云平台分布式智能感知物联网应用开发

吕海东，葛日波

(大连理工大学 城市学院，辽宁 大连 116600)

云平台分布式智能感知物联网应用开发

吕海东，葛日波

(大连理工大学 城市学院，辽宁 大连 116600)

为克服使用传统嵌入式模式开发物联网应用的复杂性，以实现将千差万别的设备使用标准的方式进行连接和访问，能将各种设备按统一的接口和协议进行访问，并构建分布式物联网架构，最终实现物联网与云平台的融合，通过云平台任何终端均可访问物联网的所有设备;研究使用基于Node.js[1]的Zetta[2]框架将所有设备发布为统一的REST API接口，通过Zetta提供的Link机制并使用协议WebSocket实现与云平台上Zetta服务器的实时数据通讯，保持云平台与物联网设备的同步;实现了全新的物联网应用开发模式和架构，构建了一个高效实时同步、开发快捷、维护简便的分布式物联网应用;使用统一的模型化方法和高效Node.js平台实现快速开发基于云平台的物联网应用，克服了传统开发使用C语言开发物联网的弊病。

云计算；物联网；服务接口；分布式；传感器

0 引言

在国家提出互联网+政策推动下，物联网(Internet of Things-IoT)[3]成为互联网领域发展最迅猛的产业领域，尤其是在大众创业-万众创新的创新项目中绝大部分都是基于IoT的应用。根据IDC公司的分析报告，IoT技术及服务到2020年在全球的开支将达到8.9万亿。

然而由于各种物联网设备千差万别，使用的通讯协议不尽相同，常用的通讯方式有串口、WIFI、3G、4G、并口等，导致物联网应用开发异常复杂，使用的编程语言和技术纷繁多样，导致IoT应用难以实现传统软件所具有的可维护性和可伸缩性。如何能将IoT开发变得简单而高效，并能以标准化统一的模型表达各种不同的IoT设备，屏蔽其内部的区别，将它们以统一API模式与互联网连接，实现分布式IoT应用，并使系统能自动感知联网设备的启动和停止，自动传输设备的监测数据以及传递执行动作，以上特点是简化物联网应用开发的核心。

为解决以上问题，在物联网的设备端和云端使用相同的编程技术是最佳的选择，这其中在IoT平台使用Node.js是最佳的选择。Node.js 是一个基于 Chrome V8 引擎的 JavaScript 运行环境。Node.js 使用了一个事件驱动、非阻塞式 I/O 的模型，其轻量和高效，已经成为开发高并发请求处理的互联网应用的最佳平台。

为简化IoT应用开发，各大软件公司都开始了基于Node.js的IoT项目开发，如三星电子正在进行基于JavaScript和Node.js的IoT.js项目的研究，微软宣布将为Windows10 IoT Core Insider提供Node.js支持。

本文以Node.js服务器平台为基础，结合IoT开源框架Zetta开发了全新模式的云平台分布式物联网应用，通过使用创新的物联网设备抽象模型，将所有的设备包括各种传感器和执行器实现为Node智能对象，实现所有IoT设备标准的JavaScript编程模型，通过实时WebSocket[4]协议能使云平台智能感知设备的在线或断线，实现设备与云平台之间双向高速的数据通讯，解决了传统物联网使用HTTP请求/响应模式实现数据传输时的低速度、大延时的弊病。

1 系统总体架构设计

Zetta是基于Node.js的物联网开发开源框架，其通过Node.js的模块和中间件机制，在物联网平台如树莓派(RaspberryPi)[5]，BeagleBone Black[6]，Intel Edison[7]，Spark Core上运行Node.js和Zetta框架，并创建发布Zetta服务器，将所有连接到物联网平台的各种设备抽象为统一的Node.js Zetta状态机模型对象。

Zetta服务器将连接的每个设备通过Zetta对象发布为一个使用JavaScript编写的基于微服务的REST API[8]，此API发布了每个设备的数据读取方法和动作执行方法。通过这种统一的API模型，极大简化了物联网应用的编程。

