一種物聯網云服務平臺的設計與實現

梁文禎++龔蘭芳++蘇晨茜

摘 要：文中提出一種物聯網云服務平臺的設計方案，給出了平臺的硬件和軟件設計，可利用該平臺實現溫度采集和遠程門禁。溫度采集能夠實現遠程采集、分析和顯示溫度，結合百度地圖顯示各區域的溫度情況，以曲線形式顯示氣溫的走勢。遠程門禁能夠實現遠程開門，響應速度快。實際結果表明，該物聯網云服務平臺運行效果良好，可靠性高，擴展性強，滿足了設計要求。

關鍵詞：物聯網；云服務平臺；遠程監控；溫度采集；門禁

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-02

0 引 言

從我國2009年提出物聯網發展戰略以來，物聯網在工業監控、城市管理、智能家居、智能交通等多個領域發展迅速。云計算是物聯網發展的基石，也是實現物聯網的核心，使物聯網中以兆計算的各類物品的實時動態管理和智能分析變得可能，也促進了物聯網和互聯網的智能融合。云計算使傳統IT產業格局在技術、商業模式及服務等方面得到明顯改變[1]。服務提供商利用云服務將信息技術服務提供給用戶，使得用戶通過網絡能夠隨時隨地得到自己想要的資源及服務，對傳統制造業產生了巨大的沖擊。各制造商紛紛對產品進行產業升級與改造，同時讓其下所有產品組成一個能為用戶提供完整服務的有機組合，而非單一的產品，大力建立自己的移動互聯網生態系統。對于很多由硬件制造起家的公司來說，部署和運維互聯網應用無疑是一個噩夢，缺乏專業研發團隊，平臺運維費錢費心，安全問題難以得到保障。因此，建立一個專業的物聯網云服務平臺，可以解決這些硬件制造商的困擾，不但讓制造商能夠簡單地低成本改造原先的產品，還可利用云服務平臺提供的定制服務增強用戶體驗，既不用擔心未來產品的升級換代和架構升級，也有利于快速搶占市場份額。

1 系統總體方案

物聯網云服務平臺由手機App、云服務器、終端組成，如圖1所示。終端由控制器、以太網模塊、輸出接口和傳感器接口組成。

遠程監測傳感器數值的過程如下所示：

（1）用戶在云服務器建立傳感器的云端服務；

（2）控制器通過傳感器接口采集傳感器的數據，通過以太網模塊發送給云服務器；

（3）云服務器將消息推送到手機App，以曲線形式查看傳感器的數值。

遠程控制輸出機構的過程如下所示：

（1）用戶在云服務器建立屬于輸出機構的云端服務；

（2）利用手機App連接云服務器，發出改變輸出機構狀態的指令；

（3）云服務器將指令推送到終端，控制器改變輸出機構的狀態。

在實際應用過程中，在傳感器接口連接溫度傳感器，實現溫度的遠程測量、分析和顯示；在輸出機構接口連接繼電器，實現門禁的遠程開關。

2 系統硬件設計

2.1 控制器

系統選用基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器STM32F103RBT。它運行速度快，工作頻率可達72 MHz；內置高速存儲器（128 KB Flash和20 KB SRAM）；2個可工作在主從模式的SPI串行接口、7通道DMA控制器、51個通用IO口。豐富的外圍配置與開發資料可大大降低系統開發成本并縮短開發時間[2，3]。

2.2 以太網模塊

系統選用WIZnet公司生產的W5500。W5500有8個獨立端口Socket同時通訊，集成了TCP/IP協議棧，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP及PPPoE協議，內嵌32KB片上緩存以供以太網包處理，支持10/100 M以太網數據鏈路層（MAC）及物聯層（PHY）。W5500支持高達80MHz的SPI接口，更容易與外設MCU整合，更好地調整網絡通訊。為減少系統能耗，W5500提供了網絡喚醒模式以及掉電模式供客戶選擇使用[4，5]。

