李輝杰　劉兵　丁偉紅

摘 要：針對工業(yè)設(shè)備檢測類終端感知層的接入能力、網(wǎng)絡(luò)層的泛在能力及終端的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)等方面開展研究工作。以網(wǎng)絡(luò)通信作為主題，溫度檢測為特例，研究、設(shè)計并構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備。所構(gòu)建的系統(tǒng)具有投入小、運行費用低、使用方便等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)終端；嵌入式Web；精簡TCP/IP；遠程監(jiān)測

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

伴隨著通信需求的不斷增加以及信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）應(yīng)運而生。它使得物理世界的實體在嵌入了必要的芯片和軟件等“智能終端”之后，具備了一定的感知能力、計算能力和執(zhí)行能力，成為了“智能終端”?！爸悄芙K端”可以通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)信息的傳輸、協(xié)同和處理，進而可以實現(xiàn)物與物、物與人之間的通信。工業(yè)界預(yù)言，在未來10年里，終端的數(shù)量將以10億為單位計數(shù)。在即將到來的10年中，將會看到我們與數(shù)字世界和物理世界之間的交互方式發(fā)生根本性的變化[1]。

本文對物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的功能性介紹，以及分析本系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下系統(tǒng)方案的確定。先對物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)進行了論述，又分別從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層介紹物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)。同時針對技術(shù)需求，選定了基于IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸和基于Web服務(wù)的應(yīng)用方案并說明其優(yōu)點與可行性分析，搭建了嵌入式Web的溫度物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的架構(gòu)特征

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備三個特征：一是全面感知，即利用射頻標簽（RFID）、傳感器（互感器）、讀卡器等任何時間，任何地點都可獲取物體的相關(guān)信息；二是可靠傳遞，通過各種獨立網(wǎng)絡(luò)（內(nèi)網(wǎng)）與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的相關(guān)信息實時準確地傳輸出去；三是智能處理，利用各種智能計算技術(shù)，如人工智能、云計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，進行海量數(shù)據(jù)信息分析與處理，對物體實行智能化地控制[2]。因此，物聯(lián)網(wǎng)大體被公認為三個層次：底層是感知層，用來感知數(shù)據(jù)；中間層是網(wǎng)絡(luò)層，進行數(shù)據(jù)傳輸，上層則是應(yīng)用層，如圖1所示。

1.1 感知層

感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前的互感器網(wǎng)絡(luò)。感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與應(yīng)用的基礎(chǔ)，RFID技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)是感知層涉及的主要技術(shù)，其中又包括芯片研發(fā)、通信協(xié)議研究、RFID材料、智能節(jié)點供電等細分技術(shù)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層將建立在現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，由各種私有網(wǎng)絡(luò)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)和云計算平臺等組成，相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。

網(wǎng)絡(luò)層中實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)是感知數(shù)據(jù)處理與管理技術(shù)，包括傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的查詢、存儲、挖掘、分析、理解和感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論與技術(shù)。

1.3 應(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層是通過對感知數(shù)據(jù)進行分析處理，來為用戶提供特定的服務(wù)，可分為監(jiān)測型（污染監(jiān)測、物流監(jiān)測）、查詢型（遠程抄表、智能檢索）、控制型（路燈控制、智能家居、智能交通）、掃描型（高速公路不停車收費、手機錢包）等。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的，軟件開發(fā)、智能控制技術(shù)將會為用戶提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。各種行業(yè)和家庭應(yīng)用的開發(fā)將會推動物聯(lián)網(wǎng)的普及，也給整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)帶來利潤。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的終端方案設(shè)計

依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)，系統(tǒng)的實現(xiàn)由數(shù)據(jù)采集感知、采用TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸和提供Web服務(wù)的應(yīng)用層三部分組成[2]，如圖2所示。其中數(shù)據(jù)采集屬于物聯(lián)網(wǎng)的感知層，利用傳感器采集目標區(qū)域各監(jiān)測節(jié)點的物理信息；終端內(nèi)嵌入了精簡的TCP/IP協(xié)議棧，保證信息在網(wǎng)絡(luò)上的正確傳輸，利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)平臺，提供從監(jiān)測現(xiàn)場到數(shù)據(jù)中心的通訊鏈路，此屬于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層；基于Web的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心屬于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層，通過分析采集到的數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場作出決策[3]。

系統(tǒng)中的終端滿足一些條件才能夠被納入其范圍：能夠基于測量點的信號輸入，監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境；可編程并且基于程序作出決策；能夠接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；具有網(wǎng)絡(luò)化的特征； 統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，支持操作； 有較強的數(shù)據(jù)處理功能，如數(shù)字信號采集、存儲等。

3 系統(tǒng)的劃分和介紹

3.1 感知層：物理信息的數(shù)據(jù)采集終端

建立監(jiān)測點的終端，實現(xiàn)對環(huán)境溫度的實時監(jiān)測，并將測試后數(shù)據(jù)作進一步處理。終端具有體積小和低功耗特點，如果在野外環(huán)境下工作，還要具有補充電源部分。終端體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

終端的采集單元直接使用數(shù)字溫度傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這樣可以省去A/D轉(zhuǎn)換過程，經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)處理后將結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò)。處理單元采用單片機和網(wǎng)絡(luò)控制芯片，完成信號處理、數(shù)據(jù)交換和控制的嵌入式智能單元，這部分是終端的核心部分。通信單元中，通過網(wǎng)絡(luò)接口與外界發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的交換是由精簡的TCP/IP傳輸協(xié)議保證正確執(zhí)行。與傳統(tǒng)的終端相比，使用嵌入式Web的終端可以對原始數(shù)據(jù)的加工、處理直接在終端內(nèi)部進行，并通過Internet和外界進行數(shù)據(jù)交互，具有可靠、易擴展的優(yōu)點，可達到終端的智能化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化的目的。傳感器的網(wǎng)絡(luò)接口也實現(xiàn)與Internet或以太網(wǎng)的互連，來進行資源共享和發(fā)布信息，其實現(xiàn)的方式是嵌入式Web終端研究的重點。

