0 引言

    隨著海洋的不斷開發(fā)、探索,，以及生活垃圾等污染物的排放,，海洋環(huán)境遭到嚴重破壞，因此保護海洋環(huán)境刻不容緩,。為了加強海洋環(huán)境的保護,，提高對海洋環(huán)境的合理開發(fā)利用，人們迫切地需要提高海洋監(jiān)測技術(shù),，實現(xiàn)對海洋信息實時監(jiān)測,，更好地實現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警,、資源利用、環(huán)境保護以及各種軍事活動,。海洋監(jiān)測基于傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),，通過多個傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)并上傳到控制中心實現(xiàn)。傳統(tǒng)的單片機進行傳感器數(shù)據(jù)的采集與傳輸,，只能進行單任務(wù)，在較復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集傳輸中就顯得力不從心,。而實時操作系統(tǒng)可以設(shè)置多個任務(wù),，每個任務(wù)執(zhí)行的周期是可靠的，可以優(yōu)先快速地執(zhí)行對實時性要求高的事件,，并且程序的設(shè)計相對簡單,，功能的拓展也比較容易。在數(shù)據(jù)傳輸上,，消息隊列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport,，MQTT)協(xié)議設(shè)計之初充分考慮了網(wǎng)絡(luò)的不確定性，協(xié)議代碼量少,，報文精簡,，可以適應(yīng)不理想的網(wǎng)絡(luò)條件，提供實時可靠的消息服務(wù),。因此對于海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來說,，在實時操作系統(tǒng)上利用傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)并通過MQTT協(xié)議進行交互成為一種可靠的選擇。

1 FreeRTOS簡介

    FreeRTOS操作系統(tǒng)內(nèi)核占用空間小,，實時性高,，源碼公開、可移植,，可以在資源有限的微控制器中運行,。FreeRTOS在任務(wù)調(diào)度上支持搶占式、合作式和時間片式,，任務(wù)數(shù)量沒有限制,，不同任務(wù)可以設(shè)置不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級隨數(shù)值的增大而提高,，同一優(yōu)先級也可以設(shè)置不同任務(wù)^[1],。與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，F(xiàn)reeRTOS比較簡單,，上手容易,，商業(yè)上免費，而且社會占有量高,。

2 MQTT協(xié)議

2.1 MQTT簡介

    MQTT是一款發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的消息傳輸協(xié)議,。該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上,，并且具有簡單、規(guī)范,、開銷低,、易于實現(xiàn)的特點。這些特點使得它對于一些要求低功耗,、低帶寬等受限的環(huán)境來說是很好的選擇,，因此MQTT協(xié)議被廣泛應(yīng)用在物-物通信以及物聯(lián)網(wǎng)中。

2.2 MQTT特點

    (1)MQTT可以實現(xiàn)消息一對多分發(fā),；

    (2)對負載內(nèi)容屏蔽,；

    (3)傳輸消息提供3種服務(wù)質(zhì)量，用戶可根據(jù)實際應(yīng)用權(quán)衡效率與服務(wù)質(zhì)量,；

    (4)協(xié)議報文的精簡,，減少對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的依賴；

    (5)客戶端異常中斷的通知機制,。

2.3 MQTT結(jié)構(gòu)

    MQTT協(xié)議中有發(fā)布者,、代理服務(wù)器、訂閱者3種身份,?？蛻舳撕痛矸?wù)器首先需要通過交互連接請求報文來建立連接，之后客戶端向代理服務(wù)器發(fā)布消息,，而訂閱者可以向消息代理服務(wù)器訂閱消息,。在此協(xié)議模型中代理服務(wù)器相當于一個轉(zhuǎn)發(fā)者，轉(zhuǎn)發(fā)的消息通過主題來區(qū)分,。協(xié)議模型如圖1所示,。MQTT協(xié)議通過這種消息模式，可以實現(xiàn)多對多的通信,，靈活性高,，并且發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備不直接相連，實現(xiàn)了發(fā)布者與訂閱者解耦^[1],。

2.4 MQTT數(shù)據(jù)包

    MQTT數(shù)據(jù)包整體上可以分為固定頭,、可變頭、有效載荷,，其中固定頭在所有報文中都存在,，而可變頭和有效載荷是否存在則取決于報文類型。

    (1)固定頭（Fixed header）

    固定頭在MQTT所有報文中都存在,，大小為2~5 B,，第一字節(jié)用來表示報文類型和標志字段，第二字節(jié)開始是剩余長度字段。固定頭格式如表1,。

    表1中,，Message Type用4個位表示14種消息類型；QoS level代表服務(wù)質(zhì)量：QoS0,、QoS1,、QoS2，等級越高對系統(tǒng)的要求越高,，而效率越低,；Remaining Length表示剩余長度，最大4 B,。

