物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備綜合應(yīng)用平臺設(shè)計(jì)

引言

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層 [1]。其中， 感知層涉及各種各樣的傳感器、控制設(shè)備等，應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的各種邏輯。這兩層涉及多個廠商、平臺的銜接，實(shí)現(xiàn)起來非常繁瑣。為解決上述問題，本文擬在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分層基礎(chǔ)上進(jìn)行二次分層設(shè)計(jì)，把物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的過濾功能與處理功能從物聯(lián)網(wǎng)第三層的應(yīng)用層拆分出來，形成一套可在各種設(shè)備與多種平臺上通用的接口與平臺，屏蔽底層技術(shù)差別，便于上層應(yīng)用集中于服務(wù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)與底層的低耦合， 降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)難度，增強(qiáng)應(yīng)用的可復(fù)用性，縮短應(yīng)用層開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，提高應(yīng)用開發(fā)質(zhì)量。

1 平臺總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)概述

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備綜合應(yīng)用平臺技術(shù)上應(yīng)具備三個特征 ：一是全面感知，即利用氣體傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器、人體傳感器、門磁傳感器、心跳傳感器等各種傳感器隨時隨地獲取物體的各方面信息 ；二是可靠傳遞，通過各種 WiFi、UWB、藍(lán)牙、紅外、ZigBee、LoRa、NBIoT 等傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)銜接，將傳感器采集到的信息以合適的能耗與方式傳遞出去 ；三是智能處理，利用各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對采集并傳遞過來的數(shù)據(jù)與信息進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)及處理，為應(yīng)用層提供相應(yīng)接口與信息數(shù)據(jù)，方便應(yīng)用層的開發(fā)與智能控制實(shí)現(xiàn)。

三個層次分工合作，才能充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的功能。本文主要針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備綜合應(yīng)用進(jìn)行平臺設(shè)計(jì)，解決底層感知因節(jié)點(diǎn)變化帶來的應(yīng)用開發(fā)復(fù)用性能降低的問題，做到每個底層采集數(shù)據(jù)精益求精與數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一性，從而使物聯(lián)網(wǎng)具體應(yīng)用更具易分解化、可操作化、智能化。

本文設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備綜合應(yīng)用平臺技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，通過接口與規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化，對感知層各種設(shè)備獲得的不同結(jié)構(gòu)與含義的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集與規(guī)范，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)，供上層應(yīng)用使用，響應(yīng)上層的應(yīng)用服務(wù)調(diào)度， 并將其轉(zhuǎn)化為不同控制器節(jié)點(diǎn)可理解與執(zhí)行的指令。

1.2 總體架構(gòu)圖

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備綜合應(yīng)用平臺包括驅(qū)動接口、數(shù)據(jù)處理接口、通信接口、應(yīng)用服務(wù)接口四個接口設(shè)計(jì)。其中，驅(qū)動接口是控制底層設(shè)備運(yùn)行的接口 ；數(shù)據(jù)處理接口對底層感知設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾整合 ；通信接口是底層設(shè)備與網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞的接口通道 ；應(yīng)用服務(wù)接口則專門負(fù)責(zé)用戶對設(shè)備的控制。將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備綜合應(yīng)用平臺進(jìn)行細(xì)致的端口功能分割，便于開發(fā)及后續(xù)維護(hù)工作，減少開發(fā)風(fēng)險， 提高物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可擴(kuò)展性，總體架構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 平臺總體架構(gòu)圖

