基于3G技術(shù)的手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院 袁新洋

隨著智能手機(jī)的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，手機(jī)無(wú)疑是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的基礎(chǔ)平臺(tái)之一。3G技術(shù)的高數(shù)據(jù)傳輸速率給我們帶來(lái)樂趣的同時(shí)也為我們生活帶來(lái)很多方便，也為基于手機(jī)終端的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了很好的發(fā)展空間，以手機(jī)作為物聯(lián)網(wǎng)的終端平臺(tái)將是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。

1.基于3G技術(shù)的手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一個(gè)新興的綜合性技術(shù)，具有互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，智能化特征；同時(shí)聯(lián)合了通信技術(shù)、射頻技術(shù)、無(wú)線技術(shù)等。

1.1 嵌入式處理技術(shù)

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)屬于跨平臺(tái)開發(fā)，即開發(fā)平臺(tái)使用的處理器和開發(fā)對(duì)象的處理器往往是不同的類型，因此需要交叉的軟件集成開發(fā)環(huán)境，即進(jìn)行代碼編寫、編譯、連接、調(diào)試的環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行需要特定的目標(biāo)環(huán)境，該環(huán)境面向特定的應(yīng)用領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能'還需要軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。這種方法的特點(diǎn)是：在設(shè)計(jì)時(shí)從系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)考慮'把軟硬件同時(shí)考慮進(jìn)去，既可最大限度的利用有效資源，縮短開發(fā)周期，又能取得更好的設(shè)計(jì)效果。

1.2 客戶端相關(guān)技術(shù)

Java ME是Java Micro Edition的簡(jiǎn)稱，它支持Java SE標(biāo)準(zhǔn)核心類庫(kù)的一個(gè)子集，增加了一些支持嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)充類庫(kù)，定位在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用上，如手機(jī)、PDA等電子產(chǎn)品上。當(dāng)前時(shí)代移動(dòng)通信產(chǎn)品遍地開花，產(chǎn)品的軟硬件環(huán)境也各式各樣，僅手機(jī)操作系統(tǒng)就有Symbian、Palm OS、Linux、Windows Mobile等多個(gè)，致使系統(tǒng)移植成為一個(gè)瓶頸。Java可以幫助解決這個(gè)問題，因?yàn)镴ava具有“一次編寫、隨處運(yùn)行”的特點(diǎn)。在任何一個(gè)支持Java的手機(jī)上都可以運(yùn)行用J2ME開發(fā)的程序，并且支持J2ME的運(yùn)營(yíng)商和手機(jī)廠商比較多。此外，J2ME還有龐大的開發(fā)工具、數(shù)量眾多的開發(fā)社區(qū)等資源支持，這些都是J2ME的優(yōu)勢(shì)。

1.3 身份認(rèn)證技術(shù)

一次完整的認(rèn)證過(guò)程不但只是對(duì)合法用戶的識(shí)別，還要做好前期準(zhǔn)備和后期審計(jì)工作。認(rèn)證前的工作是給用戶賦予權(quán)限，使合法用戶具有某些權(quán)力。認(rèn)證過(guò)程中，密鑰的安全是非常重要的，因此一定要做好保密工作，可以釆用加密變換的方法傳輸數(shù)據(jù)，加密方法可以選擇對(duì)稱加密法或者公鑰加密法。除此之外，時(shí)效性也是一個(gè)值得注意的問題，失效性是杜絕重放攻擊的有效方法。

2.基于3G技術(shù)的手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是以手機(jī)作為用戶終端，集互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、傳感器技術(shù)、定位技術(shù)、自動(dòng)報(bào)警為一體的多功能監(jiān)控系統(tǒng)，它可應(yīng)用于智能家居、貨物跟蹤、超市監(jiān)管等領(lǐng)域。

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要分為三個(gè)大模塊：前端信息采集模塊、服務(wù)器模塊、客戶端模塊，三個(gè)模塊分工合作，各盡其能。

2.1.1 前端采集模塊設(shè)計(jì)

前端采集模塊主要負(fù)責(zé)信息的采集：攝像頭對(duì)視頻信息采集，傳感器對(duì)周圍環(huán)境信息的采集，定位模塊對(duì)位置信息采集等。之后，把采集得到的信息按一定的數(shù)據(jù)格式封裝后通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器。前端處理器采用三星S3C2440ARM9開發(fā)板，板子上有串口、USB接口、USBHOST接口等，可以外接多個(gè)功能模塊。選擇USB攝像頭，使其與ARM9開發(fā)板相連，負(fù)責(zé)圖像信息的采集。將GPS設(shè)備ARM9開發(fā)板的USB HOST相連，負(fù)責(zé)位置信息的采集。溫度傳感器、濕度傳感器以及危險(xiǎn)氣體傳感器并不是被ARM處理器控制，而是由STC12C5204單片機(jī)直接進(jìn)行控制，單片機(jī)通過(guò)COM口與ARM9開發(fā)板交互信息。為了保證信息傳輸?shù)闹噶睿瑹o(wú)線收發(fā)模塊選擇3G網(wǎng)卡，設(shè)定服務(wù)器的IP地址后，采用TCP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.1.2 服務(wù)器功能設(shè)計(jì)

