一種基于OneNet設備云的智能硬件組網方法

陳寶遠++褚慶文++孫忠祥++羅中明

摘要：針對移動終端與智能硬件遠程組網中，對智能硬件的結構要求復雜程度高，對服務器程序設計復雜及專用服務器使用費高等問題。運用中國移動物聯網開放平臺—OneNet設備云服務器，構建出智能硬件接入OneNet，實現遠程監控的組網方案。本方案是把智能硬件終端采集的傳感器數據上傳到OneNet云平臺，OneNet平臺實現數據轉發和存儲，從而實現由移動控制端—云平臺—智能硬件設備組成的遠程監控物聯網架構。以OneNet作為服務平臺構成的物聯網應用網絡，能夠明顯降低開發難度，節約開發成本，縮短開發周期。并且能夠實現移動終端遠程監控同時，還可在云平臺實時監測智能硬件終端數據和狀態，而實現廣域網WEB數據查詢。

關鍵詞：物聯網；智能硬件；OneNet設備云；移動終端；遠程監控；

DOI：1015938/jjhust201705014

中圖分類號： TP2741

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）05-0076-05

The Solution of IOT Based on OneNet Cloud Server

CHEN Baoyuan，CHU Qingwen，SUN Zhongxiang，LUO Zhongming

（Nationa Experiment and Teaching Demonstration Center for Measurementcontrol Technology

and Instrumentation， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：There are several problems in network connection between mobile terminal and intelligent hardware For examples， the intelligent hardware is too complex on structure， programming a specific software is lowefficiency and set up a specific server is too expensive， etc By connecting the intelligent hardware to the China Mobile IOT Open Platform can solve those problems， also the IOT of wide area can be set up easily The solution describe in this paper is based on cloud server of China Mobile IOT Open Platform（ie OneNet cloud server） and sensor data acquisition module The data collected by sensors can be transmitted to the OneNet cloud server， which can storage and switch the data， so that the IOT of mobile terminalcloud serverintelligent hardware is set up The IOT based on OneNet cloud server can reduce the development difficulty， Lower development costs and shorten the development cycle The mobile terminal can monitor the data and status of the intelligent hardware， also you can check them on the web by access to China Mobile IOT Open Platform

Keywords：IOT； intelligent hardware； OneNet device cloud； mobile terminal； remote monitor

收稿日期： 2016-02-26

基金項目： 黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12531113）

作者簡介：

陳寶遠（1970—），男，副教授，碩士研究生導師，Email；chenbaoyuan@126.com；

褚慶文（1994—），男，碩士研究生；

羅中明（1962—），男，博士，教授，碩士研究生導師

0引言

在萬物互聯IOT（物聯網）時代，智能手機這一科技概念提出之后，又提出了智能硬件的概念。智能硬件是在傳統硬件設備的基礎上進行改造之后，通過軟件和硬件相結合的形式，讓它具備智能化的功能[1]。完成智能化之后，硬件系統已經具備了連接網絡的能力，實現了互聯網服務的加載，具備了大數據等附加價值，形成了“云+端”的典型架構[2]。在物聯網領域，物體與物體之間的信息交互，物體與客戶端的數據傳輸，需要一個通信平臺支撐[3]。這樣，云計算平臺是其必然的選擇。

1OneNet設備云平臺架構

11OneNet設備云平臺的特性

隨著物聯網大潮的到來，國內外多家運營商相繼推出了自己云平臺，服務于物聯網應用領域，基于此，本設計提出了智能硬件接入中國物聯網開放平臺——OneNet設備云的研究方案，此平臺面向所有硬件終端系統開放，是一款免費的平臺[4]。OneNet是中移物聯有限公司基于物聯網技術和產業特點打造的開放平臺和生態環境，適配各種網絡環境和協議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數據服務[5]，提供豐富的API和應用模板以及支持各種行業應用和智能硬件的開發，能夠有效降低物聯網應用開發成本和部署成本[6]，滿足物聯網領域設備連接、協議適配、數據存儲、數據安全、大數據分析等平臺級服務要求。OneNet搭建了一個云存儲服務中心，專門用來解決數據接入之后的數據存儲問題，這個存儲中心具有高并發、大存儲、擴展性強的優點[7]。對于傳感器數據的存儲，通常需要多個服務組建共同來完成[8]。因此本研究方案采用OneNet是最佳選擇。基于OneNet的遠程控制端可以是智能移動終端（手機、PAD等），也可以是個人PC機，只要可以與設備云平臺建立網絡聯接，皆可作為遠程控制端[9]。endprint

