基于Web技术的温度物联网终端研究

2015-04-27李辉杰刘兵丁伟红

物联网技术 2015年4期

关键词：远程监测

李辉杰　刘兵　丁伟红

摘要：针对工业设备检测类终端感知层的接入能力、网络层的泛在能力及终端的网络接入技术等方面开展研究工作。以网络通信作为主题，温度检测为特例，研究、设计并构建物联网的终端设备。所构建的系统具有投入小、运行费用低、使用方便等优点。

关键词：物联网终端；嵌入式Web；精简TCP/IP；远程监测

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）04-00-02

0 引言

伴随着通信需求的不断增加以及信息网络技术的不断进步，物联网（Internet of Things）应运而生。它使得物理世界的实体在嵌入了必要的芯片和软件等“智能终端”之后，具备了一定的感知能力、计算能力和执行能力，成为了“智能终端”。“智能终端”可以通过网络设施实现信息的传输、协同和处理，进而可以实现物与物、物与人之间的通信。工业界预言，在未来10年里，终端的数量将以10亿为单位计数。在即将到来的10年中，将会看到我们与数字世界和物理世界之间的交互方式发生根本性的变化[1]。

本文对物联网的体系架构，物联网感知层、网络层、应用层的功能性介绍，以及分析本系统在物联网架构下系统方案的确定。先对物联网的体系架构进行了论述，又分别从感知层、网络层、应用层介绍物联网的架构。同时针对技术需求，选定了基于IP的网络传输和基于Web服务的应用方案并说明其优点与可行性分析，搭建了嵌入式Web的温度物联网终端系统。

1 物联网技术的架构特征

物联网应该具备三个特征：一是全面感知，即利用射频标签（RFID）、传感器（互感器）、读卡器等任何时间，任何地点都可获取物体的相关信息；二是可靠传递，通过各种独立网络（内网）与互联网的融合，将物体的相关信息实时准确地传输出去；三是智能处理，利用各种智能计算技术，如人工智能、云计算、神经网络等，进行海量数据信息分析与处理，对物体实行智能化地控制[2]。因此，物联网大体被公认为三个层次：底层是感知层，用来感知数据；中间层是网络层，进行数据传输，上层则是应用层，如图1所示。

1.1 感知层

感知层包括传感器等数据采集设备，包括数据接入到网关之前的互感器网络。感知层是物联网发展与应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是感知层涉及的主要技术，其中又包括芯片研发、通信协议研究、RFID材料、智能节点供电等细分技术。

1.2 网络层

网络层将建立在现有的移动通信网和互联网基础上，由各种私有网络、有线和无线通信网、网络管理系统、互联网和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。

网络层中实现以数据为中心的物联网的核心技术是感知数据处理与管理技术，包括传感网络中数据的查询、存储、挖掘、分析、理解和感知数据决策和行为的理论与技术。

1.3 应用层

物联网的应用层是通过对感知数据进行分析处理，来为用户提供特定的服务，可分为监测型（污染监测、物流监测）、查询型（远程抄表、智能检索）、控制型（路灯控制、智能家居、智能交通）、扫描型（高速公路不停车收费、手机钱包）等。应用层是物联网发展的目的，软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。各种行业和家庭应用的开发将会推动物联网的普及，也给整个物联网产业带来利润。

2 基于物联网架构的终端方案设计

依据物联网的三层架构，系统的实现由数据采集感知、采用TCP/IP的网络传输和提供Web服务的应用层三部分组成[2]，如图2所示。其中数据采集属于物联网的感知层，利用传感器采集目标区域各监测节点的物理信息；终端内嵌入了精简的TCP/IP协议栈，保证信息在网络上的正确传输，利用现有互联网的基础平台，提供从监测现场到数据中心的通讯链路，此属于物联网的网络层；基于Web的数据监测中心属于物联网的应用层，通过分析采集到的数据，对现场作出决策[3]。

系统中的终端满足一些条件才能够被纳入其范围：能够基于测量点的信号输入，监测现场环境；可编程并且基于程序作出决策；能够接收和发送数据；具有网络化的特征；统一的结构，支持操作；有较强的数据处理功能，如数字信号采集、存储等。

3 系统的划分和介绍

3.1 感知层：物理信息的数据采集终端

建立监测点的终端，实现对环境温度的实时监测，并将测试后数据作进一步处理。终端具有体积小和低功耗特点，如果在野外环境下工作，还要具有补充电源部分。终端体系结构如图3所示。

