DTU

DTU

DTU（Data Transfer Unit）是专门用于将来自于设备端的串口数据通过无线通信网络传送至 IoT 平台的无线终端设备。

  • 广泛应用于水利水电、矿产资源开发、消防安全、管网铺设等各个领域。
  • 支持阿里、腾讯、OneNET、MQTT、TCP等多种 IoT 平台。
  • 支持本地和远程参数配置。
  • 支持OTA升级。
  • 支持数据离线存储。
  • 开发资源
  • 快速上手
  • 软件设计

本文档列出了 EG912U DTU 所需的硬件资源和相关文档。

开发板和模组型号的介绍

型号：EG912U 核心板

配件资源

  • LTE 天线
  • Nano SIM 卡
  • Mini USB 数据线

开发工具

  • QPYcom - QuecPython 调试工具
    • 版本：V3.9.0
    • 下载?QPYcom

  • QCOM - 串口调试工具

  • VSCode - 代码编辑器

  • 固件版本： QPY_OCPU_BETA0002_EG912U_GLAA_FW

实验源码

  • 版本：v1.0.0

  • 从 Github 仓库获取源代码步骤如下：

    git clone https://github.com/QuecPython/solution-simple-DTU
cd solution-simple-DTU

基于TCP协议设备开发

修改配置文件

工程配置文件路径：code/dtu_config.json。

基于 TCP 私有服务器数据透传做如下配置：

打开 TCP 服务器 ：http://tt.ai-thinker.com:8000/ttcloud

默认system_config.cloud配置项定义为"tcp"即 TCP 透传模式，系统会自行读取socket_private_cloud_config配置项。

{
   "system_config": {
       "cloud": "tcp"  # The tcp transparent mode is configured by default
   }
}

本实验采用 TCP 透传模式，用户需根据实际情况设置socket_private_cloud_config配置项中的 TCP 服务器域名（domain）和端口（port）。

{
   "socket_private_cloud_config": {
       "domain": "36.137.226.30",  # ip
       "port": 42298,  # port number
       "timeout": 5,  # time-out period (unit: s)
       "keep_alive": 1  # heartbeat cycle (unit: s)
   }
}

uart_config配置项是串口配置参数，默认是根据当前实验开发板做的配置，不可更改。如用户采用其他开发板则需要根据实际硬件进行配置。

{
    "uart_config": {
        "port": 2,  # Serial port number. Set this parameter based on the actual hardware configuration
        "baudrate": 115200,  # Baud rate
        "bytesize": 8,  # data bits
        "parity": 0,  # parity check
        "stopbits": 1,  # stop bit
        "flowctl": 0,  # fluid control
    }
}

完整配置文件模版如下：

{
    "system_config": {
        "cloud": "tcp"
    },
    "mqtt_private_cloud_config": {
        "server": "mq.tongxinmao.com",
        "port": 18830,
        "client_id": "txm_1682300809",
        "user": "",
        "password": "",
        "clean_session": true,
        "qos": 0,
        "keepalive": 60,
        "subscribe": {"down": "/public/TEST/down"},
        "publish": {"up":  "/public/TEST/up"}
    },
   "socket_private_cloud_config": { 
        "ip_type":"IPv4",
        "domain": "36.137.226.30",
        "port": "42298",
        "keep_alive": 1
    },
    "uart_config": {
        "port": 2,
        "baudrate": 115200,
        "bytesize": 8,
        "parity": 0,
        "stopbits": 1,
        "flowctl": 0,
    }
}

参数说明：

  • system_config.config： 指定当前使用的私有云类型。目前支持TCP和MQTT。
  • mqtt_private_cloud_config： MQTT私有云配置。
  • socket_private_cloud_config： tcp私有云配置。
  • uart_config：串口参数配置。

脚本导入并运行

下载安装QPYCom工具后，使用该工具下载脚本至 QuecPython 模组。

?Tips

QPYCom 安装和使用教程 ：https://developer.quectel.com/doc/quecpython/Application_guide/zh/dev-tools/QPYcom/index.html

业务调试

程序运行后，在 REPL 交互页面可以看到日志输出如下图所示。

左侧图示，使用 QCOM 模拟 MCU 打开用于透传的模组串口（即 USB 转 TTL ？槎杂Φ COM 口）。

右侧图示，REPL 交互口输出的模组日志。

使用串口工具 QCOM 模拟 MCU 串口上行数据，通过 DTU 透传至 TCP 回显服务器，再由回显服务器将相同数据通过 DTU 下行透传至 QCOM。

该案例中采用的是 TCP 回显服务器，所以 QCOM 上行数据，经过 DTU 透传至 TCP 服务器接收到之后会立即按原路径下行。

基于MQTT协议设备开发

修改配置文件

工程配置文件路径：code/dtu_config.json。

基于 TCP 私有服务器数据透传做如下配置：

  • 默认?system_config.cloud?配置项定义为?"tcp"?即 TCP 透传模式，系统会自行读取?socket_private_cloud_config?配置项。 此处改为 mqtt 协议模式。

