小區(qū)自動化監(jiān)測系統(tǒng)

沈剛?cè)A

（萊盟通信科技（上海）有限公司，上海 201101）

1 MQTT通信協(xié)議

為了保障室內(nèi)用戶體驗良好，對于大型商超、大型場館、高層商住樓、地鐵站廳、交通樞紐等面積廣闊、人流集中的重點區(qū)域，電信運營商會定期組織網(wǎng)優(yōu)測試，評估無線覆蓋質(zhì)量，以便及時排除故障、改善業(yè)務(wù)指標(biāo)。但是傳統(tǒng)測試方法必須采購專業(yè)儀表，由人工背負(fù)著步行掃樓，費時費力效率低，且無法獲取長時段的連續(xù)采樣。因此，全天候、自動化和低成本等已成為室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的發(fā)展趨向。

本文采用物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)以及Web訪問等新技術(shù)來實現(xiàn)這一需求，以大量部署的室內(nèi)自動化端站及云計算平臺來取代傳統(tǒng)的人工路測模式。為降低端站硬件要求以及網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷，端云之間通信采用了輕量化的MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是IBM開發(fā)的“輕量級”即時通信協(xié)議，基于TCP/IP協(xié)議棧構(gòu)建和演進(jìn)。MQTT協(xié)議是一種機(jī)器通信協(xié)議，專門為計算能力有限、網(wǎng)絡(luò)傳輸不理想的遠(yuǎn)程傳感器、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備等通信特點而設(shè)計，實用場景通常包括智能家居、智慧城市、遙感數(shù)據(jù)、車聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療醫(yī)護(hù)以及工業(yè)物聯(lián)等，如圖1所示。

圖1 MQTT協(xié)議的應(yīng)用場景

目前MQTT已經(jīng)發(fā)布Python、JAVA、PHP、C/C#、Go等多個語言版本，并成為物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）最重要的通信協(xié)議之一。

MQTT協(xié)議最具特色的內(nèi)容包括：

（1）MQTT處于ISO網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用層，建立TCP連接進(jìn)行數(shù)據(jù)推送，提供有序、無損、字節(jié)流的雙向傳輸。

（2）MQTT運行在應(yīng)用端-服務(wù)器架構(gòu)上的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，對比請求/回答的同步模式，發(fā)布/訂閱模式解耦了消息發(fā)送者與消息接收者之間的直接聯(lián)系，發(fā)布者和訂閱者無需同時在線，一個發(fā)布者可以對應(yīng)多個訂閱者。

（3）MQTT代理服務(wù)器通過主題（Topic )來決定推送消息的方向，每個應(yīng)用程序生成不同的消息主題，代理服務(wù)器將該應(yīng)用程序消息發(fā)送給訂閱該主題的每個客戶端，一個訂閱者允許訂閱多個主題。

（4）MQTT提供 QOS0、QOS1以及 QOS2共 3種級別的服務(wù)質(zhì)量，滿足不同實時性、不同應(yīng)用場景的可靠傳輸。

（5）MQTT消息由固定頭部+可變頭部+消息體組成，采用小數(shù)據(jù)包傳輸，網(wǎng)絡(luò)開銷很少（固定頭部僅2字節(jié)）。

（6）MQTT使用遺囑（Last Will）機(jī)制來處理設(shè)備意外斷線等，在客戶端應(yīng)用連接出現(xiàn)異常的情況下，由服務(wù)器主動向訂閱者發(fā)布客戶端應(yīng)用預(yù)先定義好的主題和對應(yīng)消息。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計了一種物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的室內(nèi)小區(qū)自動化監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2所示。由自動化端站、云計算平臺、Web客戶端等組成，采用輕量化的MQTT通信協(xié)議，采用精簡化的監(jiān)測數(shù)據(jù)集，支持全天候、無間斷地監(jiān)測上報。

