基于Web技術的溫度物聯網終端研究

李輝杰　劉兵　丁偉紅

摘 要：針對工業設備檢測類終端感知層的接入能力、網絡層的泛在能力及終端的網絡接入技術等方面開展研究工作。以網絡通信作為主題，溫度檢測為特例，研究、設計并構建物聯網的終端設備。所構建的系統具有投入小、運行費用低、使用方便等優點。

關鍵詞：物聯網終端；嵌入式Web；精簡TCP/IP；遠程監測

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絡技術的不斷進步，物聯網（Internet of Things）應運而生。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、計算能力和執行能力，成為了“智能終端”。“智能終端”可以通過網絡設施實現信息的傳輸、協同和處理，進而可以實現物與物、物與人之間的通信。工業界預言，在未來10年里，終端的數量將以10億為單位計數。在即將到來的10年中，將會看到我們與數字世界和物理世界之間的交互方式發生根本性的變化[1]。

本文對物聯網的體系架構，物聯網感知層、網絡層、應用層的功能性介紹，以及分析本系統在物聯網架構下系統方案的確定。先對物聯網的體系架構進行了論述，又分別從感知層、網絡層、應用層介紹物聯網的架構。同時針對技術需求，選定了基于IP的網絡傳輸和基于Web服務的應用方案并說明其優點與可行性分析，搭建了嵌入式Web的溫度物聯網終端系統。

1 物聯網技術的架構特征

物聯網應該具備三個特征：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信息；二是可靠傳遞，通過各種獨立網絡（內網）與互聯網的融合，將物體的相關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，如人工智能、云計算、神經網絡等，進行海量數據信息分析與處理，對物體實行智能化地控制[2]。因此，物聯網大體被公認為三個層次：底層是感知層，用來感知數據；中間層是網絡層，進行數據傳輸，上層則是應用層，如圖1所示。

1.1 感知層

感知層包括傳感器等數據采集設備，包括數據接入到網關之前的互感器網絡。感知層是物聯網發展與應用的基礎，RFID技術、傳感和控制技術、短距離無線通信技術是感知層涉及的主要技術，其中又包括芯片研發、通信協議研究、RFID材料、智能節點供電等細分技術。

1.2 網絡層

網絡層將建立在現有的移動通信網和互聯網基礎上，由各種私有網絡、有線和無線通信網、網絡管理系統、互聯網和云計算平臺等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。

網絡層中實現以數據為中心的物聯網的核心技術是感知數據處理與管理技術，包括傳感網絡中數據的查詢、存儲、挖掘、分析、理解和感知數據決策和行為的理論與技術。

1.3 應用層

物聯網的應用層是通過對感知數據進行分析處理，來為用戶提供特定的服務，可分為監測型（污染監測、物流監測）、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。應用層是物聯網發展的目的，軟件開發、智能控制技術將會為用戶提供豐富多彩的物聯網應用。各種行業和家庭應用的開發將會推動物聯網的普及，也給整個物聯網產業帶來利潤。

2 基于物聯網架構的終端方案設計

依據物聯網的三層架構，系統的實現由數據采集感知、采用TCP/IP的網絡傳輸和提供Web服務的應用層三部分組成[2]，如圖2所示。其中數據采集屬于物聯網的感知層，利用傳感器采集目標區域各監測節點的物理信息；終端內嵌入了精簡的TCP/IP協議棧，保證信息在網絡上的正確傳輸，利用現有互聯網的基礎平臺，提供從監測現場到數據中心的通訊鏈路，此屬于物聯網的網絡層；基于Web的數據監測中心屬于物聯網的應用層，通過分析采集到的數據，對現場作出決策[3]。

系統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，監測現場環境；可編程并且基于程序作出決策；能夠接收和發送數據；具有網絡化的特征； 統一的結構，支持操作； 有較強的數據處理功能，如數字信號采集、存儲等。

3 系統的劃分和介紹

3.1 感知層：物理信息的數據采集終端

建立監測點的終端，實現對環境溫度的實時監測，并將測試后數據作進一步處理。終端具有體積小和低功耗特點，如果在野外環境下工作，還要具有補充電源部分。終端體系結構如圖3所示。

終端的采集單元直接使用數字溫度傳感器將被測物理量轉換為數字信號，這樣可以省去A/D轉換過程，經過微處理器的數據處理后將結果傳送給網絡。處理單元采用單片機和網絡控制芯片，完成信號處理、數據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，通過網絡接口與外界發送和接收數據，數據的交換是由精簡的TCP/IP傳輸協議保證正確執行。與傳統的終端相比，使用嵌入式Web的終端可以對原始數據的加工、處理直接在終端內部進行，并通過Internet和外界進行數據交互，具有可靠、易擴展的優點，可達到終端的智能化、微型化和網絡化的目的。傳感器的網絡接口也實現與Internet或以太網的互連，來進行資源共享和發布信息，其實現的方式是嵌入式Web終端研究的重點。

通信單元實現的關鍵之處在于TCP/IP通信協議的實現[4，5]。按照協議棧是否移植，TCP/IP通信協議棧的實現方法有兩種：第一種是TCP/IP協議棧的移植，針對嵌入式系統，將TCP/IP協議棧移植到開發的系統中，再調用相關的應用程序編程接口（API）函數達到網絡通信的目的；第二種是不采用移植方式，參照標準的TCP/IP協議精簡相應的協議層，編寫相關的API函數完成簡易的TCP/IP通信；采用協議芯片，如RTL8019AS芯片，該方法直接采用硬件方式實現TCP/IP協議，直接對芯片的寄存器進行設置，實現數據對網絡的傳送。本文采用了第二種方法來實現網絡協議的精簡。

3.2 網絡層：基于IP協議架構的數據傳輸

IP協議架構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提供了與現有網絡、應用和協議的互通性。在IP協議架構內，互通的第二個特點是當今網絡環境中IP的廣泛應用[6]。因此，具備IP功能的設備可以和大量的設備、計算機和服務器互通。本系統中的終端有獨立的IP地址，同時可實現通過上位機軟件配置IP等參數的功能。如圖4是定制后的精簡TCP/IP協議棧[7，8]。

3.3 應用層：基于Web服務數據監測應用

Web服務是構建分布式應用的系統框架，在基于Web服務技術的終端應用系統開發中，現有的面向Web服務系統、程序開發庫和經驗知識可直接應用于新興的物聯網終端的應用領域。其好處：首先，對于企業而言，終端應用可直接集成到已有的企業系統，且可基于相同的用戶界面。因此，終端應用無需中介就可集成到企業資源規劃系統中，從而降低集成系統的復雜性。其次，對于工業而言，不必定制用戶界面和轉換器，便可利用現成技術構建終端應用，且無需相關專家的參與[9]。

對于終端來說，它們資源的有限性需要降低軟件的復雜度。終端不僅能節省能源和帶寬，而且限制內存的資源。由于Web服務是終端的一個可行的通信機制，Web服務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服務的實現復雜度低，Web服務可以滿足終端的內存限制，在HTTP連接上高效的運行，使其更簡便、更令人信服地應用于資源受限的終端裝置。它的互操作和集成優勢，結合低資源需求和良好的性能，使它成為終端系統中一個不容忽視的選擇[10]。

4 結 語

本設計實現對監測現場區域的遠程實時監測的可行方案，對更多物理數據的信息化、智能化提供了一種新的思路。所構建的系統具有投入小、運行費用低、使用方便等優點，實驗表明使用嵌入式的終端對構建物聯網有著普遍的參考意義。

參考文獻

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