3 系統軟件設計

3.1 控制器主程序設計

控制器主要實現傳感器采集、輸出機構控制和以太網通信功能，其主程序的流程決定了終端的功能，其運行效率決定了終端的整體性能。圖2所示為將溫度采集和遠程門禁集成在一起的控制器主程序流程圖。首先，控制器對以太網模塊進行硬件初始化。然后從DHCP服務器獲取IP地址。終端IP地址無效分為兩種情況，即終端剛上電與DHCP服務器分配的IP地址超過租期時間。當終端IP地址無效時，控制器需要利用W5500其中1個Socket進行DHCP協議通信（UDP協議通信），才能從DHCP服務器分配到有效IP地址。最后，實現應用功能。由于W5500有8個獨立網絡通信線程，其中1個用于DHCP通訊，因此還有7個可用于上述事例。文中采用2個獨立網絡通信線程分別實現溫度采集和遠程門禁。

3.2 手機App的軟件設計

手機App軟件包括公開設備、關注設備、我的設備及設置。

（1）公開設備是指各用戶共享自己的設備和傳感器，其他用戶能夠直接查看其傳感器的數值。

（2）關注設備是將公開設備關聯為常用設備，是一種快速鏈接方式。

（3）我的設備是指用戶創建的全部設備和傳感器，包括公開和私有兩種。

（4）設置包括自己的帳號、密碼、驗證碼、是否記住賬號密碼、自動登錄以及App信息。

在Android系統中，公開設備、關注設備、我的設備以及設置四大功能分為四個UI界面（Activity）進行獨立管理，常用方案為Fragments。Fragments是為解決不同屏幕分辨率的動態和靈活UI設計。每一個Fragments都有一套自己的生命周期回調方法和處理用戶輸入事件。

4 物聯網云服務平臺的測試

物聯網云服務平臺的測試包括網站、手機App軟件以及終端設備。網站首頁以地圖形式顯示各地區公開設備的GPS位置、傳感器列表及最后一次數值，如圖3所示。結合地圖的滾動和移動操作，地圖上更新最新的公開設備情況，方便用戶查找自己附近的公開設備。手機App啟動后，在右上角利用圖標顯示當前與云服務器之間的網絡連接狀態。點擊“公開設備”，顯示圖4所示公開的設備列表。點擊設備，進入圖5所示設備包含的傳感器列表。點擊傳感器，查看該傳感器的歷史記錄數據，并以曲線形式顯示，如圖6和圖7所示。圖6所示為溫度傳感器最近一年的歷史數據，其中A點（2016年11月11日）的溫度突然下降約7℃，接著回暖，我們將這種現象稱為“入冬失敗”。圖7所示為門禁最近一年的歷史數據。

5 結 語

基于本物聯網云服務平臺，可實現遠程采集、分析和顯示溫度與遠程開門。結果表明，該平臺運行效果良好，可靠性高，擴展性強，滿足設計要求，為后續的決策系統與用戶定制服務等功能提供了一個良好的平臺。

參考文獻

[1]李芳頌，劉曉華，王鋒.云服務平臺關鍵技術的研究[J]. 通訊世界， 2015（2）：7-8.

[2]李寧.基于MDK的STM32處理器應用開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]王超，駱德漢，鄭魏，等. 基于STM32的嵌入式智能家居無線網關設計[J].計算機技術與發展，2013，23（3）：241-244.

[4]溫凱峰.基于云平臺的場所智能控制及報警系統的設計[J].嘉應學院學報（自然科學），2015，33 （11）：24-28.

[5]曾紅，黨盼盼.基于W5500的嵌入式系統以太網網關設計[J].網絡安全技術與應用，2015， （2）：36-37.

[6]楊博，陳新，袁建輝，等.基于多元自感知的車輛只能服務系統設計[J].物聯網技術，2016，6（7）：37-40.

[7]董清，洪歧.一種基于云平臺的智能家居光控系統設計[J].物聯網技術，2017，7（4）：88-90.

[8]王慧敏.基于物聯網及云計算的旅游安全保障平臺的設計與搭建[J].黑龍江科技信息，2013（3）：29.endprint