物联网接入技术研究与系统设计

张子木

（北京工业大学 软件学院，北京　100124）

物联网接入技术研究与系统设计

张子木

（北京工业大学 软件学院，北京100124）

以物联网技术为核心，通过对Arduino技术和物联网接入技术的研究，提出了一种物联网接入技术方案，并完成了系统的软硬件设计。该物联网接入系统可以在不更改原有设备的前提下，实时的将无法自主联网的感知设备采集到的信息发送至互联网。与采用FPGA技术的物联网接入系统相比，具有开发周期短，开发成本低，灵活性强等特点，具有实际应用价值。

物联网；Arduino；接入技术；数据传输

物联网是由多种技术融合而成的新型技术体系［1］，它在互联网的基础上，将任何时间、任何地点人与人之间的沟通和连接，扩展到任何时间、任何地点人与物、物与物之间的交互和连接。物联网技术可广泛应用于智能电网、应急管理与公共安全、城市管理、城市智能交通、生态环境、资源监督、医疗卫生、智能家居、精准农业、智能物流与产品溯源等重要领域，以更加精细和动态的方式管理生产和生活，提高资源利用率和生产水平，改善人与自然间的关系［2］。

在物联网技术飞速发展的今天，物联网接入技术在物联网时代扮演着非常重要的角色。但是时至今日，还没有形成的统一的概念、技术标准、体系结构等。物联网的接入方式是多种多样的，物联网接入技术是将多种接入方式整合起来，统一互联到接入网络的关键技术，在不更改原有设备的前提下，实现将无法自主联网的设备与公共网络的连接，同时完成控制、管理、转发和编解码等功能，解决物联网接入控制处理在通用性、灵活性等方面存在的不足。物联网接入系统也因此应运而生，图1为物联网接入应用系统架构图［3］。

为了实现从感知网到互联网的接入。本文在做了需求分析的基础上，提出并设计了一种基于Arduino的物联网接入技术方案。该系统能够实时的将感知设备采集到的信息发送到互联网。

图1　物联网接入应用系统架构图Fig．1　The internet of things system architecture diagram

1　物联网接入需求分析

尽管在不同的应用场景下物联网接入系统的某些功能需求也许会不同，但是整体上，物联网接入系统应当具有以下特征。

具有丰富的数据接口。这里的数据接口包括硬件总线接口和网络接口。物联网主要使用专用测量设备、传感器、RFID技术、多媒体信息采集等技术进行数据采集，采集的数据包括视频、音频、传感器数据、控制信号等，不同的信息采集方式使用的硬件总线接口是多种多样的，甚至同一个传感网内的不同网络实体使用的接口也可能不同。接入系统要接收感知网中设备采集到的数据必然需要多种不同的硬件接口。而网络接口则对应着网络通讯技术，将采集到的信息发送到不同的网络中当然也就需要不同的网络接口。固然可以根据不同的应用场景来配置不同的数据接口，但为了可以拥有广泛的接入性和通用性，物联网接入系统应提供以下几种数据接口。1）SPI（串行外设总线）接口；2）IIC接口；3）USB接口；4）UART（通用异步收发传输器）接口；5）RS485接口；6）RJ45接口；7）GPIO接口。

具有协议转换能力。由于物联网接入系统在物联网的布局中处于感知网络和接入网络之间，因此需要完成感知网络到接入网络之间的协议转换，保证不同的网络协议能够封装成统一的数据和信令。处于不同应用场景的接入系统只需完成感知网络通讯协议到这一特定的通讯协议转换即可。

对感知网中的网络实体进行管理和控制也是必不可少的。当接入系统接收到上层命令时，它可以对命令进行识别，进而根据命令对网络实体进行相应操作，例如远程唤醒、控制、诊断、升级和维护等。这样上层应用便可通过接入系统管理控制感知网中的网络实体。

2　物联网接入技术方案

该物联网接入系统的结构图如图2所示。物联网接入系统由信息采集接口单元、信息接入处理单元、通讯单元3部分组成。

信息采集接口单元包含物联网接入需求分析中提到的硬件总线接口。物联网接入系统通过这些数据接口与感知设备相连接，根据不同接口所约定的通讯协议标准实时接收感知设备所采集的数据信息，并将采集到的信息传输到信息接入处理单元。

信息接入处理单元为所述系统的控制处理核心，与信息采集接口单元和通讯单元相连接，包括采集接口协议模块、嵌入式微处理器模块、数据缓存模块和通讯协议模块。采集接口协议模块包含信息采集接口单元中对应接口的通讯协议，嵌入式微处理器模块完成数据的处理，数据缓存模块实现数据的缓存，通讯协议模块包含通讯单元中对应模块的通讯协议。信息接入处理单元根据接入的数据信息格式的不同，以及应用系统的需要，对接收的数据信息进行数模转换、压缩编码、数据包封装、缓存及处理等不同操作。

通讯单元包括有线通讯单元和无线通讯单元。有线通讯单元的实现方案是以太网接入电路，无线通讯单元由GSM、3G、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等无线通讯手段实现。通讯单元根据不同的通讯机制，将接收到的数据封装对应的无/有线通讯协议格式的数据包，将其发送到传输网络中。

