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An IoT gateway based on Rust.

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1. 功能描述

目前仅支持在 linux 上运行。

已支持以下功能：

  • 数据上传：从文件读取或者从串口接收 JSON 格式的数据，通过 MQTT 发送给服务器
  • 远程控制：可以借助 MQTT 的订阅机制从服务器接收数据，通过串口发送出去
  • 网关离线时可以将数据暂时缓存到数据库内，网络连接恢复后再从数据库里面取出来上传
  • 支持数据模板功能，即可以根据数据模板重新格式化来自终端的数据、添加自定义属性、预定义属性(例如添加时间戳)等，从而生成新的JSON数据
  • 支持日志功能
  • 支持 MQTTS(TLS v1.2，v1.3)

2. 使用示例

在本地启动 MQTT broker，例如使用 mosquitto：

# 默认监听 1883 端口
mosquitto -v

或者修改配置文件 gw.toml，指定可用的 MQTT broker：

[server]
address = "127.0.0.1:1883"

(1) 从文件读取数据（默认）

修改配置文件（默认是 gw.toml），指定文件，并且将数据接口类型设置为 text_file（默认为此配置）：

[data_if]
if_name = "./data_if.txt"
if_type = "text_file"

运行网关程序：

cargo run -- -c gw.toml

在文件中写入数据（需要有换行 '\n'）：

echo "{\"id\":1,\"name\":\"SN-001\",\"temperature\": 27.45,\"humidity\": 25.36,\"voltage\": 3.88,\"status\": 0}" > data_if.txt

说明：网关程序每隔 1 秒读清一次文件，读清后需要手动写入数据。

顺利的话，可以在 mosquitto 的窗口内看到网关发送过去的消息。

(2) 从串口读取数据

修改配置文件（默认是 gw.toml），指定串口，并且将数据接口类型设置为 serial_port：

[data_if]
if_name = "/dev/ttyS14"
if_type = "serial_port"

网关程序：

cargo run -- -c gw.toml

使用外部设备按 MIN 协议向串口发送数据（ arduino/min 目录内有 Arduino UNO 的示例，烧录 min 中的程序）：

{"id":1,"name":"SN-001","temperature": 27.45,"humidity": 25.36,"voltage": 3.88,"status": 0}

如果是 Arduino UNO，只有一个串口，只能用于和网关通信，网关的配置文件中配置接该串口即可。

顺利的话，网关会收到 Arduino 发送的消息，并且会发送给 mosquitto（可以在 mosquitto 的窗口内看到）。

(3) 从 SPI 读取数据

将 SX1276 Lora 模块连接到 SPI 口上，修改配置文件（默认是 gw.toml），指定 spi 设备，并且将数据接口类型设置为 spi_sx1276：

[data_if]
if_name = "/dev/spidev0.0"
if_type = "spi_sx1276"

网关程序：

cargo run -- -c gw.toml

需要使用另一个射频参数和 SpiIf::setup_lora 中定义的射频参数匹配的 Lora 设备发送数据（4字节头 + 前面提到的 json 字符串）。

(4) 远程控制

网关已支持远程控制功能。该远程控制不是指可以远程控制网关，而是网关会将服务器发过来的控制命令发送给 MCU，MCU 去响应命令，例如点灯等。

arduino 目录下有 Arduino UNO 和 Arduino DUE 的代码示例（min 子目录），可以通过服务器控制 Arduino 点亮或熄灭 LED。

这里还是以使用 mosquitto 作为 broker 为例：

# 默认监听 1883 端口
mosquitto -v

按照 (2) 中的指引操作。

在另一个终端内使用 mosquitto_pub 按照 gw.toml 里面配置的 sub_topic（默认为“ctrl/#”） 发送数据：

# 点亮 LED
mosquitto_pub -d -h "localhost" -p 1883 -t "ctrl/1" -m "turn_on"
# 熄灭 LED
mosquitto_pub -d -h "localhost" -p 1883 -t "ctrl/1" -m "turn_off"

从发布数据到 LED 点亮或熄灭大概会有 3s 左右延时。

(5) 使用 TLS

在本地启动 MQTT broker，例如使用 mosquitto：

mosquitto -c mosquitto.conf

配置文件内容（按实际情况修改 ca 文件路径）：

# mosquitto.conf
log_type error
log_type warning
log_type notice
log_type information
log_type debug

allow_anonymous true

# non-SSL listeners
listener 1883

# server authentication - no client authentication
listener 18885

# 指定 ca 文件路径
cafile ca/ca.crt
certfile ca/server.crt
keyfile ca/server.key
require_certificate false
tls_version tlsv1.2

修改 Cargo.toml 文件，开启 ssl 特性：

[features]
default = ["build_bindgen", "ssl"]
build_bindgen = ["paho-mqtt-sys/build_bindgen"]
ssl = []