终端的采集单元直接使用数字温度传感器将被测物理量转换为数字信号，这样可以省去A/D转换过程，经过微处理器的数据处理后将结果传送给网络。处理单元采用单片机和网络控制芯片，完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元，这部分是终端的核心部分。通信单元中，通过网络接口与外界发送和接收数据，数据的交换是由精简的TCP/IP传输协议保证正确执行。与传统的终端相比，使用嵌入式Web的终端可以对原始数据的加工、处理直接在终端内部进行，并通过Internet和外界进行数据交互，具有可靠、易扩展的优点，可达到终端的智能化、微型化和网络化的目的。传感器的网络接口也实现与Internet或以太网的互连，来进行资源共享和发布信息，其实现的方式是嵌入式Web终端研究的重点。

通信单元实现的关键之处在于TCP/IP通信协议的实现[4，5]。按照协议栈是否移植，TCP/IP通信协议栈的实现方法有两种：第一种是TCP/IP协议栈的移植，针对嵌入式系统，将TCP/IP协议栈移植到开发的系统中，再调用相关的应用程序编程接口（API）函数达到网络通信的目的；第二种是不采用移植方式，参照标准的TCP/IP协议精简相应的协议层，编写相关的API函数完成简易的TCP/IP通信；采用协议芯片，如RTL8019AS芯片，该方法直接采用硬件方式实现TCP/IP协议，直接对芯片的寄存器进行设置，实现数据对网络的传送。本文采用了第二种方法来实现网络协议的精简。

3.2 网络层：基于IP协议架构的数据传输

IP协议架构的一个突出特点在于它的互通性，互通是因为它运行在多种具有完全不同特性的链路层之上，在这些链路层之间提供互通性，也因为IP提供了与现有网络、应用和协议的互通性。在IP协议架构内，互通的第二个特点是当今网络环境中IP的广泛应用[6]。因此，具备IP功能的设备可以和大量的设备、计算机和服务器互通。本系统中的终端有独立的IP地址，同时可实现通过上位机软件配置IP等参数的功能。如图4是定制后的精简TCP/IP协议栈[7，8]。

3.3 应用层：基于Web服务数据监测应用

Web服务是构建分布式应用的系统框架，在基于Web服务技术的终端应用系统开发中，现有的面向Web服务系统、程序开发库和经验知识可直接应用于新兴的物联网终端的应用领域。其好处：首先，对于企业而言，终端应用可直接集成到已有的企业系统，且可基于相同的用户界面。因此，终端应用无需中介就可集成到企业资源规划系统中，从而降低集成系统的复杂性。其次，对于工业而言，不必定制用户界面和转换器，便可利用现成技术构建终端应用，且无需相关专家的参与[9]。

对于终端来说，它们资源的有限性需要降低软件的复杂度。终端不仅能节省能源和带宽，而且限制内存的资源。由于Web服务是终端的一个可行的通信机制，Web服务机制必须能运行在较小的空间中。另外，终端对带宽和能量都有所限制。Web服务的实现复杂度低，Web服务可以满足终端的内存限制，在HTTP连接上高效的运行，使其更简便、更令人信服地应用于资源受限的终端装置。它的互操作和集成优势，结合低资源需求和良好的性能，使它成为终端系统中一个不容忽视的选择[10]。

4 结语

本设计实现对监测现场区域的远程实时监测的可行方案，对更多物理数据的信息化、智能化提供了一种新的思路。所构建的系统具有投入小、运行费用低、使用方便等优点，实验表明使用嵌入式的终端对构建物联网有着普遍的参考意义。

参考文献

[1] 物联网技术.http：//www.iotmag.com/[EB/OL].2010.

[2] 张新程. 物联网关键技术[M]. 北京：人民邮电出版社， 2011.

[3] 吴来杰.基于物联网架构的滨海棉田盐水分远程实时监测系统的研究[D].上海：同济大学，2010.

[4]嵌牛学苑（物联网专区）.http：//school.2embed.com/[EB/OL].2013.

[5] 曹宇，魏丰，胡士毅.用51单片机控制RTL8019AS实现以太网通讯[J].电子技术应用，2003（1）：21-23.

[6] 王亚唯.物联网发展综述[J].科技信息，2010（3）：37-38.

[7] Charles M. Kozierok.The TCP/IP Guide （Volume 1） [M]. 北京：人民邮电出版社，2008.

[8] Charles M. Kozierok.The TCP/IP Guide （Volume 2） [M]. 北京：人民邮电出版社，2008.

[9]姜书汉.智能传感器的主要功能和应用发展 [J].物联网技术，2011（5）：34-35.