同时在云平台主机上部署Zetta服务，与分布IoT平台上的Zetta服务器进行互联，将每个本地的IoT平台上的设备API发布为云端的REST API。如此其他客户端如PC、手机、平板或其他IoT设备可以通过云上发布的API实现对设备的操作和监测，可构建如图1所示的大规模的分布式物联网应用，而且本地的设备的在线和离线状态都可以通过WebSocket实时协议在云平台的Zetta 服务器上实现智能感知，实现对各处IoT设备的控制和监测。

图1 云分布式物联网总体架构示意图

2 物联网设备端设计与实现

设备端负责与各种IoT传感器和执行器相连，实现对监控对象的监测和控制。此层采用常用的物联网主机如树莓派、BeagleBone Black、Intel Edison、Arduino等。这些主机可以采用任何支持Node.js的操作系统，如Linux、Window10 IoT版等，它们使用各种接口与传感器和执行器连接。在这些微主机上安装Node.js和Zetta模块，执行Zetta Server实例，将连接设备使用Zetta机制抽象为设备对象，并发布为REST API接口，通过与云主机Zetta Server连接后，发布为面向Internet的API，供外部应用调用。

2.1 设备的抽象编程

在Zetta中使用Zetta Driver将IoT设备进行抽象模型化，在Driver内部封装其不同的数据访问、通讯协议和操作方法。每个设备再通过Node.js发布为REST API接口。

Zetta已经为近70多种设备编写了Driver，可在Node.js中直接引用，如直接访问连接到Intel麦克风的zetta-microphone-edison-driver，其引用的语句如下。

var mic=require("zetta-microphone-edison-driver");

如果没有现成的驱动，可以使用Zetta提供的设备Device类继承机制实现定制的设备驱动。在Zetta中推荐的设备驱动的命名规范为zetta-{device}-{platform}-driver，其中device为设备名，platform为平台名，如edison表示Inter Edison，bonescrip表示BeagleBone Black，raspberrypi表示树莓派驱动。如下为LED信号灯驱动的示意实现代码。

/* LED驱动 文件名:led.js目录:divers */

var Device = require('zetta-device');

var util = require('util');

var LED = module.exports = function() {

Device.call(this);

};

util.inherits(LED, Device);

LED.prototype.init = function(config) {

config

.state('关').type('led').name('信号灯')

.when('开', { allow: ['关闭', '切换'] })

.when('关', { allow: ['打开', '切换'] })

.map('打开', this.turnOn).map('关闭', this.turnOff)

.map('切换', this.toggle);

};

LED.prototype.turnOn = function(cb) {

var self = this; self.state = '开';

cb(); };

LED.prototype.turnOff = function(cb) {

var self = this; self.state = '关';

cb(); };

LED.prototype.toggle = function(cb) {

if (this.state === '开') {

this.call('关闭'); cb();

} else {

this.call('打开'); cb();

} };

通过继承Device类，并实现init方法，定义设备的state，并定义JavaScript的原型方法prototype实现对设备的操作，可实现任何设备的驱动编程。在Zetta的modules网址新的驱动在不断地更新和增加。

2.2 本地端Zetta Server的编程

在本地IoT主机连接各种设备，并准备设备驱动模块后，需要编写本地Zetta Server。在其中使用设备驱动，将每个设备发布为API。本地Server再与云端的Zetta Server互联，通过云的Server将设备发布到互联网上实现全局访问和调用。下面代码简要示意了一个本地Server的实现。

* 本地Zetta Server实现 */

var zetta = require('zetta');

var LED = require('./devices/led.js');

var ledapp=require("./apps/led.js");

var car=require("zetta-car-mock-driver");

var mic=require("zetta-microphone-edison-driver");

zetta()

.name('CityIOT')

.use(LED)

.use(car)

.use(mic)

.load(ledapp)

.link("http://city-iot.herokuapp.com/")

.listen(9001);