1.3 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備綜合應(yīng)用平臺接口

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備綜合應(yīng)用平臺提供四個接口，每個接口負(fù)責(zé)相應(yīng)的功能，彼此間協(xié)調(diào)共進(jìn)、相互合作，達(dá)到對底層信息數(shù)據(jù)的處理與整合，供于頂層應(yīng)用數(shù)據(jù)調(diào)度與指令發(fā)送，降低頂層應(yīng)用因底層傳感器節(jié)點(diǎn)類型與數(shù)量變化帶來的影響。驅(qū)動接口 ：感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，用以識別物體、采集信息，而驅(qū)動接口實(shí)現(xiàn)通過應(yīng)用層將指令進(jìn)行統(tǒng)一格式處理，再轉(zhuǎn)化為不同設(shè)備相應(yīng)的可接收處理的指令信息數(shù)據(jù)， 從而實(shí)現(xiàn)控制底層設(shè)備器件的運(yùn)作，避免不同設(shè)備對頂層應(yīng)用帶來的兼容問題。數(shù)據(jù)處理接口 ：感知層主要承擔(dān)采集數(shù)據(jù)信息的工作，將環(huán)境、物體參數(shù)等信息根據(jù)不同的技術(shù)使用不同協(xié)議，轉(zhuǎn)化為具有不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理接口的主要任務(wù)是將這些異構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾、整合，轉(zhuǎn)換為可供上層應(yīng)用使用的具有統(tǒng)一格式的虛擬信息 [2]。通信接口 ：由于不同設(shè)備的通信協(xié)議可能不同，為解決通信協(xié)議帶來的信息傳輸問題，通信接口實(shí)現(xiàn)將各種設(shè)備通信協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一格式化， 供于頂層應(yīng)用，同時又將應(yīng)用層指令再次進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)設(shè)備可接收的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)信息，利用通信接口解決應(yīng)用層與底層設(shè)備通信協(xié)議不統(tǒng)一的問題，方便指令、數(shù)據(jù)的交互傳遞。應(yīng)用服務(wù)接口 ：物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺需向后臺服務(wù)提供統(tǒng)一的信息數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制，即應(yīng)用服務(wù)接口，應(yīng)用服務(wù)接口主要實(shí)現(xiàn)對不同設(shè)備的節(jié)點(diǎn)與任務(wù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對不同節(jié)點(diǎn)間設(shè)備與任務(wù)進(jìn)度的調(diào)度，增強(qiáng)用戶對設(shè)備任務(wù)的管理能力。

2 接口設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動接口設(shè)計(jì)

一個驅(qū)動程序可對應(yīng)一種設(shè)備，也可對應(yīng)一類設(shè)備，但不同廠家的通信設(shè)備都有不同程度的支持類型（如支持 3 號或 16 號指令），凡支持該協(xié)議的設(shè)備都可通過同一個設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行訪問控制，唯一不同的是設(shè)備地址、數(shù)據(jù)類型、起始地址與數(shù)據(jù)長度等參變量，因此為改變不同設(shè)備通信支持帶來的問題，根據(jù)實(shí)際需要，進(jìn)行相應(yīng)配置即可。驅(qū)動接口設(shè)計(jì)包括驅(qū)動配置信息接口、驅(qū)動信息頭及驅(qū)動控制接口。

2.1.1 驅(qū)動配置信息

鑒于不同設(shè)備參數(shù)信息不同，如果不統(tǒng)一格式進(jìn)行設(shè)計(jì)編輯，將會給后期開發(fā)與升級帶來不必要的麻煩，因此驅(qū)動配置信息接口主要用于定義不同設(shè)備節(jié)點(diǎn)的參數(shù)信息，方便對各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行管理。

2.1.2 驅(qū)動信息頭

通過定義驅(qū)動信息頭，進(jìn)一步將不同設(shè)備進(jìn)行定義，主要設(shè)置特殊的信息配置用于任務(wù)調(diào)度配置，降低設(shè)備類型差異帶來的影響，同時極大地方便驅(qū)動器件設(shè)備運(yùn)作。

2.1.3 驅(qū)動控制接口

通過前面兩步的驅(qū)動信息配置基礎(chǔ)，定義好設(shè)備相關(guān)信息后，還需對驅(qū)動事件進(jìn)行統(tǒng)一定義，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層按照預(yù)定指令控制設(shè)備節(jié)點(diǎn)運(yùn)作。驅(qū)動控制接口是實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)間按照預(yù)定設(shè)置模式工作的必要編程之一。

2.2 數(shù)據(jù)處理接口

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用信息數(shù)據(jù)處理關(guān)系到底層與應(yīng)用層的交互，在底層節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)會產(chǎn)生大量冗余信息，對整個系統(tǒng)非常不利，為此專門設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理接口，用于處理、整合、采集并優(yōu)化信息，提高系統(tǒng)處理效率。數(shù)據(jù)處理接口包括數(shù)據(jù)過濾接口與數(shù)據(jù)匯集接口。