修改配置文件（默认是 gw.toml），使用 ssl 协议，并指定 ca 文件：

[server]
#address = "127.0.0.1:1883"
address = "ssl://127.0.0.1:18885"

[tls]
cafile = "ca/ca.crt"
# pem 文件生成方式：cat client.crt client.key ca.crt > client.pem
key_store = "ca/client.pem"

编译运行网关程序：

cargo run -- -c gw.toml

(6) 连接 ThingsBoard

[待整理]

3. 数据模板引擎功能说明

数据模板引擎需要在配置文件中配置，减 gw.toml 内 [msg] 部分。

模板支持的功能：

  1. 可以使用原消息中字符串类型的属性值作为属性名
  2. 可以使用原消息中的属性值
  3. 可以新增自定义的属性名/属性值
  4. 可以使用有特定内容的模板，比如时间戳

对原始数据的要求：

  1. 格式为 JSON

  2. 不能有同名的属性

  3. 打算用做模板属性名的字符串属性值需要符合 JSON 属性名命名规范

模板示例（以 gw.toml 中的为例）：

# 原始数据示例
"{\"l\":\"SN-004\",\"t\": 27.45,\"h\": 25.36,\"v\": 3.88,\"e\": 0}"
# 模板
template = "{<{l}>: [{\"ts\": <#TS#>,\"values\": {\"temperature\": <{t}>, \"humidity\": <{h}>,\"voltage\": <{v}>,\"status\": <{e}>}}]}"

以上设置的转换效果为：

# 原始数据
{"l":"SN-001","t": 27.45,"h": 25.36,"v": 3.88,"e": 0}
# 输出数据
{"SN-001": [{"ts": 1596965153255,"values": {"temperature": 27.45, "humidity": 25.36,"voltage": 3.88,"status": 0}}]}

模板注解:

  1. <{l}> ：取原消息属性 l 对应的属性值。例如，需要使用消息 "t": 27.45 中 t 的属性值 27.45 作为输出数据中的属性值，需要在模板中填写 <{t}>
  2. <#NAME#> ：使用模板引擎可以提供的值。例如<#TS#>表示自 EPOCH 以来的秒数；
  3. 符合 JSON 属性名命名规范的字符串类型的属性值可以作为模板中的属性名。需要将模板填成 "<{属性名}>" 的形式. 例如, 需要使用消息 {"l": "SN-001"}中 l 的属性值 SN-001 作为输出数据中的属性名, 需要在模板中填写 <{l}>。

4. 已支持的平台

  • x86_64-unknown-linux-gnu

  • mips-unknown-linux-uclibc

  • arm-unknown-linux-gnueabihf（树莓派）

  • mipsel-unknown-linux-musl

  • riscv64gc-unknown-linux-gnu

目录 tools 内有部分平台的编译脚本。

5. 交叉编译问题解答

(1) 找不到 libanl

/mnt/f/wsl/OpenWRT/OpenWrt-SDK-ar71xx-for-linux-x86_64-gcc-4.8-linaro_uClibc-0.9.33.2/staging_dir/toolchain-mips_34kc_gcc-4.8-linaro_uClibc-0.9.33.2/bin/../lib/gcc/mips-openwrt-linux-uclibc/4.8.3/../../../../mips-openwrt-linux-uclibc/bin/ld: cannot find -lanl

按照 src/CMakeLists.txt: fix build on uclibc or musl 修改 .cargo/registry/src/crates.rustcc.com-a21e0f92747beca3/paho-mqtt-sys-0.3.0/paho.mqtt.c/src/CMakeLists.txt

修改后仍然可能因找到了主机的 libanl 报错，如果还报错，按如下方式修改：

        #SET(LIBS_SYSTEM c dl pthread anl rt)
		SET(LIBS_SYSTEM c dl pthread rt)

(2) 找不到 libclang

thread 'main' panicked at 'Unable to find libclang: "couldn't find any valid shared libraries matching: ['libclang.so', 'libclang-.so', 'libclang.so.']

sudo apt-get install clang libclang-dev

(3) 找不到 bindings

thread 'main' panicked at 'No generated bindings exist for the version/target: bindings/bindings_paho_mqtt_c_1.3.2-mips-unknown-linux-uclibc.rs', paho-mqtt-sys/build.rs:102:13

cargo install bindgen
sudo apt install libc6-dev-i386
cd ~/.cargo/registry/src/crates.rustcc.com-a21e0f92747beca3/paho-mqtt-sys-0.5.0
TARGET=mips-unknown-linux-uclibc bindgen wrapper.h -o bindings/bindings_paho_mqtt_c_1.3.2-mips-unknown-linux-uclibc.rs -- -Ipaho.mqtt.c/src --verbose

