陳寶遠++褚慶文++孫忠祥++羅中明

摘要：針對移動終端與智能硬件遠程組網(wǎng)中，對智能硬件的結構要求復雜程度高，對服務器程序設計復雜及專用服務器使用費高等問題。運用中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺—OneNet設備云服務器，構建出智能硬件接入OneNet，實現(xiàn)遠程監(jiān)控的組網(wǎng)方案。本方案是把智能硬件終端采集的傳感器數(shù)據(jù)上傳到OneNet云平臺，OneNet平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)和存儲，從而實現(xiàn)由移動控制端—云平臺—智能硬件設備組成的遠程監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)架構。以OneNet作為服務平臺構成的物聯(lián)網(wǎng)應用網(wǎng)絡，能夠明顯降低開發(fā)難度，節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。并且能夠實現(xiàn)移動終端遠程監(jiān)控同時，還可在云平臺實時監(jiān)測智能硬件終端數(shù)據(jù)和狀態(tài)，而實現(xiàn)廣域網(wǎng)WEB數(shù)據(jù)查詢。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能硬件；OneNet設備云；移動終端；遠程監(jiān)控；

DOI：1015938/jjhust201705014

中圖分類號： TP2741

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）05-0076-05

The Solution of IOT Based on OneNet Cloud Server

CHEN Baoyuan，CHU Qingwen，SUN Zhongxiang，LUO Zhongming

（Nationa Experiment and Teaching Demonstration Center for Measurementcontrol Technology

and Instrumentation， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：There are several problems in network connection between mobile terminal and intelligent hardware For examples， the intelligent hardware is too complex on structure， programming a specific software is lowefficiency and set up a specific server is too expensive， etc By connecting the intelligent hardware to the China Mobile IOT Open Platform can solve those problems， also the IOT of wide area can be set up easily The solution describe in this paper is based on cloud server of China Mobile IOT Open Platform（ie OneNet cloud server） and sensor data acquisition module The data collected by sensors can be transmitted to the OneNet cloud server， which can storage and switch the data， so that the IOT of mobile terminalcloud serverintelligent hardware is set up The IOT based on OneNet cloud server can reduce the development difficulty， Lower development costs and shorten the development cycle The mobile terminal can monitor the data and status of the intelligent hardware， also you can check them on the web by access to China Mobile IOT Open Platform

Keywords：IOT； intelligent hardware； OneNet device cloud； mobile terminal； remote monitor

收稿日期： 2016-02-26

基金項目： 黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12531113）

作者簡介：

陳寶遠（1970—），男，副教授，碩士研究生導師，Email；chenbaoyuan@126.com；

褚慶文（1994—），男，碩士研究生；

羅中明（1962—），男，博士，教授，碩士研究生導師

0引言

在萬物互聯(lián)IOT（物聯(lián)網(wǎng)）時代，智能手機這一科技概念提出之后，又提出了智能硬件的概念。智能硬件是在傳統(tǒng)硬件設備的基礎上進行改造之后，通過軟件和硬件相結合的形式，讓它具備智能化的功能[1]。完成智能化之后，硬件系統(tǒng)已經具備了連接網(wǎng)絡的能力，實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)服務的加載，具備了大數(shù)據(jù)等附加價值，形成了“云+端”的典型架構[2]。在物聯(lián)網(wǎng)領域，物體與物體之間的信息交互，物體與客戶端的數(shù)據(jù)傳輸，需要一個通信平臺支撐[3]。這樣，云計算平臺是其必然的選擇。

1OneNet設備云平臺架構

11OneNet設備云平臺的特性

隨著物聯(lián)網(wǎng)大潮的到來，國內外多家運營商相繼推出了自己云平臺，服務于物聯(lián)網(wǎng)應用領域，基于此，本設計提出了智能硬件接入中國物聯(lián)網(wǎng)開放平臺——OneNet設備云的研究方案，此平臺面向所有硬件終端系統(tǒng)開放，是一款免費的平臺[4]。OneNet是中移物聯(lián)有限公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術和產業(yè)特點打造的開放平臺和生態(tài)環(huán)境，適配各種網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務[5]，提供豐富的API和應用模板以及支持各種行業(yè)應用和智能硬件的開發(fā)，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)成本和部署成本[6]，滿足物聯(lián)網(wǎng)領域設備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務要求。OneNet搭建了一個云存儲服務中心，專門用來解決數(shù)據(jù)接入之后的數(shù)據(jù)存儲問題，這個存儲中心具有高并發(fā)、大存儲、擴展性強的優(yōu)點[7]。對于傳感器數(shù)據(jù)的存儲，通常需要多個服務組建共同來完成[8]。因此本研究方案采用OneNet是最佳選擇?；贠neNet的遠程控制端可以是智能移動終端（手機、PAD等），也可以是個人PC機，只要可以與設備云平臺建立網(wǎng)絡聯(lián)接，皆可作為遠程控制端[9]。endprint