    {
   "system_config": {
       "cloud": "mqtt"  # The mqtt transparent transmission mode is configured by default
   }
}

  • 本实验采用 MQTT 透传模式，用户需根据实际情况设置?mqtt_private_cloud_config?配置项中的 MQTT 服务器域名（server）、端口（port）、客户端id（client_id）以及订阅和发布主题等参数，如下。

    {
   "mqtt_private_cloud_config": {
       "server": "mq.tongxinmao.com",
       "port": 18830,
       "client_id": "txm_1682300809",
       "user": "",
       "password": "",
       "clean_session": true,
       "qos": 0,
       "keepalive": 60,
       "subscribe": {"down": "/public/TEST/down"},  # Downlink data transparent topic
       "publish": {"up":  "/public/TEST/up"}  # Uplink data transparent transmission topic
   }
}

  • uart_config?配置项是串口配置参数，默认是根据当前实验开发板做的配置，不可更改。如用户采用其他开发板则需要根据实际硬件进行配置。

{
    "uart_config": {
        "port": 2,  # Serial port number. Set this parameter based on the actual hardware configuration
        "baudrate": 115200,  # Baud rate
        "bytesize": 8,  # data bits
        "parity": 0,  # Parity check
        "stopbits": 1,  # stop bit
        "flowctl": 0,  # fluid control

        }
    }
}

完整配置文件模版如下：

{
    "system_config": {
        "cloud": "tcp"
    },
    "mqtt_private_cloud_config": {
        "server": "mq.tongxinmao.com",
        "port": 18830,
        "client_id": "txm_1682300809",
        "user": "",
        "password": "",
        "clean_session": true,
        "qos": 0,
        "keepalive": 60,
        "subscribe": {"down": "/public/TEST/down"},
        "publish": {"up":  "/public/TEST/up"}
    },
    "socket_private_cloud_config": {
        "domain": "112.31.84.164",
        "port": 8305,
        "timeout": 5,
        "keep_alive": 5
    },
    "uart_config": {
        "port": 2,
        "baudrate": 115200,
        "bytesize": 8,
        "parity": 0,
        "stopbits": 1,
        "flowctl": 0,
        "rs485_config": {
        	"gpio_num": 28,
            "direction": 0
        }
    }
}

参数说明：

  • system_config.config：指定当前使用的私有云类型。目前支持tcp和mqtt。
  • mqtt_private_cloud_config： MQTT私有云配置。
  • socket_private_cloud_config： tcp私有云配置。
  • uart_config：串口参数配置。

脚本导入并运行

下载安装?QPYCom?工具后，使用该工具下载脚本至 QuecPython 模组。

??Tips

QPYCom 安装和使用教程：https://developer.quectel.com/doc/quecpython/Application_guide/zh/dev-tools/QPYcom/index.html

业务调试

查看 REPL 交互口日志

程序运行后，在 REPL 交互页面可以看到日志输出如下图所示。 DTU服务中有2个线程处理数据，一个是用于检测读取串口数据并转发数据给云端，一个是检测云端下行数据透传给串口，如下图所示。?

上行数据透传

使用串口调试工具模拟mcu给模组发送上行数据。

  • 在Input String输入框中输入hello world!字符串。
  • 点击Send Command按钮通过串口发送数据。

DTU接收串口数据，直接透传至mqtt云端。

云端接收上行数据日志。

注意：通信猫云平台仅用于测试，可根据实际需要更换云平台

1

下行数据透传

云端发送下行数据。

  • 设置云端下行数据主题（与DTU应用配置的订阅主题一致）。
  • 输入下行数据。
  • 发布。

使用QCOM观察串行调试工具，模拟mcu接收模块下行数据。

应用流程图

一般了解一个程序代码大多从启动部分开始，这里也采取这种方式，先寻找程序的启动源头。本例程，一般的程序启动顺序如下图所示：

整体上业务可以总结为如下流程：

  1. 启动喂狗线程（华系列 4G DTU 载有硬件狗）
  2. 初始化 DTU 对象后，读取系统配置
  3. 初始化串口外设
  4. 检查网络状态
  5. 初始化云端配置和消息队列
  6. 启动数据上下、下行业务线程

? 基本原理：本 DTU 采用?多线程 + 消息队列?实现串口和云端数据的上下行转发。其中，上行线程（Uplink data thread）用于读取串口数据并发送至云端；下行线程（Downlink data thread）读取消息队列中的云端数据通过串口转发；消息队列用于缓存云端的下行数据。