12OneNet事件觸發機制與多層網絡協同技術

OneNet設備云平臺在設計之初就制定了事件觸發機制和大量的規則觸發應用，在設備接入OneNet之后，可添加觸發器設置[10]。在縱向協同方面，保障海量終端和用戶的泛在接入，打破云管端界限，實現各個部件的智能聯動[11]。在橫向協同方面，多個網絡間相互協同，不但保障了網絡的安全邊界，又能讓網絡間信息的流動得到精細化控制和高品質保障[12]。“協同”將使得用戶完全可以忽略網絡中的異構的存在，感知得到統一保障，體驗像一張網絡，這也就是所謂的超融合狀態[13]。

13OneNet設備云資源管理層次結構

在OneNet設備云平臺下用戶、設備、APIKey、設備應用、觸發器、數據流的組織結構形式都十分清晰，在每個用戶下數據的管理是以項目的形式進行封裝的，每個用戶可以創建多個項目，在每個項目下用戶可以對設備、APIKey、應用、觸發器這些資源進行管理（包括增、刪、改、查等操作），用戶可以在一個項目下創建多個設備（產生多個設備ID）、APIKey、應用。觸發器，在每個設備下用戶還可以創建多個數據流。設備云不僅支持這些資源的縱向邏輯關聯，還支持資源之間的橫向聯接，比如設備與APIKey之間的關系，同一個設備可以關聯該項目下的多個APIKey，一個APIKey也可以關聯多個設備，同樣的一個觸發器可以關聯同一個項目中多個設備下的數據流（數據流ID相同），一個數據流也可以關聯多個觸發器等。

2智能硬件接入設備云平臺總體設計方案

21OneNet設備云在應用中的結構層次

設備云作為平臺的平臺，可降低開發成本，提供多元化的API接口，使用完善的開發工具為各個業務平臺提供接入、存儲、傳輸和展現等基礎服務，為物聯網開發商快速打造自己的產品提供了很大幫助[14]。OneNet在實際應用中的結構層次如圖1所示：

OneNet設備云不僅提供穩定、安全、持續的運營服務，而且其架構還可擴展，可以從根本上解決大量的接入難題。

22智能硬件接入OneNet設備云總體設計方案

智能硬件是一個科技概念，它已經從可穿戴設備延伸到智能機器人、智能玩具、智能汽車、智能家居、醫療健康等領域[15]，比較典型的智能硬件包括樂視電視、麥開水杯、三星Gear、咕咚手環、Google Glass等。

硬件實現智能化的關鍵在于如何與設備云進行數據連接，從而將數據轉發給控制端。本設計方案提出的將智能硬件接入設備云平臺從而實現遠程控制的步驟大致可分為三個部分：第一部分是智能硬件終端的數據采集和數據上傳，各類傳感器把所采集到的數據發送給硬件系統的MCU，MCU接收數據之后使用通信協議將其進行打包，進而通過網關上傳到設備云服務器。由于OneNet設備云提供常用的RestFul API接口、Socket接口，以及支持MQTT、Modbus協議等接入協議，所以在終端對數據進行打包上傳時可選擇合適的通信協議。第二部分是智能硬件接入設備云需要注冊個人或企業賬號，憑借賬號登錄云平臺，為自己的項目及設備申請ID號，經過一系列操作之后，設備云平臺會為相應的智能硬件分配一個虛擬設備號ID和APIKEY，當接收來自智能硬件的數據請求時，設備云會根據對應的ID號和APIKEY進行鑒權工作，從而決定是否與其建立TCP連接。第三部分是設備云與控制端的數據通信，同樣在控制端輸入由設備云分配的ID號和APIKEY，通過相應的協議與其建立TCP連接，從而將控制命令發送到云端，最終到達智能硬件系統。總體設計方案框圖如圖2所示：

3智能硬件接入設備云的實現方法

31智能硬件的選擇

智能硬件的種類多種多樣，用戶可以根據實際應用情況靈活選擇，比如Ardiuno、C51、MSP430、ZigBee、ARM、MIPS等，只要能處理相關的通信數據與設備云建立TCP連接，都可以接入云平臺[16]。