(4) 找不到 C 库头文件

debug:clang version: clang version 10.0.0-4ubuntu1 debug:bindgen include path: -I/mnt/f/wsl/project/iot_gw/target/mipsel-unknown-linux-musl/release/build/paho-mqtt-sys-0e7cd946c58a7093/out/include

--- stderr fatal: not a git repository (or any of the parent directories): .git /usr/include/stdio.h:33:10: fatal error: 'stddef.h' file not found /usr/include/stdio.h:33:10: fatal error: 'stddef.h' file not found, err: true thread 'main' panicked at 'Unable to generate bindings: ()', /home/dell/.cargo/registry/src/crates.rustcc.com-a21e0f92747beca3/paho-mqtt-sys-0.3.0/build.rs:139:14 note: run with RUST_BACKTRACE=1 environment variable to display a backtrace

安装 clang

sudo apt-get install clang

指定交叉编译工具链，例如：

export CC_mipsel_unknown_linux_musl=mipsel-openwrt-linux-gcc
export CXX_mipsel_unknown_linux_musl=mipsel-openwrt-linux-g++

(5) zlib 相关

找不到 -lz：

将对应平台上的 libz.so 复制到所对应的工具链的库目录下。例如：

/mnt/f/wsl/tool/raspberrypi-tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/arm-linux-gnueabihf/lib$ ls -l libz*
lrwxrwxrwx 1 dell dell    14 Oct 29 18:16 libz.so -> libz.so.1.2.11
-rwxrwxrwx 1 dell dell 95880 Oct 29 18:15 libz.so.1.2.11

找不到 libz.h：

根据运行环境上的 libz.so 的版本，下载对应的 zlib 源码，然后在编译时指定头文件路径，例如：

CFLAGS="-I/home/dell/wsl/source/libz-1.2.1100+2/libz

(6) 芒果派 MQR-F133（RISC-V64）生成 paho-mqtt-sys 绑定的问题

  • error: unknown target triple 'riscv64gc-unknown-linux-gnu', please use -triple or -arch thread 'main' panicked at 'libclang error; possible causes include:
    • Invalid flag syntax
    • Unrecognized flags
    • Invalid flag arguments
    • File I/O errors If you encounter an error missing from this list, please file an issue or a PR!', /home/dell/.cargo/registry/src/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn-df7c3c540f42cdbd/bindgen-0.52.0/src/ir/context.rs:574:15

修改 bindgen-0.52.0 的源码，在打印上述信息前的位置将传给 clang 的标志打印出来：

            println!("{:?}", clang_args);
            clang::TranslationUnit::parse(
                &index,
                "",
                &clang_args,
                &options.input_unsaved_files,
                parse_options,
            ).expect("libclang error; possible causes include:
- Invalid flag syntax
- Unrecognized flags
- Invalid flag arguments
- File I/O errors
If you encounter an error missing from this list, please file an issue or a PR!")

得到如下信息：

debug:Using bindgen for Paho C debug:clang version: clang version 10.0.0-4ubuntu1 debug:bindgen include path: -I/mnt/f/wsl/project/iot_gw/target/riscv64gc-unknown-linux-gnu/release/build/paho-mqtt-sys-b3925b784bd5c394/out/include ["--target=riscv64gc-unknown-linux-gnu", "-I/mnt/f/wsl/project/iot_gw/target/riscv64gc-unknown-linux-gnu/release/build/paho-mqtt-sys-b3925b784bd5c394/out/include", "-isystem", "/usr/local/include", "-isystem", "/usr/lib/llvm-10/lib/clang/10.0.0/include", "-isystem", "/usr/include/x86_64-linux-gnu", "-isystem", "/usr/include", "wrapper.h"]

可以看到，三元组 riscv64gc-unknown-linux-gnu 被传给了 clang，同时，从 paho-mqtt-sys-0.5.0/build.rs 打印的信息可以看到 clang 的版本比较老，可能还不支持 riscv64gc-unknown-linux-gnu 三元组。最新的 16.0.0 版本是支持的()。

试一下 clang-13:

sudo apt-get install clang-13
sudo apt-get install libclang-13-dev
ls -l /usr/bin/clang*
lrwxrwxrwx 1 root root 24 Mar 21  2020 /usr/bin/clang -> ../lib/llvm-10/bin/clang
lrwxrwxrwx 1 root root 26 Mar 21  2020 /usr/bin/clang++ -> ../lib/llvm-10/bin/clang++
lrwxrwxrwx 1 root root 26 Apr 20  2020 /usr/bin/clang++-10 -> ../lib/llvm-10/bin/clang++
lrwxrwxrwx 1 root root 26 Jul  6 20:01 /usr/bin/clang++-13 -> ../lib/llvm-13/bin/clang++
lrwxrwxrwx 1 root root 24 Apr 20  2020 /usr/bin/clang-10 -> ../lib/llvm-10/bin/clang
lrwxrwxrwx 1 root root 24 Jul  6 20:01 /usr/bin/clang-13 -> ../lib/llvm-13/bin/clang
lrwxrwxrwx 1 root root 28 Apr 20  2020 /usr/bin/clang-cpp-10 -> ../lib/llvm-10/bin/clang-cpp
lrwxrwxrwx 1 root root 28 Jul  6 20:01 /usr/bin/clang-cpp-13 -> ../lib/llvm-13/bin/clang-cpp