2.2.1 數(shù)據(jù)過濾接口

物聯(lián)網(wǎng)冗余信息包括短時間同一設(shè)備對一個數(shù)據(jù)進(jìn)行的大量重復(fù)上報信息與多臺臨近設(shè)備對相同數(shù)據(jù)上報的信息。除了這兩種情況，很多情況下用戶還可能希望得到某些特定信息。用戶在使用數(shù)據(jù)時，希望盡可能減少冗余，盡量得到精度合適的數(shù)據(jù)，涉及過濾接口的設(shè)計(jì)。去重過濾接口，可消除采集產(chǎn)生的大量冗余數(shù)據(jù)，優(yōu)化采集數(shù)據(jù)質(zhì)量 ；事件過濾接口，主要實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)活動管理與優(yōu)化，降低節(jié)點(diǎn)活動對數(shù)據(jù)采集的干擾 ；節(jié)點(diǎn)過濾接口，由于使用不同通信技術(shù)的節(jié)點(diǎn)會將數(shù)據(jù)讀取成不同的格式，每一種格式數(shù)據(jù)可反映相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息。設(shè)計(jì)其算法為 ：由用戶定義一個標(biāo)簽碼模式， 規(guī)定需要選出的類型，每當(dāng)讀取到一個標(biāo)簽時，將該標(biāo)簽碼與標(biāo)簽碼模式進(jìn)行匹配，若匹配則輸出該標(biāo)簽，否則過濾 [3]。

2.2.2 數(shù)據(jù)匯集接口

傳感層采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾接口處理后不能直接使用， 需將簡單零散的數(shù)據(jù)處理為有價值的信息，若不對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，那么這些單一數(shù)據(jù)不能提供任何信息量，因此必須有相關(guān)的數(shù)據(jù)匯集接口。數(shù)據(jù)匯集接口涉及節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入與離開， 節(jié)點(diǎn)進(jìn)入后判斷是否有權(quán)限進(jìn)入操作數(shù)據(jù)。若是，則進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集處理 ；若否，則直接退出。若節(jié)點(diǎn)離開則退出處理。

2.3 通信接口

物聯(lián)網(wǎng)不同設(shè)備之間的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有可能不同，例如， 其中一些以 WiFi 協(xié)議通信，一些以 ZigBee 協(xié)議通信，因此必須將不同的設(shè)備通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式反饋回應(yīng)用層， 再由應(yīng)用層回饋設(shè)備綜合應(yīng)用平臺轉(zhuǎn)換成各設(shè)備能接受的通信協(xié)議，通信接口則用以解決不同通信協(xié)議間的互動問題， 同時也為信息數(shù)據(jù)傳輸提供必要的基礎(chǔ)。通信接口包括通信方式類接口和通信設(shè)備類接口。

2.3.1 通信方式類接口

通信方式類接口主要記載設(shè)備通信協(xié)議，方便中間件轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與應(yīng)用層互動，應(yīng)用層指令傳送轉(zhuǎn)化成設(shè)備可接收的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，為應(yīng)用層與底層節(jié)點(diǎn)件操控互動提供便利。

2.3.2 通信設(shè)備類接口

通信設(shè)備類接口的主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)間通信的關(guān)鍵定義，進(jìn)一步將節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議方式做細(xì)分化，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)關(guān)的信息聯(lián)絡(luò)。

2.3.3 通信數(shù)據(jù)讀 / 寫內(nèi)存接口

通信數(shù)據(jù)讀內(nèi)存接口與數(shù)據(jù)寫內(nèi)存接口相同，通信數(shù)據(jù)操作接口封裝到通信數(shù)據(jù)讀 / 寫內(nèi)存操作類接口中，通信與相關(guān)應(yīng)用程序只需將相關(guān)信息進(jìn)行存儲，就可用此接口對內(nèi)存進(jìn)行操作保存信息數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化代碼，實(shí)現(xiàn)代碼共用。

2.4 應(yīng)用服務(wù)接口

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用信息人機(jī)交互需要涉及后臺服務(wù)，因涉及設(shè)備種類廣、事件任務(wù)多，為方便管理，必須按照一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，將不同節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)人性化理念，同時也方便后臺對事件任務(wù)調(diào)度管理。應(yīng)用服務(wù)接口包括設(shè)備描述接口與服務(wù)描述接口。

2.4.1 應(yīng)用設(shè)備描述接口

設(shè)備描述與服務(wù)描述直接引用 UPNP 規(guī)范。宣告部分的 Location 設(shè)備描述文件網(wǎng)址，該網(wǎng)址使用 XML 文件格式， 編碼格式統(tǒng)一使用 UTF-8。設(shè)備描述文檔由子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及其子設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。子網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包含基本屬性節(jié)點(diǎn)、服務(wù)列表節(jié)點(diǎn)及子設(shè)備列表節(jié)點(diǎn)。子設(shè)備節(jié)點(diǎn)存放于子設(shè)備列表中， 每個子設(shè)備節(jié)點(diǎn)包含基本屬性節(jié)點(diǎn)與服務(wù)列表節(jié)點(diǎn)，基本屬性節(jié)點(diǎn)與服務(wù)列表節(jié)點(diǎn)在子網(wǎng)關(guān)與子設(shè)備中相同。