图2　物联网接入系统结构图Fig．2　The internet of things access system structure diagram

2.1硬件系统实现

结合对物联网接入需求的分析，本文选择了Intel Galileo （Gen2）开发板来实现物联网接入系统模型。Galileo是Intel发布的采用X86架构的Arduino开发板。它搭载了quark处理器，主频达到400 MHz，同时具有256M RAM，512K SRAM，8M闪存，可以运行嵌入式操作系统，这使得在Arduino上进行视频传输成为可能。由于Arduino的软硬件系统都具有高度的模块化，而且完全开源，很多电子厂商和元器件制造商按此标准为Arduino制作了专属的扩展板，极大的丰富了数据接口的类型。同时很多爱好者也在致力于为Arduino制作元器件驱动库，进一步方便其使用，极大的减少了开发者的冗余工作量。这使得Arduino能扩展丰富的接口，根据现场应用需求快速设计实现个性化系统，在提高设备效率和通用性的同时，减少系统成本和体积［4-5］。

Galileo拥有多种外部接口，包括RJ-45接口、SPI接口、IIC接口、USB接口、UART接口、PCI-E接口、GPIO接口等，这样只需要为其扩展RS485接口，增加无线通讯模块即可。Wi-Fi模块使用Intel迅驰Wireless-N 135实现，RS485接口使用RS485扩展板实现。设备参考图如图3所示。具体功能模块对应实现方案如表1所示。

2.2系统软件设计

配置摄像头驱动并移植嵌入式 Linux系统［6］。标准Linux内核内容繁复，在某些场合应用时，对于有限的资源会显得十分复杂和浪费，因此应当针对不同的应用需求和目标平台对 Linux内核进行适当的裁剪、配置、编译以得到映像文件，进行系统的移植。Intel官方网站为Galileo提供了Yocto定制版的Linux，以及Linux内核源文件可供使用和裁剪，由于Yocto定制版Linux并未直接配置摄像头驱动，因此需要配置UVC摄像头驱动，重新编译内核源文件。由于移植嵌入式操作系统是本系统所需要做的准备工作，这部分不加过多的赘述。

数据信息处理软件设计。该部分主要涉及数据信息处理相关的程序开发，包括通讯协议模块实现，以及设备驱动、数据包接收与解析、数据处理、数据存储、数据发送等程序设计，实现数据格式转换、通讯协议转换、采集数据的实时传输。以将模拟传感器数据经由Wi-Fi传输到服务器为例，其具体的数据处理发送流程图如图4所示。

图3　设备参考图Fig.3　The Internet of things access system reference chart

表1　功能模块对应实现方案表Tab.1　Implementation scheme of function module

图4　数据处理发送流程图Fig.4　Data processing and transmission flow chart

数据流程分为以下7步：

步骤1：初始化，设置通讯频率、本地地址和服务器地址。

步骤2：检测Wi-Fi模块是否可用，可用进入步骤3；不可用提示Wi-Fi模块不可用。

步骤3：接入系统通过Wi-Fi模块主动尝试连接到目标网络，若连接成功，提示连接成功，输出目标网络状态信息，进入步骤4；若连接失败，一定时间后重复步骤3，并提示正在尝试连接。

步骤4：接入系统请求连入服务器，成功进入步骤5；失败提示无法连接到服务器。

步骤5：判断距离上次发送数据包时间是否大于发送时间间隔，超过时间间隔则读取传感器数据，进入步骤6；小于时间间隔则重复步骤5。

步骤6：将传感器产生的模拟信号经数据处理模块处理，转换为可用的数据，进入步骤7。

步骤7：将数据封装处理后经过通讯模块发送到服务器，服务器端将数据保存，重复步骤5。

3　系统测试

测试环境建立如下，以输出模拟信号的TMP36温度传感器为例作为感知系统，Yeelink云平台为服务器，将感知系统通过硬件接口与物联网接入系统相连接。系统上电后，各模块工作正常，可以通过串口查看到系统响应的变化过程，并在Yeelink平台上查看到感知系统采集的数据记录。图5 为Yeelink平台接收到的经过处理后的TMP36传感器采集的数据曲线。

图5　Yeelink平台上生成的数据曲线Fig．5　The data curve which Yeelink platform generated

4　结束语

该物联网接入系统能够实时的将感知设备采集到的信息发送到互联网，与采用FPGA技术的物联网接入设备相比，可以降低开发成本，缩短开发周期，更具有灵活性。这也验证Arduino技术在物联网接入领域的实用性，达到了设计要求。

［1］刘强，崔莉，陈海明．物联网关键技术与应用［J］．计算机科学，2010，37（6）:1-4，10．

［2］侯义斌，黄樟钦，刘宏珍，等．一种基于FPGA的物联网接入设备［P］．中国专利:CN201120511259．4，2012-12-05

［3］郑树泉，韩元杰，张泉．物联网架构与应用［J］．软件产业与工程，2010（6）:27-30，48．

［4］杨继志，郭敬．Arduino的互动产品平台创新设计［J］．单片机与嵌入式系统应用，2012（4）:39-41．

［5］郭谭娜，焦艳冰．基于AVR单片机的Arduino控制器应用浅析［J］．数字技术与应用，2013（2）:4．

［6］黄睿邦，汤荣江，李文亮．Linux下基于Video4Linux的USB摄像头视频采集实现［J］．现代计算机，2009（6）:182-185．

Study on the access technology for internet of things and its system implementation schemes

ZHANG Zi-mu
（School of Software Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Taking Internet of things（IOT）technology as the core，through the study on Arduino technology and the access technology for IOT，this paper gives the design scheme of access system in IOT．This system can real-time transmission date to the internet which sensing device collected，without altering the original equipment．Compared with the access system in IOT based on FPGA technology，this system more flexible，and it shorten the development cycle，reduce the development cost，has practical value．

IOT；Arduino；access technology；data transmission

TN919

A

1674－6236（2016）02-0157-04

2015-03-03稿件编号：201503039

张子木（1989—），男，山东莘县人，硕士研究生。研究方向：嵌入式软件与物联网。