将 clang 软链接指向 clang-13：

sudo rm /usr/bin/clang
sudo ln -s /lib/llvm-13/bin/clang /usr/bin/clang

仍然有问题：

debug:clang version: Ubuntu clang version 13.0.1-2ubuntu2~20.04.1 debug:bindgen include path: -I/mnt/f/wsl/project/iot_gw/target/riscv64gc-unknown-linux-gnu/release/build/paho-mqtt-sys-b3925b784bd5c394/out/include ["--target=riscv64gc-unknown-linux-gnu", "-I/mnt/f/wsl/project/iot_gw/target/riscv64gc-unknown-linux-gnu/release/build/paho-mqtt-sys-b3925b784bd5c394/out/include", "-isystem", "/usr/lib/llvm-13/lib/clang/13.0.1/include", "-isystem", "/usr/local/include", "-isystem", "/usr/include/x86_64-linux-gnu", "-isystem", "/usr/include", "wrapper.h"]

从 llvm 源码可以看到，支持 riscv64（https://github.com/llvm/llvm-project/blob/release/13.x/llvm/include/llvm/ADT/Triple.h）：

    riscv32,        // RISC-V (32-bit): riscv32
    riscv64,        // RISC-V (64-bit): riscv64

但是好像没有 riscv64gc-unknown-linux-gnu 的组合。

继续搜索，有人提到，RISC-V 在 clang 和 rustc 上的三元组不同：https://github.com/rust-lang/rust-bindgen/issues/2136，并且该问题已经得到了解决，但是查看代码时，发现相关提交是 rust-bindgen 0.52.0 之后合入的。

修改 paho-mqtt-sys-0.5.0/Cargo.toml，将 bindgen 的版本修改为 0.60，但还是不行，不知道什么原因，从报错信息中看，调用的仍然是 0.52.0 版。

阅读 paho-mqtt-sys-0.5.0/build.rs 源码可知，可以禁用 build_bindgen 属性，不要在编译过程中调用 bindgen 生成绑定。而是使用 bindgen 0.61.0 版手动生成绑定：

# 删除老版本的 bindgen
cargo uninstall bindgen

# 0.61.0 版本，bindgen 的 crate 改名了
cargo install bindgen-cli

cd ~/.cargo/registry/src/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn-df7c3c540f42cdbd/paho-mqtt-sys-0.5.0

# 但是运行的时候仍然是 bindgen
RUST_BACKTRACE=full TARGET=riscv64gc-unknown-linux-gnu bindgen wrapper.h -o bindings/bindings_paho_mqtt_c_1.3.8-riscv64gc-unknown-linux-gnu.rs -- -Ipaho.mqtt.c/src --verbose

有如下报错：

End of search list. thread 'main' panicked at 'assertion failed: (left == right) left: 4, right: 8: Target platform requires --no-size_t-is-usize. The size of ssize_t (4) does not match the target pointer size (8)', /home/dell/.cargo/registry/src/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn-df7c3c540f42cdbd/bindgen-0.61.0/codegen/mod.rs:851:25

带上 --no-size_t-is-usize 选项：

RUST_BACKTRACE=full TARGET=riscv64gc-unknown-linux-gnu bindgen --no-size_t-is-usize wrapper.h -o bindings/bindings_paho_mqtt_c_1.3.8-riscv64gc-unknown-linux-gnu.rs -- -Ipaho.mqtt.c/src --verbose

可以生成绑定 paho-mqtt-sys-0.5.0/bindings/bindings_paho_mqtt_c_1.3.8-riscv64gc-unknown-linux-gnu.rs：

然后在 iot_gw/Cargo.toml 中，禁用 paho-mqtt-sys/build_bindgen 特性：

[features]
default = []
build_bindgen = ["paho-mqtt-sys/build_bindgen"]
ssl = []

进入 tools 目录，运行 build_f133.sh 即可。

6. 网关运行问题解答

(1) 数据接口类型未知

thread 'main' panicked at 'Init data interface failed: DataIfUnknownType'

Cargo.toml 中有关数据接口的特性和网关配置文件内的不一致。

(2) 连接错误

Error connecting to the broker: NULL Parameter: NULL Parameter

使用 ssl 连接 broker，但是没有在 Cargo.toml 中启用 ssl 特性。

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