物聯(lián)網(wǎng)通用控制平臺系統(tǒng)

吳雪琴

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，人們對智能化要求也越來越高。為了提高處于不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的智能化水平從而方便快捷地實現(xiàn)物物相連，設(shè)計了一個物聯(lián)網(wǎng)通用控制平臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)以云平臺為基礎(chǔ)，以智能通信協(xié)議為核心，采用底層感知、核心通信和應(yīng)用業(yè)務(wù)三層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);控制平臺;底層感知;核心通信;web服務(wù)器

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）06-0250-02

當今，物聯(lián)網(wǎng)在實際生活的各行各業(yè)都有著廣泛應(yīng)用，但由于物聯(lián)網(wǎng)需要連接各種各樣的處于不同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，從而嚴重制約了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，因此設(shè)計一個物聯(lián)網(wǎng)的通用控制平臺系統(tǒng)尤為重要。在本文中設(shè)計實現(xiàn)了一個這樣的物聯(lián)網(wǎng)通用控制平臺系統(tǒng)，從而方便操作實現(xiàn)物物相連。

1系統(tǒng)簡介

計算機技術(shù)、通訊技術(shù)的飛速發(fā)展促進了全球信息的交流和共享，人們的生活也發(fā)生了翻天覆地的變化，信息化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)滲入到人們生活和工作的方方面面中。其中，將嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)遠程信息的獲取與設(shè)備的控制成為當前研究與應(yīng)用的熱點。

在實際的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中，需要連接各種各樣的設(shè)備，這比計算機傳統(tǒng)的外設(shè)要復(fù)雜得多，而且這些設(shè)備處于不同的網(wǎng)絡(luò)之中，因此設(shè)計一個物聯(lián)網(wǎng)的通用控制平臺就非常重要了。本次設(shè)計主要是以智能家居為例設(shè)計實現(xiàn)了一個這樣的物聯(lián)網(wǎng)通用平臺。該平臺由三個部分組成：云平臺、智能設(shè)備通信核心、用戶端APP組成。

2系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)說明

該系統(tǒng)是一個物聯(lián)網(wǎng)通用平臺，由于必須考慮到系統(tǒng)兼容性問題，因此在系統(tǒng)中選用多種靈活多變的協(xié)議，從而使得該系統(tǒng)能符合物聯(lián)網(wǎng)通用平臺的要求。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次

本系統(tǒng)分為三個部分，即作為云平臺的底層感知層、智能設(shè)備通信核心層和用戶端APP的應(yīng)用業(yè)務(wù)層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。通過該系統(tǒng)可以擴展到對任何電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器的控制。系統(tǒng)提供有MCU的SDK，用戶只需下載SDK，修改設(shè)備ID和密鑰就可使用定制智能設(shè)備通信核心和用戶端APP訪問。

本系統(tǒng)同時將三個部分抽離開，云平臺可用多種協(xié)議接人，用戶也可以自己定制協(xié)議實施。該平臺能夠讓用戶快速地使用該系統(tǒng)，從而應(yīng)用到實際生產(chǎn)環(huán)境中。使用MCU提供的SDK，更加方便用戶的使用。該平臺除了使用WIFI作為通信模塊以外，還提供了GPRS的通信方式，使得系統(tǒng)不僅僅只是利用路由器進行局部通信，更能將系統(tǒng)擴展到全球通信的范圍。

2.2.1應(yīng)用業(yè)務(wù)層

該層決定了系統(tǒng)用于什么領(lǐng)域以及所要實現(xiàn)的功能，它根據(jù)開發(fā)人員的實際需求，從而開發(fā)出相應(yīng)的程序。由于系統(tǒng)采用多種協(xié)議的方式，因此系統(tǒng)具有很大的延展性和可擴展性，在這一個層次中，可以使用多種編程語言進行開發(fā)。

