基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传输装置
技术领域
本实用新型涉及基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传输装置，属于物联网技术领域。
背景技术
MQTT协议是一个面向物联网应用的即时通信协议，使用TCP/IP提供网络连接，能够对负载内容实现消息屏蔽传输，开销小，可以有效降低网络流量；能够实现单点发布消息，经服务器中转，多点同时接收消息的一种技术。
但传统环境监测设备和农业气象设备只能在本地通信、数据查看的现状，特别是一些环境监测设备安装在野外环境，极大的增加了数据获取的难度。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传输装置，以解决现有环境监测设备和农业气象设备只能本地通信，数据获取难度大的问题。
基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传输装置，包括主控单片机、数据终端、开关电源USP模块、WIFI模块、GPRS模块、EEPROM数据存储芯片、通讯转换芯片、移动终端APP和云平台，所述开关电源USP模块为所述多端点数据传输装置供电，所述主控单片机与数据终端通过所述通讯转换芯片数据互通，所述主控单片机分别与所述EEPROM数据存储芯片、GPRS模块和WIFI模块数据互控，所述GPRS模块和WIFI模块分别与所述云平台数据互通，所述移动终端APP从所述云平台获取数据。
进一步的，所述数据终端将不同类型数据上传至所述通讯转换芯片后，所述通讯转换芯片通过Modbus协议将所述不同类型数据转换成统一类型数据，并上传所述统一类型数据至所述主控单片机。
进一步的，所述GPRS模块和WIFI模块均通过MQTT协议向所述云平台发布信息，所述云平台通过MQTT协议分别向所述GPRS模块和WIFI模块订阅信息。
进一步的，所述GPRS模块内置有工业SIM卡。
进一步的，所述EEPROM数据存储芯片，储存容量为64KB，与所述主控单片机间采用IIC通信。
进一步的，所述EEPROM数据存储芯片中，储存有IP地址、WIFI密码和订阅的消息数据。
进一步的，所述装置具备低功耗模式。
进一步的，所述装置经过了防雷处理。
本实用新型的主要优点是：本实用新型的基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传输装置，可以优先采用WIFI模式进行与云平台进行数据交互，且一旦WIFI模式不能工作，还有GPRS模式可以代替使用，因采用了GPRS模块，因此本装置的安装不受区域限制，在野外也能保证网络通畅，且具备低功耗模式，更为节能。
附图说明
图1为本实用新型的基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传输装置的系统结构示意图；
图2为本实用新型的基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传输装置的运行方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
针对目前传统环境监测设备和农业气象设备只能在本地通信、数据查看的现状，特别是一些环境监测设备安装在野外环境，极大的增加了数据获取的难度，本实用新型专利采用基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传送设计，采用无线通信技术，使用MQTT协议以固定的格式将数据上传至云平台，客户可在远程查看设备的历史数据。
参照图1所示，基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传输装置，包括主控单片机、数据终端、开关电源USP模块、WIFI模块、GPRS模块、EEPROM数据存储芯片、通讯转换芯片、移动终端APP和云平台，开关电源USP模块为多端点数据传输装置供电，主控单片机与数据终端通过通讯转换芯片数据互通，主控单片机分别与EEPROM数据存储芯片、GPRS模块和WIFI模块数据互控，GPRS模块和WIFI模块分别与云平台数据互通，移动终端APP从云平台获取数据。
具体的，主控单片机采用STM32F103RCT6，WIFI模块采用ESP8266芯片，GPRS模块采用SIM800C，通讯转换芯片为SP3232串口数据转换芯片，或采用SP485数据发送/接收芯片。在本实用新型中，使用者能通过移动终端APP实时查看云平台数据，也能通过云平台获取预警，极大地提高了实用性。
ESP8266是一款超低功耗的无线透传无线WIFI模块；SIM800C是一款可实现语音、数据传输的低功耗GPRS模块，两种模块在物联网领域广泛应用，两者都可接收主控单片机通过串口发送的数据，以固定的协议格式将数据传送至云平台，实现设备联网。