通信單元實現(xiàn)的關(guān)鍵之處在于TCP/IP通信協(xié)議的實現(xiàn)[4，5]。按照協(xié)議棧是否移植，TCP/IP通信協(xié)議棧的實現(xiàn)方法有兩種：第一種是TCP/IP協(xié)議棧的移植，針對嵌入式系統(tǒng)，將TCP/IP協(xié)議棧移植到開發(fā)的系統(tǒng)中，再調(diào)用相關(guān)的應(yīng)用程序編程接口（API）函數(shù)達到網(wǎng)絡(luò)通信的目的；第二種是不采用移植方式，參照標準的TCP/IP協(xié)議精簡相應(yīng)的協(xié)議層，編寫相關(guān)的API函數(shù)完成簡易的TCP/IP通信；采用協(xié)議芯片，如RTL8019AS芯片，該方法直接采用硬件方式實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，直接對芯片的寄存器進行設(shè)置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的傳送。本文采用了第二種方法來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的精簡。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層：基于IP協(xié)議架構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸

IP協(xié)議架構(gòu)的一個突出特點在于它的互通性，互通是因為它運行在多種具有完全不同特性的鏈路層之上，在這些鏈路層之間提供互通性，也因為IP提供了與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用和協(xié)議的互通性。在IP協(xié)議架構(gòu)內(nèi)，互通的第二個特點是當今網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中IP的廣泛應(yīng)用[6]。因此，具備IP功能的設(shè)備可以和大量的設(shè)備、計算機和服務(wù)器互通。本系統(tǒng)中的終端有獨立的IP地址，同時可實現(xiàn)通過上位機軟件配置IP等參數(shù)的功能。如圖4是定制后的精簡TCP/IP協(xié)議棧[7，8]。

3.3 應(yīng)用層：基于Web服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測應(yīng)用

Web服務(wù)是構(gòu)建分布式應(yīng)用的系統(tǒng)框架，在基于Web服務(wù)技術(shù)的終端應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中，現(xiàn)有的面向Web服務(wù)系統(tǒng)、程序開發(fā)庫和經(jīng)驗知識可直接應(yīng)用于新興的物聯(lián)網(wǎng)終端的應(yīng)用領(lǐng)域。其好處：首先，對于企業(yè)而言，終端應(yīng)用可直接集成到已有的企業(yè)系統(tǒng)，且可基于相同的用戶界面。因此，終端應(yīng)用無需中介就可集成到企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)中，從而降低集成系統(tǒng)的復(fù)雜性。其次，對于工業(yè)而言，不必定制用戶界面和轉(zhuǎn)換器，便可利用現(xiàn)成技術(shù)構(gòu)建終端應(yīng)用，且無需相關(guān)專家的參與[9]。

對于終端來說，它們資源的有限性需要降低軟件的復(fù)雜度。終端不僅能節(jié)省能源和帶寬，而且限制內(nèi)存的資源。由于Web服務(wù)是終端的一個可行的通信機制，Web服務(wù)機制必須能運行在較小的空間中。另外，終端對帶寬和能量都有所限制。Web服務(wù)的實現(xiàn)復(fù)雜度低，Web服務(wù)可以滿足終端的內(nèi)存限制，在HTTP連接上高效的運行，使其更簡便、更令人信服地應(yīng)用于資源受限的終端裝置。它的互操作和集成優(yōu)勢，結(jié)合低資源需求和良好的性能，使它成為終端系統(tǒng)中一個不容忽視的選擇[10]。

4 結(jié) 語

本設(shè)計實現(xiàn)對監(jiān)測現(xiàn)場區(qū)域的遠程實時監(jiān)測的可行方案，對更多物理數(shù)據(jù)的信息化、智能化提供了一種新的思路。所構(gòu)建的系統(tǒng)具有投入小、運行費用低、使用方便等優(yōu)點，實驗表明使用嵌入式的終端對構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)有著普遍的參考意義。

參考文獻

[1] 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù).http：//www.iotmag.com/[EB/OL].2010.

[2] 張新程. 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2011.

[3] 吳來杰.基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的濱海棉田鹽水分遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].上海：同濟大學(xué)，2010.

[4]嵌牛學(xué)苑（物聯(lián)網(wǎng)專區(qū)）.http：//school.2embed.com/[EB/OL].2013.

[5] 曹宇，魏豐，胡士毅.用51單片機控制RTL8019AS實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2003（1）：21-23.

[6] 王亞唯.物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展綜述[J].科技信息，2010（3）：37-38.

[7] Charles M. Kozierok.The TCP/IP Guide （Volume 1） [M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[8] Charles M. Kozierok.The TCP/IP Guide （Volume 2） [M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[9]姜書漢.智能傳感器的主要功能和應(yīng)用發(fā)展 [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2011（5）：34-35.

[10] 鄧鵬，肖伸平，車倍凱.基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)溫度智能控制裝置的設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012， 2（8） ：91-94.

[11] Jean-Philippe Vasseu，Adam Dunkels.Interconnecting Smart Objects with IP：The Next Internet[M].北京：人民郵電出版社，2011.