12OneNet事件觸發(fā)機制與多層網(wǎng)絡協(xié)同技術

OneNet設備云平臺在設計之初就制定了事件觸發(fā)機制和大量的規(guī)則觸發(fā)應用，在設備接入OneNet之后，可添加觸發(fā)器設置[10]。在縱向協(xié)同方面，保障海量終端和用戶的泛在接入，打破云管端界限，實現(xiàn)各個部件的智能聯(lián)動[11]。在橫向協(xié)同方面，多個網(wǎng)絡間相互協(xié)同，不但保障了網(wǎng)絡的安全邊界，又能讓網(wǎng)絡間信息的流動得到精細化控制和高品質保障[12]?！皡f(xié)同”將使得用戶完全可以忽略網(wǎng)絡中的異構的存在，感知得到統(tǒng)一保障，體驗像一張網(wǎng)絡，這也就是所謂的超融合狀態(tài)[13]。

13OneNet設備云資源管理層次結構

在OneNet設備云平臺下用戶、設備、APIKey、設備應用、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)流的組織結構形式都十分清晰，在每個用戶下數(shù)據(jù)的管理是以項目的形式進行封裝的，每個用戶可以創(chuàng)建多個項目，在每個項目下用戶可以對設備、APIKey、應用、觸發(fā)器這些資源進行管理（包括增、刪、改、查等操作），用戶可以在一個項目下創(chuàng)建多個設備（產生多個設備ID）、APIKey、應用。觸發(fā)器，在每個設備下用戶還可以創(chuàng)建多個數(shù)據(jù)流。設備云不僅支持這些資源的縱向邏輯關聯(lián)，還支持資源之間的橫向聯(lián)接，比如設備與APIKey之間的關系，同一個設備可以關聯(lián)該項目下的多個APIKey，一個APIKey也可以關聯(lián)多個設備，同樣的一個觸發(fā)器可以關聯(lián)同一個項目中多個設備下的數(shù)據(jù)流（數(shù)據(jù)流ID相同），一個數(shù)據(jù)流也可以關聯(lián)多個觸發(fā)器等。

2智能硬件接入設備云平臺總體設計方案

21OneNet設備云在應用中的結構層次

設備云作為平臺的平臺，可降低開發(fā)成本，提供多元化的API接口，使用完善的開發(fā)工具為各個業(yè)務平臺提供接入、存儲、傳輸和展現(xiàn)等基礎服務，為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)商快速打造自己的產品提供了很大幫助[14]。OneNet在實際應用中的結構層次如圖1所示：

OneNet設備云不僅提供穩(wěn)定、安全、持續(xù)的運營服務，而且其架構還可擴展，可以從根本上解決大量的接入難題。

22智能硬件接入OneNet設備云總體設計方案

智能硬件是一個科技概念，它已經從可穿戴設備延伸到智能機器人、智能玩具、智能汽車、智能家居、醫(yī)療健康等領域[15]，比較典型的智能硬件包括樂視電視、麥開水杯、三星Gear、咕咚手環(huán)、Google Glass等。

硬件實現(xiàn)智能化的關鍵在于如何與設備云進行數(shù)據(jù)連接，從而將數(shù)據(jù)轉發(fā)給控制端。本設計方案提出的將智能硬件接入設備云平臺從而實現(xiàn)遠程控制的步驟大致可分為三個部分：第一部分是智能硬件終端的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳，各類傳感器把所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給硬件系統(tǒng)的MCU，MCU接收數(shù)據(jù)之后使用通信協(xié)議將其進行打包，進而通過網(wǎng)關上傳到設備云服務器。由于OneNet設備云提供常用的RestFul API接口、Socket接口，以及支持MQTT、Modbus協(xié)議等接入?yún)f(xié)議，所以在終端對數(shù)據(jù)進行打包上傳時可選擇合適的通信協(xié)議。第二部分是智能硬件接入設備云需要注冊個人或企業(yè)賬號，憑借賬號登錄云平臺，為自己的項目及設備申請ID號，經過一系列操作之后，設備云平臺會為相應的智能硬件分配一個虛擬設備號ID和APIKEY，當接收來自智能硬件的數(shù)據(jù)請求時，設備云會根據(jù)對應的ID號和APIKEY進行鑒權工作，從而決定是否與其建立TCP連接。第三部分是設備云與控制端的數(shù)據(jù)通信，同樣在控制端輸入由設備云分配的ID號和APIKEY，通過相應的協(xié)議與其建立TCP連接，從而將控制命令發(fā)送到云端，最終到達智能硬件系統(tǒng)?？傮w設計方案框圖如圖2所示：

