物联网工业网关如何与云平台进行交互?

2021-04-01 14:49:53 星创易联 44

网关与云平台之间的通信方式一般都是客户指定的,就那么几种(阿里云、华为云、腾讯云、亚马逊AWS平台)。一般都要求网关与云平台之间处于长连接的状态,这样云端的各种指令就可以随时发送到网关。

5g/4g工业路由网关


与云平台之间的 MQTT 连接

目前的几大物联网云平台,都提供了不同的接入方式。对于网关来说,应用最多的就是 MQTT 接入。

我们知道,MQTT 只是一个协议而已,不同的编程语言中都有实现,在 C 语言中也有好几个实现。

在网关内部,运行着一个后台 deamon: MQTT Broker,其实就是 mosquitto 这个可执行程序,它充当着消息总线的功能。这里请大家注意:因为这个消息总线是运行在嵌入式系统的内部,接入总线的客户端就是需要相互通信的那些进程。这些进程的数量是有限的,即使是一个比较复杂的系统,最多十几个进程也就差不多了。因此,mosquitto 这个实现是完全可以支撑系统负载的。

那么,如果在云端部署一个 MQTT Broker,理论上是可以直接使用 mosquitto 这个实现来作为消息总线的,但是你要评估接入的客户端(也就是网关)在一个什么样的数量级,考虑到并发的问题,一定要做压力测试。

对于后台开发,我的经验不多,不敢(也不能)多言,误导大家就罪过了。不过,对于一般的学习和测试来说,在云端直接部署 mosquitto 作为消息总线,是没有问题的。

Proc_Bridge 进程:外部和内部消息总线之间的桥接器

下面这张图,说明了 Proc_Bridge 进程在这个模型中的作用:

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从云平台消息总线接收到的消息,需要转发到内部的消息总线;从内部消息总线接收到的消息,需要转发到云平台的消息总线;

如果用 mosquitto 来实现,应该如何来实现呢?

1. mosquitto 的 API 接口

mosquitto 这个实现是基于回调函数的机制来运行的,例如:

// 连接成功时的回调函数void my_connect_callback(struct mosquitto *mosq, void *obj, int rc){    // ...}
// 连接失败时的回调函数void my_disconnect_callback(struct mosquitto *mosq, void *obj, int result){    // ...}
// 接收到消息时的回调函数void my_message_callback(struct mosquitto *mosq, void *obj, const struct mosquitto_message *message){  // ..}
int main(){    // 其他代码    // ...        // 创建一个 mosquitto 对象    struct mosquitto g_mosq = mosquitto_new("client_name", true, NULL);        // 注册回调函数    mosquitto_connect_callback_set(g_mosq, my_connect_callback);    mosquitto_disconnect_callback_set(g_mosq, my_disconnect_callback);    mosquitto_message_callback_set(g_mosq, my_message_callback);    // 这里还有其他的回调函数设置      // 开始连接到消息总线    mosquitto_connect(g_mosq, "127.0.0.1", 1883, 60);      while(1)    {      int rc = mosquitto_loop(g_mosq, -1, 1);      if (rc) {        printf("mqtt_portal: mosquitto_loop rc = %d ", rc);        sleep(1);        mosquitto_reconnect(g_mosq);      }    }    mosquitto_destroy(g_mosq);    mosquitto_lib_cleanup();    return 0;}

以上代码就是一个 mosquitto 客户端的最简代码了,使用回调函数的机制,让程序的开发非常简单。

mosquitto 把底层的细节问题都帮助我们处理了,只要我们注册的函数被调用了,就说明发生了我们感兴趣的事件。

这样的回调机制在各种开源软件中使用的比较多,比如:glib 里的定时器、libevent通讯处理、libmodbus 里的数据处理、linux 内核中的驱动开发和定时器,都是这个套路,一通百通!

在网关中的每个进程,只需要添加上面这部分代码,就可以挂载到消息总线上,从而可以与其它进程进行收发数据了。

2. 利用 UserData 指针,实现多个 MQTT 连接

上面的实例仅仅是连接到一个消息总线上,对于一个普通的进程来说,达到了通信的目的。

但是对于 Proc_Bridge 进程来说,还没有达到目的,因为这个进程处于桥接的位置,需要同时连接到远程和本地这两个消息总线上。那么应该如何实现呢?

看一下 mosquitto_new 这个函数的签名:

* obj - A user pointer that will be passed as an argument to any *      callbacks that are specified.最后一个参数的作用是:可以设置一个用户自己的数据(作为指针传入),那么mosquitto 在回调我们的注册的任何一个函数时,都会把这个指针传入。
因此,我们可以利用这个参数来区分这个连接是远程连接?还是本地连接。libmosq_EXPORT struct mosquitto *mosquitto_new(const char *id, bool clean_session, void *obj);

所以,我们可以定义一个结构体变量,把一个 MQTT 连接的所有信息都记录在这里,然后注册给 mosquitto。当 mosquitto 回调函数时,把这个结构体变量的指针回传给我们,这样就拿到了这个连接的所有数据,在某种程度上来说,这也是一种面向对象的思想。

// 从来表示一个 MQTT 连接的结构体typedef struct{  char *id;  char *name;  char *pw;  char *host;  int port;  pthread_t tHandle;  struct mosquitto *mosq;  int mqtt_num;}MQData;

完整的代码已经放到网盘里了,为了让你先从原理上看明白,我把关键几个地方的代码贴在这里:

// 分配结构体变量MQData userData = (MQData *)malloc(sizeof(MQData));
// 设置属于这里连接的参数: id, name 等等
// 创建 mosquitto 对象时,传入 userData。struct mosquitto *mosq = mosquitto_new(userData->id, true, userData);
// 在回调函数中,把 obj 指针前转成 MQData 指针static void messageCB(struct mosquitto *mosq, void *obj, const struct mosquitto_message *message){  MQData *userData = (MQData *)obj;    // 此时就可以根据 userData 指针中的内容分辨出这是哪一个链接了}

另外一个问题:不知道你是否注意到示例中的 mosquitto_loop() 这个函数?这个函数需要放在 while 死循环中不停的调用,才能出发 mosuiqtto 内部的事件。(其实在 mosuiqtto 中,还提供了另一个简化的函数 mosquitto_loop_forever)。

也就是说:在每个连接中,需要持续的触发 mosquitto 底层的事件,才能让消息系统顺利的收发。因此,在示例代码中,使用两个线程分别连接到云平台的总线和内部的总线。


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