РЕАЛИЗАЦИЯ MQTT КЛИЕНТА НА БАЗЕ ОДНОКРИСТАЛЬНОГО МИКРОКОНТРОЛЛЕРА ДЛЯ ЗАДАЧ УДАЛЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ

  • А.В. Мангушев Волгоградский государственный технический университет
Ключевые слова: Интернет вещей, программно-аппаратное решение, mqtt, микроконтроллер, gsm, операционная система реального времени, rtos, ota

Аннотация

Описывается устройство, осуществляющее передачу данных и обработку команд по
протоколу MQTT в сети Интернет. Изготовлена небольшая партия для оценки работо-
способности в реальной практике. Программное обеспечение для микроконтроллера напи-
сано на языке Си с применением операционной системы реального времени (ОСРВ), позво-
ляющей упорядочить разработку программного обеспечения за счет псевдопараллельного
исполнения кода, механизмов синхронизации задач (семафоров, мьютексов), механизма
очередей. В работе представлен пример алгоритма взаимодействия задач FreeRTOS: зада-
чи ожидания команды от сервера, задачи измерения температуры, основного потока, вы-
полняющего пересылку сообщения на сервер в ответ на появление строки в очереди сооб-
щений. Ядро разрабатываемого MQTT-клиента составляют микроконтроллер STM32 и
GSM/GPRS-модуль SIM800. На устройстве выведено большое число интерфейсов, что по-
зволяет подключать самую разнообразную периферию (датчики температуры, влажно-
сти, давления, сервоприводы и т.д). Устройство способно самостоятельно восстанавли-
вать подключение к сети в случае его обрыва. Используется собственная реализация про-
токола MQTT версии 3.1 QoS 0 в программном обеспечении управляющего микроконтрол-
лера. Сообщения MQTT передаются в рамках TCP-подключения, устанавливаемого средст-
вами GSM-модуля. Управляющий микроконтроллер общается с GSM-модулем посредством
AT-команд. Реализована возможность двустороннего обмена сообщениями в реальном
времени, что позволяет использовать разработанную микропроцессорную систему как в
режиме автономного управляющего устройства, так и в интерактивном режиме выпол-
нения команд, поступающих по беспроводной сети, и отправки статусов исполнения этих
команд. Главной особенностью MQTT-клиента является возможность удаленного обнов-
ления программного обеспечения микроконтроллера (OTA), реализованное с использованием
вспомогательного микроконтроллера и микросхемы flash-памяти. Разработанный MQTT-
клиент предназначен для использования в качестве основы микропроцессорных систем –
клиентов Интернета вещей.
Интернет вещей; программно

Литература

1. Saidatul Norlyana Azemi et al. An IoT-Based Alarm Air Quality Monitoring System, J. Phys.:
Conf. Ser., 2021, Vol. 1755, 012035.
2. Hussein M., Galal A.I., Abd-Elrahman E., Zorkany M. Internet of Things (IoT) Platform for
Multi-Topic Messaging, Energies, 2020, No. 13, 3346. Available at: https://doi.org/
10.3390/en13133346.
3. Lawrence O., Aghenta M. Tariq Iqbal. Design and implementation of a low-cost, open source
IoT-based SCADA system using ESP32 with OLED, Things Board and MQTT protocol, J.
AIMS Electronics and Electrical Engineering, 2020, No. 4 (1), pp. 57-86. DOI:
10.3934/ElectrEng.2020.1.57.
4. Wu F., Wu T., Yuce M.R. An Internet-of-Things (IoT) Network System for Connected Safety
and Health Monitoring Applications, Sensors, 2019, No. 19, pp. 21. Available at:
https://doi.org/10.3390/s19010021.
5. Saraereh O.A., Alsaraira A., Khan I., Choi B.J. A Hybrid Energy Harvesting Design for On-
Body Internet-of-Things (IoT) Networks, Sensors, 2020, No. 20, pp. 407. Available at:
https://doi.org/10.3390/s20020407.
6. Sudarsono Novianta M.A., & Parwati,C.I. Application of Internet of Things (IoT) on air pollution
monitoring database system, E3S Web of Conferences, 2019.
7. Syafaah L. et al. Distance Measurement of ESP8266 for Control and Monitoring in Smart
Home Application, J. Phys.: Conf. Ser., 2019, Vol. 1381, 012058.
8. Hongan Mu et al. Discovering and Analyzing Internet of Things (IoT) Technologies and Applications
for Aged Care, J. Phys.: Conf. Ser., 2021, Vol. 1948, 012141.
9. Yadgarova Yu.V. Model' i algoritm vybora programmnoy arkhitektury dlya sistem Interneta
veshchey [A model and algorithm for choosing a software architecture for Internet of Things
systems], Programmnye produkty i sistemy [Software products and systems], 2019, No. 4,
pp. 682-689. EDN QLQDSZ.
10. Mikrokontrollery lineyki STM32F446 [Microcontrollers of the STM32F446 line]. Available at:
https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32f446.html (accessed 29 May 2022).
11. Modul' SIM800 [SIM800 module]. Available at: https://www.simcom.com/ (accessed 29 May
2022).
12. Li P. Arkhitektura internet veshchey [Architecture of the Internet of Things]: transl. from engl.
by M.A. Raytmana. Mщысщц: DMK Press, 2019б зз. 282-293.
13. Standart NB-IoT: primenenie i perspektivy [NB-IoT standard: application and prospects],
Besprovodnye tekhnologii [Wireless technologies], 2019, No. 3 (56), pp. 27-31. EDN
SUHNQH.
14. Batuev B. Rabota so vstroennym TCP/IP-stekom moduley GSM/GPRS serii SIM800 kompanii
SIMCom Wireless Solutions [Working with the built-in TCP/IP stack of GSM/GPRS modules
of the SIM800 series of SIMCom Wireless Solutions], Besprovodnye tekhnologii [Wireless
Technologies], 2016, No. 2 (43), pp. 38-43. EDN XRLINH.
15. Operatsionnaya sistema real'nogo vremeni FreeRTOS [FreeRTOS real-time operating system].
Available at: https://www.freertos.org/features.html (accessed 29 May 2022).
16. Kurnits A. FreeRTOS - operatsionnaya sistema dlya mikrokontrollerov [FreeRTOS - operating
system for microcontrollers], Komponenty i tekhnologii [Components and Technologies],
2011, No. 2 (115), pp. 96-100. EDN NCDJHZ.
17. Tsifrovoy sintez: prakticheskiy kurs [Digital synthesis: a practical course], under the general
ed. A.Yu. Romanova, Yu.V. Panchula. Moscow: DMK Press, 2020, 556 p.
18. Konchenkov V.I., Skakunov V.N. Realizatsiya MQTT-klienta na osnove mikrokontrollera:
ucheb.-metod. posobie [Implementation of an MQTT client based on a microcontroller: educational
and methodical manual]. Volgograd: VolgGTU, 2021, 64 p.
19. Lee In. Internet of Things (IoT) Cybersecurity: Literature Review and IoT Cyber Risk Management,
Future Internet, 2020, Vol. 12, pp. 157.
20. Spielvogel K., Pöhls H.C., Posegga J. TLS Beyond the Broker: Enforcing Fine-Grained Security
and Trust in Publish/Subscribe Environments for IoT. In: Roman R., Zhou J. (eds), Security
and Trust Management. STM 2021. Lecture Notes in Computer Science, 2021, Vol. 13075.
Springer, Cham. Available at: https://doi.org/10.1007/978-3-030-91859-0_8.
Опубликован
2022-08-09
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ И ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