    (2)可變頭（Variable header）

    固定報頭之后是可變頭,，不同報文的可變頭是不同的?？勺儓箢^的報文標識符字段并不是所有報文都存在，在客戶端發(fā)送的報文中,，如果帶報文標識符,，則報文標識符必須是當前未使用的。

    (3)有效載荷（Payload）

    有效載荷是緊跟可變頭的MQTT數(shù)據(jù)包的最后一部分,，存在于CONNECT,、SUBSCRIBE、SUBACK,、UNSUBSCRIBE,、PUBLISH 5種報文消息中，其中PUBLISH中是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù),，可根據(jù)需要選擇是否帶有效載荷,。

3 MQTT在FreeRTOS上的應(yīng)用

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

3.1.1 應(yīng)用條件

    首先在STM32上移植FreeRTOS，其次要支持TCP/IP協(xié)議,。對于嵌入式系統(tǒng)來說,，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議分為軟件方法和硬件方法，軟件上可以通過移植uIP,、LwIP等協(xié)議棧實現(xiàn),；硬件上可以選擇STM32互聯(lián)型產(chǎn)品，或者STM32連接以太網(wǎng)收發(fā)芯片,、WiFi模塊等來實現(xiàn),。

3.1.2 硬件電路設(shè)計

    本文采用STM32連接W5500芯片的方案，與其他方法相比更加快捷,、簡便,。W5500芯片集成了TCP/IP協(xié)議棧，提供了SPI外設(shè)接口,，方便了與MCU相連,，使用全新的SPI協(xié)議,，速率能達到80 MHz。利用W5500提供的官方驅(qū)動庫函數(shù)與SPI接口的驅(qū)動函數(shù),，進行必要的初始化參數(shù)配置,，就可以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。W5500的兩種工作模式中,，選用了可以與其他設(shè)備共享SPI接口的可變數(shù)據(jù)長度模式（VDM）,，由SCSn控制數(shù)據(jù)段長度，可以選擇1 B～N B的任意數(shù)據(jù)段長度,。硬件電路連接如圖2所示,。

    W5500通過SPI接口連接MCU，其中PC5用于初始化以太網(wǎng)芯片,，如果連接斷開可以通過PC5及時控制W5500,，PA4~PA5用于SPI通信，PB0控制W5500的中斷生效,。W5500的差分信號傳輸TXP/TXN和差分信號接收RXP/RXN,，分別與網(wǎng)絡(luò)接口RJ45中的網(wǎng)絡(luò)變壓器相連，并且連接活動狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)連接指示燈,。選擇HR911105A作為網(wǎng)絡(luò)接口,，它本身自帶網(wǎng)絡(luò)變壓器，可以增強信號,，保證了通信距離,，同時使W5500與外部隔離，提高了抗干擾能力,。整個電路設(shè)計簡單,，同時也保證了數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性。

3.2 報文時序

    以傳輸服務(wù)質(zhì)量QoS2為例,，MQTT的報文時序如圖3所示,。

    (1)訂閱者客戶端向代理服務(wù)器發(fā)送CONNECT報文請求連接，代理服務(wù)器返回CONNACK確認連接,，訂閱者客戶端與代理服務(wù)器建立了網(wǎng)絡(luò)連接,；

    (2)訂閱者客戶端向代理服務(wù)器發(fā)布SUBSCRIBE報文訂閱主題，代理服務(wù)器返回SUBACK確認訂閱,；

    (3)發(fā)布者客戶端向代理服務(wù)器發(fā)送CONNECT報文請求連接,，代理服務(wù)器返回CONNACK確認連接，發(fā)布者客戶端與代理服務(wù)器建立了網(wǎng)絡(luò)連接,；之后發(fā)布者通過PUBLISH發(fā)布消息,。如果傳輸消息的服務(wù)質(zhì)量為QoS2，代理服務(wù)器和發(fā)布者之間會通過三步報文PUBREC、PUBREL,、PUBCOMP來確定PUBLISH消息精確收到,；

    (4)訂閱者客戶端通過發(fā)送PINGREQ報文進行心跳連接表示自己還連接著，代理服務(wù)器回復(fù)PINGRESP報文響應(yīng)心跳,，確認客戶端還在連接,；

    (5)代理服務(wù)器把從發(fā)布者客戶端接收到的特定主題的信息，轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱此主題的客戶端,；