32接入設備云流程

在接入OneNet設備云之前，需在平臺網站注冊用戶賬號，只要登錄中國物聯網開放平臺官方網站即可用郵箱賬號注冊。之后用戶可憑借此賬號登錄OneNet設備云平臺首頁進行新建項目、新增設備、新增數據流、查看數據、新增觸發器、添加APIKEY、新建應用等操作，各項操作完成后，云平臺會為每個虛擬設備自動分配唯一的設備ID和APIKEY，憑借此時的設備ID和APIKEY可使智能硬件、遠程移動控制端與OneNet設備云建立TCP連接，創建過程如圖3所示：

33通信方式的選擇

智能硬件設備終端接入OneNet設備云平臺的通信方式是多種多樣的，比如常用的有GPRS、無線WIFI、以太網口[17]。GPRS方式需要GPRS模塊和SIM卡的支持，無線WIFI需要WIFI模塊支持。所謂通信方式可以理解為數據上傳時所通過的網關，若采用以太網口方式，即有線模式，其本質是把個人電腦作為網關，具體做法首先是把智能硬件終端采集的數據通過串口的方式發送給電腦，電腦通過事先編譯好的上位機界面與設備云建立TCP連接，最后把數據上傳到云平臺[18]。若采用WIFI模塊或GPRS模塊，即無線模式，其數據上傳過程便不再經過個人電腦，無線模塊接收智能硬件發送的數據后，直接經過路由器或通信基站與設備云建立TCP連接[19]。總之，對于指定的智能硬件設備傳輸數據，在三種通信方式（GPRS、無線WIFI、以太網口）下，連接平臺的操作過程略有不同。

34通信協議的選擇與數據上傳過程

設備云平臺對于智能硬件的接入不僅提供了多種通信方式，而且對于數據打包上傳還支持多種通信協議。目前常用的有RestFul API和EDP協議，RestFul API基于HTTP協議，適合平臺資源管理、平臺與平臺之間的數據對接、使用短連接上報終端數據、時間序列化數據存儲等場景[20]，EDP協議是基于TCP協議的，該協議只傳輸數據包到達目的地，不保證傳輸的順序與到達的順序相同，若客戶端同時發起兩次請求，服務器返回時，不保障返回報文的順序，EDP數據適合于數據的長連接上報、透傳、轉發、存儲、數據主動下發等場景。endprint

在接入OneNet數據上傳過程中，對于不同的智能硬件的要求可以選擇不同的通信協議，每種通信協議都有自己的特點，可根據項目的實際需求來選取。本研究方案僅給出基于RestFul API協議的數據上傳流程，如圖4所示。圖4是在RestFul API協議下與設備云建立TCP連接、數據打包上傳的程序流程圖。

4組網應用實例

OneNet設備云云平臺支持多種通信協議，EDP上傳數據時，設備下沒有請求日志，而在RestFul API協議下才會出現，所謂請求日志是指：智能硬件與云平臺建立TCP連接后，會向其發送數據上傳請求，此時OneNet云平臺會對所上傳的數據包進行格式和內容的鑒定，當鑒定完成后會在云平臺上給出日志列表，這樣可以點擊日志查看響應內容，若響應內容“errno”為0，“error”為“succ”，則表示數據上傳成功，否則表示數據上傳失敗。以下是基于RestFul API協議的ZigBee模塊上傳數據后的請求日志，如圖5所示：

本研究方案僅給出在RestFul API協議（基于HTTP協議）下的實驗數據，對于智能硬件在OneNet云平臺上的設備描述如圖6所示：

硬件設備與云平臺建立連接后，會把終端數據打包上傳，至此用戶可以在云平臺上的數據展示區查看到所上傳的終端數據，本研究方案給出了使用ZigBee模塊與OneNet云平臺建立連接的上位機管理界面如圖7。

連接后上傳的終端數據圖8所示，“HumanState”代表人體感應狀態，“0”和“1”分別表示有人和無人。“Humidity” 代表濕度，范圍是“0～100”。“LampState”代表燈的亮滅狀態，“0”和“1”分別表示燈亮和燈滅。“Smoke”代表煙霧狀態，“0”和“1”分別表示氣體正常和異常。“Temperature”代表溫度值，范圍是“-30～60”。

5結論

本文重點研究了智能硬件設備接入設備云平臺（OneNet）的方法，實現了終端數據上傳到設備云平臺的三種通信方式設計方案，給出了設備云平臺具體的通信方式、通信協議的選擇方法和數據打包上傳流程，實現了智能硬件的數據在云平臺上的存儲與轉發。對于如何進行遠程移動端的控制僅作了簡單介紹，其實現方法與智能硬件接入設備云類似。

參 考 文 獻：

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（編輯：關毅）endprint