目录结构

  • usr
    • _main.py：主脚本
    • dtu_config.json：配置文件
    • dtu.py：DTU 模型对象
    • logging.py：日志？
    • cloud_abc.py：云对象模型抽象基类
    • mqttIot.py：Mqtt 云对象模型实现
    • network.py：网络
    • serial.py：串口模型对象实现
    • socketIot.py：Socket 云对象模型实现
    • threading.py：线程、队列和互斥锁
    • utils.py：工具类

API 说明

对象模型

本方案中定义了多个对象模型，其中主要有?DTU?对象模型、云对象模型（CloudABS）和串口对象模型（Serial）。

DTU对象模型

DTU类在?dtu.py?模块中定义，主要用于初始化串行端口、云以及上下游数据服务。

实现MQTT协议的云通信功能，提供连接、订阅、发布和监控功能。云对象初始化如下：

self.cloud = MqttIot(
    mqtt_config['client_id'],
    mqtt_config['server'],
    port=mqtt_config['port'],
    user=mqtt_config['user'],
    password=mqtt_config['password'],
    keepalive=mqtt_config['keepalive'],
    clean_session=mqtt_config['clean_session'],
    qos=mqtt_config['qos'],
    subscribe_topic=mqtt_config['subscribe'],
    publish_topic=mqtt_config['publish'],
    queue=self.queue,
    error_trans=True
)

实现TCP/UDP协议的云通信功能，提供连接、发送、接收和监听功能。socket对象初始化如下：

self.cloud = SocketIot(
    ip_type=socket_config['ip_type'],
    keep_alive=socket_config['keep_alive'],
    domain=socket_config['domain'],
    port=socket_config['port'],
    queue=self.queue,
    error_trans=True
)

up_transaction_handler?方法：上行数据传输业务线程的入口函数。

down_transaction_handler?方法： 行数据传输业务线程的入口函数。

def down_transaction_handler(self):
    while True:
        topic, data = self.cloud.recv()
        logger.info('down transfer msg: {}'.format(data))
        self.serial.write(data)
def up_transaction_handler(self):
    while True:
        data = self.serial.read(1024, timeout=100)
        if data:
            logger.info('up transfer msg: {}'.format(data))
            self.cloud.send(data)

run方法：启动业务操作，包括基于配置文件创建串行端口和云对象，以及为上下游行业创建业务数据处理线程。

Serial object model

  • In the?serial.py?module, the serial port model class?Serial?is defined. This class is mainly used to implement the read and write operations of the serial port. The main interfaces include:Serial
    • __init__: Serial port initialization.
    • open：Open the serial port.
    • close：Shut down the serial port.
    • write：Serial port write.
    • read：Serial port read.

Example of serial port:：

from usr.serial import Serial

# init Serial object
s = Serial(port=2, baudrate=115200, bytesize=8, parity=0, stopbits=1, flowctl=0, rs485_config=None)
# open serial
s.open()
# serial write method
s.write(b"hello world!")

# serial read method
recv_data = s.read()
print(recv_data)

业务代码讲解

数传业务主要在 DTU 类（dtu.py）中实现，该类主要用于管理串口、云、以及数据的上下行业务。

DTU 对象在主脚本中通过调用?run?方法来开启整个 DTU 业务，其中该方法主要用于创建并运行两个线程，分别是上行数据处理线程（线程工作函数是?up_transaction_handler）和下行数据处理线程（线程工作函数是?down_transaction_handler）。在线程函数中分别通过两个 property 属性来获取对应的串口对象和云对象。其中串口对象属性是?serial，线程在调用该属性时即刻创建并打开配置的串口对象提供读写接口。其中云对象属性是?cloud，线程在调用该属性时即刻创建并连云对象提供接收和发送接口。

函数调用时序图：

class DTU(object):

    # ...
    def up_transaction_handler(self):
        while True:
            data = self.serial.read(1024, timeout=100)
            if data:
                logger.info('up transfer msg: {}'.format(data))
                self.cloud.send(data)
    # ...

up_transaction_handler函数按照 1KB 的 buffer 读取串口数据（用户可以自行调整buffer大。，并格式化消息后通过?CloudABC.send?接口发送数据至云端。用户继承?CloudABC?并自定义云对象并实现 。

下行数据处理线程函数?down_transaction_handler?实现如下：

class DTU(object):
    # ...
    def down_transaction_handler(self):
        while True:
            topic, data = self.cloud.recv()
            logger.info('down transfer msg: {}'.format(data))
            self.serial.write(data)
    # ...

down_transaction_handler?函数通过调用?CloudABC.recv?来获取下行消息，并通过?Serial.write?转发消息。

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