    (6)訂閱者客戶端向代理服務(wù)器發(fā)布取消訂閱主題報文UNSUBSCRIBE,，代理服務(wù)器發(fā)布UNSUBACK報文，確認收到了對方的取消訂閱報文,；

    (7)客戶端發(fā)送給代理服務(wù)器的最后一個控制報文,，表示客戶端正常斷開連接^[1]。

3.3 任務(wù)設(shè)計以及優(yōu)先級

    FreeRTOS的每個任務(wù)都可以分配一個0~（configMAX_PRIORITIES-1）的優(yōu)先級,，0的優(yōu)先級最低,。FreeRTOS搶占式任務(wù)調(diào)度器總是保證處于就緒態(tài)或者運行態(tài)的最高優(yōu)先級的任務(wù)運行，而時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度器則是保證處于相同優(yōu)先級的任務(wù)輪轉(zhuǎn)運行時間片的長度,，當時間片用完或者調(diào)用阻塞式API函數(shù)時,，任務(wù)切換。時間片的長度可以自己設(shè)置,，時間片太短任務(wù)會頻繁地切換，降低了CPU的效率,；而時間片太長又會造成實時響應(yīng)變差,，一般選擇100 ms^[1]。FreeRTOS上的MQTT應(yīng)用包含的任務(wù)以及優(yōu)先級設(shè)計如圖4所示,。

3.4 應(yīng)用

    在海下通過海流計和水深計收集數(shù)據(jù),，并經(jīng)過水密網(wǎng)線傳輸?shù)礁松系姆?wù)器，代理服務(wù)器選擇mosquitto軟件,。首先通過W5500的Socket編程實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能,，在此基礎(chǔ)上進行MQTT的任務(wù)設(shè)計。在任務(wù)編寫過程中為了簡潔將W5500數(shù)據(jù)發(fā)送和接收封裝到MQTT函數(shù)Mqtt_SendPkt,、Mqtt_RecvPkt中,。

    (1)Receive_task：優(yōu)先級設(shè)為9。調(diào)用Mqtt_InitContext函數(shù),，初始化MqttContext即MQTT運行上下文,，并將設(shè)置MqttContext中的回調(diào)函數(shù)及關(guān)聯(lián)參數(shù)；調(diào)用Mqtt_RecvPkt函數(shù)接收服務(wù)器消息,，函數(shù)內(nèi)封裝了W5500的接收函數(shù),，當接收到數(shù)據(jù)會進入中斷，調(diào)用函數(shù)讀取。在Mqtt_RecvPkt函數(shù)中對接收到的數(shù)據(jù)進行解析,，低于2 B的數(shù)據(jù)標記錯誤,。調(diào)用Mqtt_Dispatch函數(shù)對收到的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)高4位控制報文類型進行解析，根據(jù)報文類型回調(diào)響應(yīng)函數(shù)或者設(shè)置標志位,。例如收到的是PUBREC控制報文,，則調(diào)用響應(yīng)函數(shù)發(fā)布PUBREL報文。任務(wù)流程如圖5所示,。

    (2)Heart_task：優(yōu)先級設(shè)為8,。在網(wǎng)絡(luò)連接的情況下通過Mqtt_PackPingReqPkt封裝數(shù)據(jù)包，PINGREQ報文固定頭部第一字節(jié)高4位設(shè)為12,，即報文類型為心跳請求,，低4位為0，剩余長度字節(jié)為0,，即沒有可變報頭和有效載荷,，通過Mqtt_SendPkt發(fā)送后掛起任務(wù)，等待響應(yīng),。當接收任務(wù)收到了消息并解析為PINGRESP報文,，標記收到心跳響應(yīng)；若超過檢測次數(shù)還沒有收到心跳響應(yīng),，則調(diào)用getSn_SR函數(shù),，獲取Socket連接狀態(tài)；如果連接失敗,，標記設(shè)備錯誤,，否則標記協(xié)議錯誤，之后掛起任務(wù)2 min15 s,。在CONNECT報文的可變報頭中設(shè)置心跳時間Keep Alive,，單位是s，這里設(shè)置為180,。任務(wù)流程如圖6所示,。

    (3)Fault_task：優(yōu)先級為7。根據(jù)標志位,，如果協(xié)議出錯,，則發(fā)送DISCONNECT報文，然后發(fā)送CONNECT報文進行重新連接,；如果設(shè)備出錯,，則發(fā)送DISCONNECT報文，斷開網(wǎng)絡(luò)連接,，進行W5500芯片的初始化,，最后進行MQTT重新連接,。

