面向技術創新的IPv6物聯網數據平臺

文 /龔成瑩 常瑋 何輝 韓瑋 石全民 吳國杰

提供物聯網節點數據的接入、存儲、展示、查詢功能，為IPv6物聯網節點的多用戶管理、控制和監測提供了一個可借鑒的解決方案。

近年來，物聯網相關的創新產品層出不窮，如智能插座、智能手表、智能音響等，同時，物聯網也是大學生進行創新技術設計開發的重要領域。物聯網的高速發展使得接入的設備越來越多，網絡的地址需求呈指數級增長，地址不足已經成為影響其發展的瓶頸之一，將物聯網與IPv6網絡相結合，是解決該問題的重要手段。

在校大學生在進行物聯網技術類的創新作品設計時[1]，經常會遇到測試數據存儲難、查詢不便的問題。針對此問題，設計基于IPv6網絡和HTTP協議的物聯網數據Web平臺，旨在提供物聯網節點數據的接入、存儲、展示、查詢功能，實現了多用戶數據接入，多節點數據并發傳輸，并提出一種利用HTTP Header驗證的物聯網節點接入密鑰機制。平臺的實現為IPv6物聯網節點的多用戶管理、控制和監測提供了一個可借鑒的解決方案。

平臺結構

圖1是一種典型的IPv6物聯網結構，其無線傳感節點采集的數據經由物聯網傳送至網關節點，再通過網關節點接入IPv6網絡，數據最終上傳至數據平臺。其中，網關節點一般是帶有簡單操作的IPv6嵌入式設備[2]。

圖1 典型的IPv6物聯網結構

設計IPv6物聯網數據平臺，主要考慮三方面的因素。

1.傳感數據接入

數據從網關節點經由IPv6網絡上傳至服務器，軟件一般基于TCP或UDP協議開發，考慮到校園網IPv6帶寬足夠滿足需求，為了適配不同類型的網關節點設備（如STM32、Arduino、ESP32、CC2538、樹莓派等主流的嵌入式硬件），平臺在應用層采用HTTP協議，并實現相應的編程接口。

2.平臺功能

如圖2所示，將平臺的用戶分為兩類：傳感節點所屬的設備用戶（普通用戶）和管理員，除了數據接入功能（程序開發接口）之外，應面向傳感節點所屬用戶提供友好的注冊、登錄、節點設備管理、傳感數據曲線繪制、數據管理等功能。

圖2 IPv6物聯網數據平臺功能

3.技術路線選擇

綜合考慮系統的易用性和后期的可維護性等因素后，選擇開源Linux、Apache、PHP、MySQL這一Web服務器組合作為底層架構，通過程序設計實現數據接入、管理等功能。

服務器端核心功能

傳感數據接入服務器端的方法、用戶設備的安全秘鑰機制、數據的展示是平臺的核心功能。

基于HTTP協議的數據接入

由于平臺基于IPv6網絡的特點，嵌入式網關節點與服務器（上位機）應使用網絡通訊方式，并選擇合理、便捷的協議，在服務器端設計程序接口，以接入物聯網傳感數據。

1.網絡通信方式選擇

傳統的嵌入式系統網絡通信多使用Socket通信，Socket是應用層和傳輸層之間的一個抽象層，將TCP/IP復雜的操作抽象為接口函數供應用層調用，其本質是一種編程接口。Socket作為一種特殊的文件，使用“Open→Write/Read→Close”操作過程實現對應的函數接口，具有較高的通信效率，但不易實現標準化的數據接口，對下位機嵌入式系統的程序開發要求較高。

隨著各地IPv6網絡帶寬的不斷擴容，加之物聯網數據具有流量平穩、格式固定的特點，主流的物聯網平臺都選擇了更易于在網關節點上實現標準化數據接口的應用層HTTP協議（或輕量級的HTTP協議）。

2.HTTP協議報文結構

HTTP是一種基于請求（Request）與響應（Response）方式、無狀態的應用層協議。如圖3所示，HTTP協議的報文由報文首部和報文主體組成，報文首部包含服務器或者客戶端需要處理的請求或者響應的內容及其屬性，報文主體為需要發送的數據[3]。

圖3 HTTP請求報文

圖3顯示了使用平臺的物聯網網關節點作為HTTP協議的客戶端向服務器發送的報文結構。其中服務器端的地址為“240e:635:220::5beb”，端口號為“8080”，采用POST方式；在HTTP協議的Header頭部自定義“WSN-Key”字段作為用戶的驗證密鑰；物聯網節點采集的數據使用JSON格式[4]作為報文主體發送至服務器，JSON數據包括節點設備ID和各傳感器的值對，例如，{"id":"12","temp":"23.6","humi":"45"}表示節點設備ID為12，節點上溫度傳感器采集的值為23.6℃、濕度值為45%RH。