2.4.2 應(yīng)用服務(wù)描述接口

設(shè)備服務(wù)描述程序由控制列表及服務(wù)狀態(tài)列表組成，定義該設(shè)備支持的動作命令接口信息、該設(shè)備提供的服務(wù)狀態(tài)變量以及是否可被事件訂閱。

3 應(yīng)用場景

3.1 智能家居

智能家居的設(shè)備綜合應(yīng)用平臺將不同類型的網(wǎng)上家電設(shè)備聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)對各種儀表信息的獲取并發(fā)送相應(yīng)指令 [4]。智能網(wǎng)關(guān)通過互聯(lián)網(wǎng)將儀表信息匯集到內(nèi)部設(shè)備綜合應(yīng)用平臺軟件，設(shè)備綜合應(yīng)用平臺對匯集的各種信息進(jìn)行分析處理， 形成有效數(shù)據(jù)信息，從而支撐智能家居系統(tǒng)。用戶可根據(jù)需要通過終端系統(tǒng)發(fā)送指令到設(shè)備綜合應(yīng)用平臺，將信息處理轉(zhuǎn)送到相應(yīng)的家庭網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到對智能家電的遠(yuǎn)程操作控制。

3.2 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)設(shè)備綜合應(yīng)用平臺數(shù)據(jù)處理接口將感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾整合，得到能夠供用戶層使用的信息數(shù)據(jù)， 經(jīng)通信接口用戶層得到數(shù)據(jù)后發(fā)送用戶控制指令，由于底層設(shè)備的差異，用戶指令并不能直接操控底層設(shè)備，需通過平臺轉(zhuǎn)化成各設(shè)備對應(yīng)的可執(zhí)行的通信指令，再由設(shè)備綜合應(yīng)用平臺層控制設(shè)備。設(shè)備綜合應(yīng)用平臺層將不同通信協(xié)議類型的設(shè)備聯(lián)接起來，實(shí)現(xiàn)對儀表信息的互動與控制，降低底層設(shè)備的差異，提高用戶層的可靠性、可維護(hù)性及可擴(kuò)展性。

3.3 智能交通

智能交通是一個優(yōu)質(zhì)、便民、安全的綠色城市生活環(huán)境， 隨著物聯(lián)網(wǎng)的推廣，智能交通越來越便于市民出行。所有智能交通的實(shí)現(xiàn)都離不開設(shè)備綜合應(yīng)用平臺，智能交通管理道路控制并不是單一的幾個點(diǎn)，而是眾多點(diǎn)，平臺核心就是將底層各節(jié)點(diǎn)設(shè)備相關(guān)聯(lián)與應(yīng)用互動，解決眾多節(jié)點(diǎn)帶來海量數(shù)據(jù)的沖突干擾，實(shí)現(xiàn)一個指揮中心即可監(jiān)控、操控多個道路。經(jīng)設(shè)備綜合應(yīng)用平臺對靜態(tài)交通地理信息、管理信息、動態(tài)交通信息等融合處理后，將信息儲存成綜合交通信息數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容，使所有信息通過數(shù)據(jù)訪問平臺實(shí)現(xiàn)管理， 為應(yīng)用提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理接口 [5]。

3.4 智能倉儲

對于智能倉儲設(shè)備綜合應(yīng)用平臺，服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)是整個倉儲管理的重要環(huán)節(jié)。相對于 RFID 有較多不同的工作頻率， 包括 125 kHz，13.56 MHz，869 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz 等， 不同使用頻率的工作環(huán)境不同，此外還有一些其他通信協(xié)議的設(shè)備。為降低設(shè)備差異性對頂層應(yīng)用帶來的可靠性影響， 設(shè)備綜合應(yīng)用平臺必須具備對不同通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一化處理，將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一通信格式供數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處理，以及將用戶指令轉(zhuǎn)化為各節(jié)點(diǎn)設(shè)備可執(zhí)行指令的能力。因此，智能倉儲管理引用設(shè)備綜合應(yīng)用平臺這一軟技術(shù)，使得上層應(yīng)用無需直接面對底層架構(gòu)，而通過設(shè)備綜合應(yīng)用平臺進(jìn)行調(diào)用，增強(qiáng)應(yīng)用服務(wù)的可復(fù)用性。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備綜合應(yīng)用平臺可以克服傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)存在的各種問題，提高可復(fù)用性，規(guī)范用戶操作接口， 提高開發(fā)效率，具備可期的發(fā)展與應(yīng)用價值。