    (4)Sensor_task：優(yōu)先級為6。檢測海流計和水深計的存在,，并讀取海流計或水深計的數(shù)據(jù),。

    (5)Send_task：優(yōu)先級為5。在網(wǎng)絡(luò)連接的情況下,，調(diào)用Mqtt_PackPublishPkt封裝數(shù)據(jù),，設(shè)置報文格式為PUBLISH，服務(wù)質(zhì)量為至少分發(fā)一次,，retain設(shè)置為1,。在水深計中報文設(shè)置如表2，設(shè)置固定報頭剩余長度為13,、可變報頭主題名為depth,、有效載荷為4 B的水深計數(shù)據(jù)；在海流計中設(shè)置固定報頭剩余長度為59,、可變報頭主題名為current,、有效載荷是海流計的數(shù)據(jù)，其中第5~8個字節(jié)為溫度,，第29~32字節(jié)是方位,，第33~36字節(jié)是流速，第45~48字節(jié)是電壓,。例如：海流計數(shù)據(jù)pval,，9.381，-0.311,，-0.993,，-0.221，0.340,，0.439，197.586,，

164.580,，-0.423，0.117,，12.132,。調(diào)用Mqtt_SendPkt發(fā)送數(shù)據(jù)。最后掛起任務(wù)2 min,。數(shù)據(jù)封裝和發(fā)送在臨界段內(nèi)執(zhí)行,，防止被中斷打斷。

    (6)Key_task：優(yōu)先級為4,。掃描按鍵,，不同按鍵分別代表訂閱消息,、取消訂閱和發(fā)布消息。

    (7)Net _task：優(yōu)先級設(shè)為3,。首先初始化W5500以太網(wǎng)芯片,，進行網(wǎng)絡(luò)連接，然后Mqtt_PackConnectPkt封裝連接包,。固定頭中報文類型設(shè)為CONNECT,，在可變頭中設(shè)置協(xié)議名為MQTT，協(xié)議級別的值為4,，即3.1.1版本,。本文不支持遺囑，故連接標志字節(jié)設(shè)為0xC6,，設(shè)置Keep_alive為180 s,，根據(jù)連接標志字節(jié)的設(shè)置，在有效載荷中按順序設(shè)置客戶端標識符,、用戶名,、密碼。由Mqtt_SendPkt發(fā)送連接包,，如果接收任務(wù)收到了服務(wù)器發(fā)來的CONNACK,，蜂鳴器短鳴5次，提示成功,；如果超時還沒連接成功,，蜂鳴器長叫，提示失敗,，并標記為硬件錯誤,，然后初始化W5500，重新進行網(wǎng)絡(luò)連接,。任務(wù)流程如圖7所示,。

    (8)Date_task：優(yōu)先級設(shè)為2。根據(jù)按鍵任務(wù)設(shè)置的不同標志位執(zhí)行不同的命令函數(shù),，上傳數(shù)據(jù)函數(shù),、發(fā)布消息函數(shù)、訂閱消息函數(shù)以及取消訂閱函數(shù),。其中海流計中訂閱消息函數(shù)在有效載荷中設(shè)置主題名為depth,，獲取水深計數(shù)據(jù)；水深計中訂閱消息函數(shù)在有效載荷中設(shè)置主題名為current,，獲取海流計數(shù)據(jù),，設(shè)置服務(wù)質(zhì)量QoS為1。

4 結(jié)論

    本文應(yīng)用了海流計和水深計收集數(shù)據(jù),，在此基礎(chǔ)上可以加入更多傳感器收集數(shù)據(jù),，形成海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),，實現(xiàn)物物相連。通過對服務(wù)器獲取的信息進行分析就能獲取當前海洋的信息數(shù)據(jù),，實現(xiàn)了對海洋的實時監(jiān)測,。

參考文獻

[1] 劉濱.嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS的原理與實現(xiàn)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)，2005(7)：8-11.

[2] 馬躍,，孫翱,，賈軍營.MQTT協(xié)議在移動互聯(lián)網(wǎng)即時通信中的應(yīng)用[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2016(3)：170-176.

[3] 姚丹,，謝雪松.基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].信息通信,，2016(3)：33-35.

[4] 王慧明.FreeRTOS在coldfire上的實現(xiàn)和應(yīng)用[J].微計算機信息，2016(7)：74-76.

作者信息：

朱明輝1,，2,，趙信廣1，2,，尤星懿1

1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院,，山東 青島266590；2.山東省科學院 海洋儀器儀表研究所,，山東 青島266100