参照图2所示，本装置的运行流程为：各模块及芯片上电开机，开关电源USP模块提供4V、3.3V直流电源，给各模块及芯片供电，同时主控单片机初始化硬件电路，初始化结束后首先检测是否有WIFI信号，如果确定存在WIFI信号，主控单片机有序发送固定命令字符启动WIFI模块进行连接，否则单片机发送固定命令字符唤醒GPRS模块，然后按照MQTT协议发送一串固定报文(包含固定报头、可变报头、设备ID号、产品ID号等16进制字符)申请连接云平台，订阅主题Theme；当数据终端有数据时，使用Modbus协议通过串口发送给主控单片机时，主控单片机经解码、数据提取、数据打包后发送主题Theme消息体Message给云平台，这样一次完整的发布消息发送结束；订阅Theme主题的设备，云平台将推送消息体Message给其他设备，再将有效数据发送给数据终端，这样一次完整的订阅消息接收结束；通过上述方式，数据终端-数据终端多台设备间完成了数据交互，这种简单、可靠的数据交互方式在环境监测、农业监控设备等物联网领域具有极大的发展前景。
本设计配备移动终端APP，在移动终端登录云平台实时在线观看设备上传的数据，以及历史数据的下载，提高了便携性。
在本部分优选实施例中，数据终端将不同类型数据上传至通讯转换芯片后，通讯转换芯片通过Modbus协议将不同类型数据转换成统一类型数据，并上传统一类型数据至主控单片机。
在本部分优选实施例中，GPRS模块和WIFI模块均通过MQTT协议向云平台发布信息，云平台通过MQTT协议分别向GPRS模块和WIFI模块订阅信息。
具体的，MQTT协议是一个面向物联网应用的即时通信协议，使用TCP/IP提供网络连接，能够对负载内容实现消息屏蔽传输，开销小，可以有效降低网络流量；是能够实现单点发布消息，经服务器中转，多点同时接收消息的一种技术。
本实用新型采用2种方式连接网络，(1)使用WIFI模块联网优点是不需要单独支付网络费用，节约成本，适合在城市网络发达的区域多个采集数据终端设备需要联网的情况下使用；(2)使用GPRS模块优点是不受区域限制，野外环境也能保证网络畅通。
在本部分优选实施例中，GPRS模块内置有工业SIM卡。
具体的，本实用新型的GPRS模块采用外挂物联网SIM卡作为流量计费方式，能提供低成本、高可靠的无线联网服务，一颗长宽6.0mm*5.0mm的芯片代替了传统使用的SIM卡，同时工业SIM卡还具有安装简单、抗震和耐低温(-45°超低温环境下仍可正常工作)的特性，这保证了本实用新型的环境适应性特别强。
在本部分优选实施例中，EEPROM数据存储芯片，储存容量为64KB，与主控单片机间采用IIC通信。
在本部分优选实施例中，EEPROM数据存储芯片中，储存有IP地址、WIFI密码和订阅的消息数据。
具体的，EEPROM数据存储芯片主要用于存储WIFI地址、密码、云平台IP地址、设备ID号和缓存数据；在程序中，分配了10个单元存储WIFI地址、密码，方便连接；缓存数据是在接收云平台遗嘱消息的情况下使用，遗嘱消息是因为断电等原因导致设备不在线时，云平台不能将订阅的消息立即发送给设备端，当下一次设备重新上线时，云平台发送遗嘱消息，此时数据量可能较大，主控单片机串口发送单元不能及时将数据发送给数据终端，如果不做处理，会造成数据溢出或数据丢失，因此先将数据缓存在EEPROM数据存储芯片内，采用进栈、出栈(先进先出)的方式每次发送一条消息发送给主控单片机，主控单片机将数据打包再发送给数据终端，主控单片机确定数据发送成功后，再发送下一条消息，依此循环，逐步释放EEPROM缓存的遗嘱消息。
在本部分优选实施例中，装置具备低功耗模式。
具体的，本设备做了低功耗处理，设备在数据发布时采用主动上报(设备在线时，主动上传数据到云平台)的方式，接收数据时采用被动照测(设备端在低功耗休眠状态下，当云平台主动下发数据时，设备自动唤醒)的方式。通过实验测试，一次完整的发送、接收消息在60s内即可完成，针对于环境监测、农业监控等领域并不需要每分钟刷新一次数据，一般1-3小时上报一次即可，设备在绝大多数时间内都处在待机等待状态，因此，在设备待机阶段采用休眠方式做低功耗处理，大大降低了设备的功耗，节约电能延长电池使用时间(特别在野外环境，条进恶劣，数个月才更换一次电池)。
在本部分优选实施例中，装置经过了防雷处理。
具体的，本实用新型通讯转换芯片上的数据采集端口采用485和232两种方式，485数据采集端口遵循Modbus协议，能最多外接255台从机设备(即数据终端)，满足了绝大多数使用情况，232数据端口方便本地在线测试。
本实用新型在设备端-数据终端间加了防雷设计，主要在485输入输出端口串接防过流保险丝。这一设计对设备起到保护作用，特别是在野外雷电频繁出现的环境下，更应当加入防雷设计。
本实用新型采用基于MQTT协议和无线通信技术的多端点数据传输装置设计，利用MQTT协议的主要优点，每一台设备都可充当主机，主动发布消息，其余设备作为从机接收订阅消息，以实现数据信息共享；同时，MQTT协议支持云平台端缓存遗嘱消息的功能，在设备因掉线而遗漏的消息，等到设备再次上线后，云平台会重新推送消息至设备端。