圖2 室內(nèi)小區(qū)自動化監(jiān)測系統(tǒng)框架

云計算平臺部署在運營商機(jī)房或公有云機(jī)房，匯集所有自動化端站的上報數(shù)據(jù)，以圖形化界面呈現(xiàn)各站點的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、故障告警等。云計算平臺對外提供北向網(wǎng)管端口、南向輕量化端口、Web端口等。

Web客戶端連接到云計算平臺，允許授權(quán)用戶通過瀏覽器執(zhí)行查詢站點、處理告警、配置端站、綜合統(tǒng)計等各項操作。Web客戶端適配各種主流的Web browser，包括微軟IE、微軟EDGE、Google Chrome、Opera等。

自動化端站作為傳感設(shè)備部署在各種室內(nèi)現(xiàn)場，具有唯一的設(shè)備ID和站點編號，自動化執(zhí)行解碼、撥測、采樣、上報等任務(wù)。

3 云計算平臺設(shè)計

云計算平臺設(shè)計為金字塔式的系統(tǒng)架構(gòu)，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和門戶層等，上級層的運行依賴于下級層提供的應(yīng)用功能模塊或虛擬化服務(wù)資源，如圖3所示。

圖3 云計算平臺設(shè)計架構(gòu)

云計算平臺采用開放架構(gòu)，在私有云環(huán)境（運營商內(nèi)網(wǎng)機(jī)房）或公有云環(huán)境（例如阿里云、騰訊云等）均可部署。

4 自動化端站設(shè)計

自動化端站采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的模塊式設(shè)計，如圖4所示。

圖4 自動化端站模塊架構(gòu)

主控組件選用意法半導(dǎo)體STM32L151CBT6A（低功耗ARM Cortex-M3 32位處理器）作為核心MCU，實現(xiàn)嵌入式、低功耗的系統(tǒng)管控。

無線組件選用LongSung M5700（LTE Cat.1/GSM/GPRS無線模組），實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)接入、信道解碼、數(shù)據(jù)通信等。

5 通信協(xié)議設(shè)計

自動化端站部署在室內(nèi)現(xiàn)場，MQTT服務(wù)器則與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web信服務(wù)器等部署在云計算機(jī)房，端云之間通信的基本內(nèi)容包括：（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)的上報和接收；（2）配置指令的下發(fā)與接收；（3）端站異常、端站上線的通告與接收；（4）固件升級包的請求、下載與接收等。

5.1 端站上報

系統(tǒng)要求自動化端站能夠自動上報、發(fā)布消息，主要有無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)（無線主小區(qū)偵測、無線鄰小區(qū)偵測、業(yè)務(wù)撥測等）以及設(shè)備狀態(tài)通告（設(shè)備掉線、設(shè)備上線等）。云計算平臺關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為主題訂閱者，接收以上消息并刷新數(shù)據(jù)表，如圖5所示。

圖5 端站上報

5.2 端站配置

系統(tǒng)允許手動修改單個端站或所有端站的配置，通過云計算平臺Web服務(wù)器發(fā)布消息，包括MQTT服務(wù)器IP地址、上報周期、PING業(yè)務(wù)參數(shù)等，端站作為主題訂閱者接收消息并執(zhí)行，如圖6所示。

圖6 端站配置

5.3 端站固件升級

系統(tǒng)支持固件版本自動升級，要求Web服務(wù)器和端站交互頻繁，發(fā)布/訂閱角色也在不斷轉(zhuǎn)換，如圖7所示。

圖7 端站升級

端站接收到新版本發(fā)布的通告，如果檢測當(dāng)前固件版本低就會申請升級，升級交互如下：①Web服務(wù)器下發(fā)First packet；②等待端站的Request bin；③Web 服務(wù)器下發(fā)Mid packet；④等待端站的Request bin直到最后一個數(shù)據(jù)包END packet下發(fā)，Web服務(wù)器再下發(fā)校驗值FW_cks。