2.2.2核心通信層

這一個層次是系統(tǒng)中唯一不變的層次，在這個層次中包含多種協(xié)議的服務(wù)器以及多個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序，從而為整個系統(tǒng)構(gòu)建框架。在該層次主要使用了隧道服務(wù)器、反向代理服務(wù)器、SN分配服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、MQTT、Coap、REST HTTP服務(wù)器等實現(xiàn)功能。

2.2.3底層感知層

這是系統(tǒng)最終被控制或者采集數(shù)據(jù)的層次，包括各種傳感器和執(zhí)行器，根據(jù)應(yīng)用層的需求來決定使用什么樣的傳感器和執(zhí)行器。

3系統(tǒng)設(shè)計

將系統(tǒng)分為三個層次來進行設(shè)計，通信核心層不變，應(yīng)用業(yè)務(wù)層和底層根據(jù)實際的項目需求來進行更替和裁剪，下面內(nèi)容主要是核心通信層的實現(xiàn)方式。

3.1核心通信層結(jié)構(gòu)

作為系統(tǒng)的核心，核心通信層為整個系統(tǒng)提供骨架，同時也是中間橋梁，它既能為上層的應(yīng)用業(yè)務(wù)層提供設(shè)備的控制和采集接口，同時也能為底層感知層提供平臺支持。

核心通信層包含多種協(xié)議，比如：隧道轉(zhuǎn)發(fā)、MQTT、TCP、REST HTYP、Coap等。不同的場合采用不同的協(xié)議實現(xiàn)，即根據(jù)需要來選用不同的協(xié)議，這些協(xié)議分別對應(yīng)不同端口服務(wù)器，用不同的協(xié)議接人不同的服務(wù)器即可。

該系統(tǒng)中的每一個服務(wù)器對應(yīng)有不同的算法和協(xié)議，為了統(tǒng)一規(guī)劃和接入方便，本系統(tǒng)提供接入設(shè)備的c語言SDK，后期會增加其他語言的SDK。每一個協(xié)議的接入方式大致一樣，接入方式如下圖2所示：

在本系統(tǒng)中，通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)實現(xiàn)訪問嵌入式web服務(wù)器，并通過分配一個端口號用以監(jiān)聽端口，此端口可以用于公網(wǎng)服務(wù)器來監(jiān)聽服務(wù)器請求。在實際應(yīng)用中，有時系統(tǒng)中不僅僅有一個web服務(wù)器，因為不同的傳感器和執(zhí)行器可以由不同的web服務(wù)器進行控制，此時可以通過SN分配不同的SN號進行對應(yīng)。從而當web服務(wù)器進行端口轉(zhuǎn)發(fā)時，服務(wù)器通過分配一個端口號來監(jiān)聽web端口請求來實現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，整個流程如下圖3所示。

3.2系統(tǒng)平臺使用

物聯(lián)網(wǎng)通用控制平臺系統(tǒng)的使用主要在應(yīng)用層實現(xiàn)。首先，用戶可以通過控制平臺系統(tǒng)登錄到該平臺并注冊對應(yīng)的用戶，然后添加需要連接到系統(tǒng)的各種設(shè)備，不管是傳感器還是執(zhí)行器，并生成這些設(shè)備的ID和key;然后將SDK添加到設(shè)備工程中，修改為自己設(shè)備的ID和key以及密碼，最后通過登錄手機APP輸入對應(yīng)設(shè)備的ID號和密碼后就可以通過此平臺控制各種設(shè)備，該平臺的使用步驟如下圖4所示。

4結(jié)束語

本系統(tǒng)擴展性強，可移植性高，可以移植在眾多的MCU上，同時該平臺可以使用不同的傳感器運用在不同領(lǐng)域。相比其他物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)云平臺，本云平臺添加端口轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以將服務(wù)器搭載到設(shè)備上，然后通過外網(wǎng)進行訪問。該平臺可以為中小企業(yè)提供定制方案，具有很廣闊的市場應(yīng)用前景。