一个物联网实验平台的设计与制作

刘 岚，王云汉

（广东省技师学院 电气工程系，广东 惠州 516100）

物联网 IOT（Internet of Things）是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

目前，构建物联网平台的技术方案[1-3]比较典型的有两种基本体系结构，一种是基于分布式计算的，各物品独立接入互联网。这要求每个物品都具有完善的网络接入与数据交换功能，在成本、安全性、使用的方便性等很多方面存在不足，特别是在目前实际使用的IPv4协议中的IP地址资源面临枯竭的情况下，只能少量用于某些特别的场合。另一种是基于网关的体系结构。在一个合适的地域范围内，使用一个专用的网关设备接入互联网，而物品则只直接连接到网关，各种信息都通过网关中转。这种方式无疑有很多优越性，大量的设备只需要一个公共点接入互联网，节约IP地址，甚至可以通过NAT等方式接入互联网，无需独立的IP地址，通过公共的访问接口访问、控制各个设备，容易进行完善的安全管理。所以本文探索的是这种基于网关的体系结构。

1 体系结构

本物联网实验平台的体系结构如图1所示。网关是其关键性设备，一方面，网关与互联网相连，实现与终端设备的互联互访；另一方面，网关与被控设备（联入物联网的物品）相连，物品发出与接收的信息都通过网关中转。远程端设备是能接入互联网的手机、PAD、PC等。

图1 物联网实验平台体系结构

2 硬件系统的设计与制作

2.1 网关的设计

网关的硬件有多种，其核心CPU常用的有两种大的类别：基于ARM和基于Intel X86兼容芯片。目前ARM系列的CPU不支持Windows系列的操作系统，所使用的指令系统也不同，开发难度相对较大，功能的拓展等也都不便。本技术方案采用基于Intel X86兼容CPU的工控PC作为网关，外型小巧、功耗低，无风扇设计，可长期稳定运行，支持Windows操作系统，技术成熟，软硬件支持性好，有大量现有的软硬件资源可以利用，所以整个系统的开发比ARM平台更为简单方便。

2.2 控制电路的设计与制作

如果每个“物品”都与网关直接相连、通信，在被控“物品”较多时，网关PC的通信接口势必不够，因此整个控制电路使用了多个单片机系统，使用其中的一个单片机作为中央节点与网关通信，通信方式选用最简单实用的RS-232串口通信。中央节点还实现温湿度的检测、入侵报警信息检测功能。单片机都使用AT89S52，它是一种低功耗、高性能CMOS 8 bit微控制器，具有8 KB在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 bit CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

（1）门的开关控制

单片机通过驱动芯片驱动直流电机的正反转，通过齿轮结构减速，丝杆螺母机构将旋转运动转变为直线驱动，实现门的开关控制。安装两个行程开关，当门运动到极限位置时，行程开关动作，单片机控制电机停止运转。

（2）换气风扇和水阀门的控制

单片机工作电压是5 V，如承受过高的电压，将受到不可恢复的严重损害。风扇的工作电压是交流220 V，必需实现强弱电隔离。选用直流驱动形式的小型电磁式继电器，绝缘介质耐压能达到1 000 V以上，保证人员和设备的安全。

（3）外景灯的控制

本实验平台为了达到美观的效果，设计了一套外观装饰灯，每一个灯都使用一个红绿双色LED，能发出红、绿、黄3种颜色，使用单片机控制，有多种非常美观的组合、动态效果。

（4）入侵检测

使用热释电红外线传感器，检测非法入侵的人员，由单片机对检测到的信号进行处理，通过网关发送到终端设备。

2.3 终端设备

终端设备可以是能接入互联网的手机、PAD或PC等，终端硬件平台类型非常繁多，但目前这些设备一般都安装有Web浏览器软件，运行浏览器，输入一个固定的网址，登录后就能实现与物联网平台的通信、控制。

3 软件系统的设计

3.1 总体结构

软件系统的总体结构如图2所示。其中，网关是一个Web服务器，Web服务器连接实时数据库，制作一实时监控软件用于监控数据库的变化，并将这种变化发送给单片机中央节点，由中央节点单片机作出判断处理，直接作出反应，或控制外围单片机系统操作其他的电子装置。

图2 软件系统结构

3.2 Web服务器

远程端的软硬件条件千差万别，一般都互不兼容。如果采用传统的CS（客户机-服务器）模式，需要为每种软硬件平台开发客户端程序，非常不便。本实验平台采用 BS（浏览器-服务器）模式，使用远程端自带的浏览器，免除了开发客户端程序的负担，而且平台兼容性非常好。

网关接入互联网，同时，在网关上安装Web服务器软件，网关就可以对外提供Web服务，接收远程客户端的访问。

网关接入互联网可以选择多种方式。如果有固定IP，外部只需直接访问该IP地址。如果是动态IP，如ADSL，每次拨号都可能获得不同的IP，则需与动态域名解析配合使用，才能从固定的域名访问到网关。如果是使用NAT等方式接入互联网，需要从外部发起访问，能访问到位于内网的网关，则必须使用端口映射、DMZ主机等技术。

Web服务器软件选用APACHE，添加PHP的支持模块。APACHE是一款广泛使用、稳定、安全、高效的开源服务器软件。PHP是一种HTML内嵌式的语言，是一种在服务器端执行的嵌入HTML文档的脚本语言，语言的风格类似于C语言，安全、高效，被广泛地运用。使用PHP进行安全认证处理，操作数据库，为远程端提供信息，接收远程端发出的操控信息，将远程端的操作写入数据库等。

图3 中央节点单片机系统电路仿真

3.3 监控、服务、通信程序

该程序运行在网关上，使用Borland C++Builder 6.0开发，随网关开机自动运行。一方面，该程序负责监控实时数据库的变化，如有变化，则将这种变化发送到单片机中央节点，再转发到其他的单片机具体执行，实现各种控制功能。另一方面，该程序负责接收单片机中央节点发送给网关的信息，如灯的开关状态、温度、湿度、红外报警信息等，写入数据库，远程端通过访问PHP程序，就能得知这种变化或状态。

3.4 单片机程序的开发

开发工具使用Keil C51，它是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。

开发过程中，还使用Proteus软件进行硬件电路的仿真[4]，Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司出版的EDA工具软件。它能仿真单片机及外围器件，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。在编程时，使用Proteus软件进行仿真运行，可以直接验证运行效果，根据电路原理图[5]、PCB设计图制作电路，大幅度提高了开发效率。中央节点单片机系统电路仿真图如图3所示。

经过长时间地运行和测试，本实验平台已经基本完善，适合于研究探索物联网新技术，适合于学生了解和体验物联网的概念，学习软硬件的开发设计与制作等。本实验平台具有实用、稳定、安全的特点，有良好的应用前景。

[1]黄玉兰.物联网体系结构的探究[J].物联网技术，2011（2）：58-62.

[2]韩腾.物联网体系结构[EB/OL].Http：//wenku.baidu.com/view/6331f4c75fbfc77da269b1da.html，2009.

[3]杜江.PHP5完全攻略[M].北京：电子工业出版社，2010.

[4]周润景.基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[5]高卫东.51单片机原理与实践（C语言版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.