端站組裝BIN文件并校驗正確后，啟動新固件，如果校驗錯誤則放棄本次升級，等待下一次升級通告。

6 應(yīng)用案例

6.1 試點描述

上海聯(lián)通2020—2021年開展地下停車場FDD LTE室分工程建設(shè)，解決市區(qū)范圍內(nèi)居民小區(qū)、商業(yè)設(shè)施合計2 000余個地下停車場覆蓋差、信號弱的現(xiàn)狀，保障地停區(qū)域內(nèi)語音通話、停車?yán)U費、充電支付、物業(yè)管理、公安監(jiān)控等業(yè)務(wù)通暢。本次與上海聯(lián)通網(wǎng)優(yōu)中心合作，在部分停車場安裝了自動化端站，云計算平臺臨時部署在阿里云環(huán)境。

6.2 端站規(guī)格

自動化端站符合工業(yè)DTU尺寸規(guī)格，采用DC12 V直流供電，設(shè)備接口包括SMA接口、USB接口、SIM卡槽、8路串口端子等，整機(jī)質(zhì)量不到300 g，直接掛墻安裝，如圖8所示。

圖8 自動化端站安裝

6.3 操作界面

（1）地圖化窗口：主導(dǎo)航界面可以全局瀏覽每一個自動化端站，綠色圖標(biāo)表示設(shè)備在線，紅色圖標(biāo)表示設(shè)備故障，點擊圖標(biāo)可查看該端站的狀態(tài)參數(shù)，如圖9所示。

圖9 地圖化管理界面

（2）設(shè)備管理窗口：可以查看所有自動化端站的狀態(tài)列表，方便地對某臺自動化端站作配置、編輯、刪除等操作。

（3）設(shè)備數(shù)據(jù)窗口：可以查看每臺自動化端站上報的監(jiān)測數(shù)據(jù)、ping業(yè)務(wù)列表，進(jìn)而評估室內(nèi)小區(qū)的基本情況，并且允許設(shè)定限制性的篩選條件，包括設(shè)備名稱、設(shè)備類型、安裝區(qū)域、運行時段等，將監(jiān)測數(shù)據(jù)以excel格式導(dǎo)出存檔，以方便進(jìn)一步地專題分析。

6.4 試點評價

截至發(fā)稿試點已上線67臺端站，累計運行6個月，離線率平均在10%左右，經(jīng)排查主要是供電原因（室內(nèi)停電或適配器被拔出），通知物業(yè)恢復(fù)上電即可排除。自動化監(jiān)測上報解放了網(wǎng)優(yōu)資源投入，試點期間預(yù)計節(jié)省了60人/d以上的測試量，驗證了對室內(nèi)低業(yè)務(wù)區(qū)域遠(yuǎn)程監(jiān)控、無人巡檢的方案可行性。

7 結(jié) 論

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，包括上網(wǎng)瀏覽、即時通信、在線購物、高清視頻、AR/VR等移動新業(yè)務(wù)主要發(fā)生在室內(nèi)場景，室內(nèi)深度覆蓋（包括公共接入、行業(yè)互聯(lián)）已成為支撐運營商績效增長的重要手段，為保證室內(nèi)用戶的滿意體驗，運營商需要對室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)性能作測試評估、優(yōu)化排障。

相比傳統(tǒng)的室內(nèi)人工路測模式，本文介紹的自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用端云一體、物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、MQTT消息協(xié)議等新技術(shù)，具有全天候監(jiān)測、智能化升級、低成本部署等系統(tǒng)優(yōu)勢，不需要投入人力或儀表，費用節(jié)省50%以上。

該自動化監(jiān)測系統(tǒng)既可以部署在地下停車場、地下人防設(shè)施、地下隧道等低業(yè)務(wù)場景，滿足無人巡檢需求；也可以部署在大型商超、大型場館、高層寫字樓、交通樞紐等密集業(yè)務(wù)場景，提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)警功能，應(yīng)用前景非常廣泛，必將成為電信運營商更為輕松、便捷的網(wǎng)優(yōu)運維手段。