服務(wù)器分為監(jiān)控管理、用戶管理、數(shù)據(jù)管理等幾個(gè)模塊。服務(wù)器要負(fù)責(zé)接收前端采集到的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理、顯示。除此之外，還要負(fù)責(zé)響應(yīng)客戶端請(qǐng)求。監(jiān)控管理負(fù)責(zé)接收并處理前端采集到的信息（溫度、濕度、危險(xiǎn)氣體、GPS定位），接收到這些信息以后可以在服務(wù)器顯示出來(lái)。與手機(jī)客戶端的數(shù)據(jù)信息交互也主要在這個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，根據(jù)手機(jī)客戶端請(qǐng)求，向客戶端發(fā)送需求信息。用戶管理又可以分為用戶注冊(cè)、用戶認(rèn)證、權(quán)限管理、用戶刪除等功能。用戶注冊(cè)包括用戶基本信息注冊(cè)和手機(jī)客戶端注冊(cè)，客戶端注冊(cè)是為了實(shí)現(xiàn)用戶與手機(jī)客戶端的綁定。注冊(cè)過(guò)程要把用戶的注冊(cè)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶注銷負(fù)責(zé)把申請(qǐng)注銷的用戶信息全部清理并收回權(quán)限。

2.1.3 手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用手機(jī)作為客戶端，安裝了客戶端軟件的手機(jī)，通過(guò)登錄服務(wù)器的方式查看實(shí)時(shí)信息，鑒于手機(jī)具有隨身攜帶的優(yōu)點(diǎn)，因此用戶可以隨時(shí)了解到所關(guān)心的信息。手機(jī)客戶端主要實(shí)現(xiàn)用戶登錄-輸入設(shè)備號(hào)-查看信息。用戶成功登錄前，需要通過(guò)手機(jī)客戶端與服務(wù)器進(jìn)行雙向認(rèn)證，彼此認(rèn)證通過(guò)后即可輸入所要査詢?cè)O(shè)備的設(shè)備號(hào)進(jìn)行信息査詢。

2.2 雙向身份認(rèn)證方法設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，本文在S/Key技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于動(dòng)態(tài)口令的雙向身份認(rèn)證方法，不但實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器對(duì)客戶端的身份認(rèn)證，而且實(shí)現(xiàn)了客戶端對(duì)服務(wù)器的有效認(rèn)證。雙向認(rèn)證方法的基礎(chǔ)是通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)口令的驗(yàn)證，達(dá)到驗(yàn)證用戶身份的目的。在此基礎(chǔ)上，采用手機(jī)序列號(hào)（手機(jī)序列號(hào)是Imei碼的俗稱，Imei碼由GSM全球移動(dòng)通信協(xié)會(huì)統(tǒng)一分配，是由15位數(shù)字組成的“電子串號(hào)”，它與每臺(tái)移動(dòng)電話機(jī)一一對(duì)應(yīng)，而且該碼是全世界唯一的）和手機(jī)號(hào)生成客戶識(shí)別碼（我們稱之為PN碼）實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端軟件與用戶的綁定，做到手機(jī)與用戶的一一對(duì)應(yīng)，達(dá)到了服務(wù)器對(duì)用戶的二次認(rèn)證的目的。

雙向認(rèn)證方法在本系統(tǒng)中主要應(yīng)用在客戶端與服務(wù)器之間，用戶通過(guò)手機(jī)客戶端首先發(fā)起服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)器收到請(qǐng)求以后向客戶端發(fā)出挑戰(zhàn)信息，客戶端根據(jù)挑戰(zhàn)信息對(duì)服務(wù)器進(jìn)行身份認(rèn)證，對(duì)服務(wù)器認(rèn)證通過(guò)后則進(jìn)一步向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求認(rèn)證信息，服務(wù)器進(jìn)行對(duì)客戶端的認(rèn)證，若認(rèn)證通過(guò)則一次完整的認(rèn)證過(guò)程結(jié)束。服務(wù)器對(duì)用戶的認(rèn)證需要驗(yàn)證客戶端標(biāo)識(shí)碼(PN碼）和動(dòng)態(tài)口令。驗(yàn)證過(guò)程中，服務(wù)器首先根據(jù)用戶ID檢索出該用戶的手機(jī)號(hào)碼和Imei碼，并使用與客戶端相同的方法計(jì)算PN碼，然后用計(jì)算出的PN碼對(duì)收到的信息（用PN碼作為加密密鑰的加密后動(dòng)態(tài)口令值）進(jìn)行解密，如果解密不成功說(shuō)明有錯(cuò)誤，否則進(jìn)一步驗(yàn)證解密出的動(dòng)態(tài)口令。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文以手機(jī)作為應(yīng)用平臺(tái)，以3G網(wǎng)絡(luò)作為傳輸媒介，設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，雖然在硬件上本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一些基本的數(shù)據(jù)采集以及定位跟蹤，并不能滿足所有的需求，開發(fā)面向具體環(huán)境具體應(yīng)用的系統(tǒng)是下一步要做的主要工作。

[1]石立峰.手機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)[J].中國(guó)產(chǎn)業(yè),2010(11).

[2]王文軒.基于3G手機(jī)短信(SMS)的家電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2011(10).

[3]劉強(qiáng),崔莉,陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2010(06).