代码中先引入各种设备驱动，再调用zetta实例对象的use方法，将设备作为中间件嵌入到Zetta Server，通过link方法与云端的Zetta服务器相连，将本地API发布为互联网API，内部使用WebSocket协议实现本地设备与云端API数据的实时传输，这样在云中API中可实时监测各种设备的状态和数据，也可以使用API调用对在线的设备发送控制指令和参数。

2.3 本地端IoT应用编程

物联网本地端除了可以引用设备驱动外，还可以根据应用功能需求，使用Node.js的事件驱动、异步、非阻塞的响应式编程模式编写设备间相互协作完成的功能模块，根据监测设备的状态和数据以执行相关的动作，如发送报警信号，切断电路开关和控制阀门流量大小等。如下简要示意代码展示了IoT应用的编程实现。

module.exports=function(server){

var ledquery=server.where({type:"led",name:"LED灯"});

var micquery=server.where(type:"mic",name:"内置麦克"); server.observe([ledquery,micquery],function(led,mic){

led.state.on("开",function(){

mic.speek(100); });

}); };

IoT应用编程使用Node.js的模块机制，通过Zetta Server的where方法定位IoT设备和observe方法智能感知设备是否启动、停止或在线，在JavaScript回调方法中取得在线设备，最后监控设备的状态变化事件，以异步响应式编程模式实现需要的执行的动作和功能。

3 云端服务器实现

通过Zetta实例对象的link方法可以连接多个Zetta服务器，由Zetta自身完成连接时使用的协议、请求握手、防火墙穿越等复杂的工作细节，极大减轻了开发者的编程负担，使开发者集中精力专注于业务功能实现。

将本地Zetta 服务器与云中Zetta的服务器互联，实现本地服务器连接设备的API公布在互联网上，任何连接互联网的应用客户端都可以通过此API访问所有分别各地的IoT设备，实现分布式物联网。

云端Zetta服务器与本地服务器实现基本相同，为连接众多本地的本地Zetta服务器，并集中发布每个联网Device的API，Zetta提供了最简单的方法expose(*)，可以发布每个通过link方法连接的本地Device的API。云端服务器的简化的示意代码如下所示。

var zetta = require('zetta');

var PORT = process.env.PORT || 3000;

zetta()

.name('cloud')

.expose('*')

.listen(PORT);

创建Node.js项目，并将此服务器启动代码保存为server.js，在项目的配置文件package.json中指定依赖的Node.js模块，包括zetta和其他模块。在百度云、阿里云或开源云平台Heroku上申请云主机，推荐使用Linux操作系统，并安装Node.js的最新版。

本文使用Heroku免费云平台作为测试目的，生产环境要使用商业化平台以保证系统的可靠运行和售后服务。使用平台提供的Git工具将Zetta服务器项目部署到Heroku，选择应用类型为node.js即可。

假如部署的应用名称为city-iot，则Zetta 服务的请求地址为https://city-iot.heroku.com.

每个连接的设备都有一个唯一的请求地址，其格式为：

https://city-iot.heroku.com:3000/servers/CityIOT/devices/e6f5b480-e96e-4fdc-8718-91aeb0234c99

其中CityIOT是本地的Server名称，最后的数字编码是Zetta自动生成的设备ID，使用如下的JSON格式请求数据，实现对设备的控制。

{

"method":"POST",

"href":"https://city-iot.heroku.com:3000/servers/CityIOT/devices/e6f5b480-e96e-4fdc-8718-91aeb0234c99",

"fields": [ {

"name": "action",

"value": "开"

} ] }

此控制数据可以使用任何客户端发送HTTP POST请求给联网的IoT设备。

4 物联网客户端设计编程

分布式物联网实现云服务与各个端点的IoT设备连接后，就可以通过互联网，在任何PC、手机或平板上使用Web方式控制所有的连接设备，包括实时接收监测的数据，以及发送对IoT设备的控制指令。