3.服務器端接口設計

服務器的程序接口實際上就是其對HTTP請求報文的處理過程，程序流程如圖4所示。服務器在接收到客戶端的請求后，在Header首部行ASCII碼中提取出自定義的密鑰參數，在報文主體ASCII碼中提取出JSON值對；然后根據設備ID查詢Header中的密鑰是否與數據庫中存儲的用戶密鑰匹配，若匹配，則將數據存入相應的數據表中供平臺Web端使用，從而實現物聯網數據的接入。

圖4 服務器端程序流程

關鍵PHP代碼如下：

密鑰機制

前文已經提到在HTTP的首部行中加入了用戶密鑰，其作用是驗證接入平臺的物聯網設備的合法性。如圖5所示，用戶基于密鑰機制使用平臺的步驟包括三方面。

圖5 密鑰使用步驟

1.用戶與節點設備注冊

在平臺Web端注冊賬號，系統自動為其分配專屬密鑰，用戶可查看密鑰、添加維護物聯網節點設備信息。

2.下位機開發

開發物聯網硬件節點，將系統生成的密鑰通過程序固化到嵌入式網關節點中。

3.數據管理

在物聯網數據平臺上觀測節點端通過HTTP協議上傳的原始數據、數據實時曲線，并進行相關的數據管理。

通過“密鑰+設備ID”的機制[5]進行數據接入平臺的驗證，從而保證了節點數據的真實性和節點的可維護性。包含密鑰的HTTP請求與響應的驗證結果如圖6所示，服務器端能夠正確解析POST請求報文，驗證密鑰后，將數據成功寫入數據庫。

圖6 密鑰機制協議分析

實時曲線

為了便于用戶觀測節點所上傳數據的變化趨勢，基于Echart組件和AJAX設計實時曲線功能[6]，基本思路如圖7所示。

圖7 AJAX實時曲線

1.程序GetData.php根據用戶ID和節點設備ID讀取存儲在數據庫中的傳感器數據，并將數據處理成JSON格式。

2.程序Chart.php利用JQuery異步定時調用GetData.php，由其傳送最新的數據。

3.Echart前端圖表的曲線組件解析JSON序列中的值對，將實時曲線顯示在頁面Chart.php上。

節點設備端適配

在物聯網系統中，網關節點負責傳感節點的數據匯聚、向IPv6網絡的數據傳輸、物聯網網絡與TCP/IP網絡的協議轉換，起到了承上啟下的作用。因此，節點設備端的重點是網關節點（圖1）。

擔任網關節點的設備通常是嵌入式硬 件[7]， 如 STM32、Arduino、ESP32、CC2538、樹莓派等，下面以最常見的樹莓派和STM32微控制器為例說明網關節點如何與平臺接口適配。

樹莓派作為網關節點

使用樹莓派（Linux操作系統）作為物聯網網關的優點是可以充分利用Python語言語法簡潔的特點，代碼及說明如下：

STM32作為網關節點

基于ARM內核的STM32系列微控制器由于其優越的性能，已發展為當前最主流的嵌入式硬件。STM32微控制器作為網關節點的核心是支持TCP/IP網絡協議。目前，無論是ST公司官方的CUBE還是ARM的MDK中均已集成輕量級的TCP/IP協議棧LwIP，下例C語言演示了利用LwIP的Socket函數上傳傳感數據的方法。

通過上面的兩段典型程序可以看出，無論是何種嵌入式設備，網關節點適配平臺數據接口的思路均為：構造傳感數據JSON序列格式；構造標準的HTTP POST請求協議格式；發送HTTP POST請求。

該思路可以應用到其它嵌入式硬件網關上。

下一代互聯網IPv6已經成為大學生技術創新開發的重要領域，本文針對校園網上缺乏相關數據存儲和展示平臺的問題，設計并實現了一種基于Web的IPv6物聯網數據平臺；提出了一種基于密鑰機制的設備驗證方案，利用HTTP協議的POST請求設計標準的傳感設備接入程序接口；實現了AJAX數據實時展示、數據維護、多用戶、POST/CURL多種方式數據傳輸等功能。

同時，本文對平臺服務器端的核心功能進行了詳細的設計與實現，以樹莓派和STM32微控制器為例實現網關節點的通用演示代碼。下一步，計劃利用WebSocket技術改進數據接入方式，以實現物聯網數據的高速接入。

目前，平臺已面向蘭州工業學院校園網提供服務，并逐漸成為電子信息工程、網絡工程、物聯網工程等專業的學生的重要創新實踐平臺。