Web客户端可以使用任何AJAX框架如jQuery，AngularJS，Dojo等请求云端设备API实现对IoT设备的访问和控制。如下是演示了使用jQuery的异步AJAX请求方法.post控制LED灯点亮的实现代码。

.post("https://city-iot.heroku.com:3000/servers/CityIOT/devices/e6f5b480-e96e-4fdc-8718-91aeb0234c99",{action:"开"}，function(){

//回调处理代码

})

Zetta设备最引人注目的特点是支持实时WebSocket协议，支持设备数据的高速、实时传输，客户端使用此协议可以实时接收设备的监控数据，不再需要定时的HTTP请求，由IoT设备采用推方式自动发送给客户端。

5 系统的实际应用

使用此云平台分布式IoT应用模式对传统的供热监控系统进行改造，在系统的投资上大大节省。原来使用昂贵的工业控制计算机，现在下位机全部采用微型树莓派。在每个供热锅炉房设置一个Zetta Server端点，将多个供热站的Server与云Zetta进行互联，加大简化了系统的应用开发，使得项目的开发进度成倍提高，系统的可维护性和可伸缩性得到巨大改善，新增换热站时，通过部署一个Zetta Server可立即进行入网监测。

6 结论

将新的服务器平台Node.js和Zetta开源框架应用于基于云的IoT应用开发，简化了IoT应用开发的复杂性，加快了物联网应用的开发效率，提高了应用的可维护性、可升级性和可

扩展性。通过Zetta服务器互联可以实现超大规模的分布式IoT应用，未来可以在智慧城市，智能社区，智能工厂等各行各业中广泛应用，开创互联网+普及时代。

[1] 陆凌生,Node.js权威指南[M].北京：机械工业出版社, 2014.

[2] Zetta online[Z/OL].http://www.zettajs.org.

[3] 薛燕红,物联网技术与应用[M].北京：清华大学出版社, 2012.

[4] 薛珑斌,刘钊远.基于Websocket的远程实时通讯[J].计算机和数字工程,2014(3).

[5] 汪 鑫,彭雨薇.基于树莓派的网络监控系统的研究与实现[J].硅谷,2014(14):25-26.

[6] 孙 溪.800 Mhz TETRA无线政务专用网的物联网数据传输模块的开发[J].中国仪器仪表,2014(7).

[7] 苗 雪.基于Intel/NXP/TI智能家居安防系统网关解决方案[J].智能建筑和城市信息,2015(11)：36-39.

[8] 高嘉译,高强等.面向移动应用的后端服务平台[J].计算机系统应用,2014(2):22-27.

Development of Cloud Platform Distributed Intelligent IoT Application

Lü Haidong，Ge Ribo

(City Institute of Dalian University of Technology, Dalian 116600, China)

To overcome the complexity of traditional pattern of development of embedded networking applications, in order to achieve connectivity and access between vastly different device by a standard way, a variety of equipment is accessed by a unified interface and protocol, and build distributed Things architecture, and ultimately the integration of Things and cloud platforms, all devices can access the Internet of Things through any terminal cloud platform. Study of Zetta framework based Node.js how to publish all devices into a unified REST API interfaces, Link mechanism provided by Zetta and use WebSocket protocol to achieve real-time data communication Zetta server cloud platform, cloud platforms to keep pace with networking equipment.A new application development model and infrastructure has been implemented and an efficient real-time synchronization, develop quick, easy maintenance of distributed networking applications was built. Using the unified modeling methods and efficient Node.js platform cloud-based platform for rapid development of networking applications, and overcame disadvantage of the traditional developed using C language development.

cloud computing; IoT; REST API; distribution; sensor

2015-12-29；

2016-01-28。

吕海东(1964-)，男，内蒙古兴安盟人，副教授，主要从事物联网、云计算、应用架构方向的研究。

葛日波(1968-)，男，山东高密人，教授，主要从事物联网、工业控制、云计算方向的研究。

1671-4598(2016)07-0212-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.057

TP399 文献标识码：B