3智能硬件接入設備云的實現(xiàn)方法

31智能硬件的選擇

智能硬件的種類多種多樣，用戶可以根據(jù)實際應用情況靈活選擇，比如Ardiuno、C51、MSP430、ZigBee、ARM、MIPS等，只要能處理相關的通信數(shù)據(jù)與設備云建立TCP連接，都可以接入云平臺[16]。

32接入設備云流程

在接入OneNet設備云之前，需在平臺網(wǎng)站注冊用戶賬號，只要登錄中國物聯(lián)網(wǎng)開放平臺官方網(wǎng)站即可用郵箱賬號注冊。之后用戶可憑借此賬號登錄OneNet設備云平臺首頁進行新建項目、新增設備、新增數(shù)據(jù)流、查看數(shù)據(jù)、新增觸發(fā)器、添加APIKEY、新建應用等操作，各項操作完成后，云平臺會為每個虛擬設備自動分配唯一的設備ID和APIKEY，憑借此時的設備ID和APIKEY可使智能硬件、遠程移動控制端與OneNet設備云建立TCP連接，創(chuàng)建過程如圖3所示：

33通信方式的選擇

智能硬件設備終端接入OneNet設備云平臺的通信方式是多種多樣的，比如常用的有GPRS、無線WIFI、以太網(wǎng)口[17]。GPRS方式需要GPRS模塊和SIM卡的支持，無線WIFI需要WIFI模塊支持。所謂通信方式可以理解為數(shù)據(jù)上傳時所通過的網(wǎng)關，若采用以太網(wǎng)口方式，即有線模式，其本質是把個人電腦作為網(wǎng)關，具體做法首先是把智能硬件終端采集的數(shù)據(jù)通過串口的方式發(fā)送給電腦，電腦通過事先編譯好的上位機界面與設備云建立TCP連接，最后把數(shù)據(jù)上傳到云平臺[18]。若采用WIFI模塊或GPRS模塊，即無線模式，其數(shù)據(jù)上傳過程便不再經過個人電腦，無線模塊接收智能硬件發(fā)送的數(shù)據(jù)后，直接經過路由器或通信基站與設備云建立TCP連接[19]?？傊?，對于指定的智能硬件設備傳輸數(shù)據(jù)，在三種通信方式（GPRS、無線WIFI、以太網(wǎng)口）下，連接平臺的操作過程略有不同。

34通信協(xié)議的選擇與數(shù)據(jù)上傳過程

設備云平臺對于智能硬件的接入不僅提供了多種通信方式，而且對于數(shù)據(jù)打包上傳還支持多種通信協(xié)議。目前常用的有RestFul API和EDP協(xié)議，RestFul API基于HTTP協(xié)議，適合平臺資源管理、平臺與平臺之間的數(shù)據(jù)對接、使用短連接上報終端數(shù)據(jù)、時間序列化數(shù)據(jù)存儲等場景[20]，EDP協(xié)議是基于TCP協(xié)議的，該協(xié)議只傳輸數(shù)據(jù)包到達目的地，不保證傳輸?shù)捻樞蚺c到達的順序相同，若客戶端同時發(fā)起兩次請求，服務器返回時，不保障返回報文的順序，EDP數(shù)據(jù)適合于數(shù)據(jù)的長連接上報、透傳、轉發(fā)、存儲、數(shù)據(jù)主動下發(fā)等場景。endprint

在接入OneNet數(shù)據(jù)上傳過程中，對于不同的智能硬件的要求可以選擇不同的通信協(xié)議，每種通信協(xié)議都有自己的特點，可根據(jù)項目的實際需求來選取。本研究方案僅給出基于RestFul API協(xié)議的數(shù)據(jù)上傳流程，如圖4所示。圖4是在RestFul API協(xié)議下與設備云建立TCP連接、數(shù)據(jù)打包上傳的程序流程圖。

4組網(wǎng)應用實例

OneNet設備云云平臺支持多種通信協(xié)議，EDP上傳數(shù)據(jù)時，設備下沒有請求日志，而在RestFul API協(xié)議下才會出現(xiàn)，所謂請求日志是指：智能硬件與云平臺建立TCP連接后，會向其發(fā)送數(shù)據(jù)上傳請求，此時OneNet云平臺會對所上傳的數(shù)據(jù)包進行格式和內容的鑒定，當鑒定完成后會在云平臺上給出日志列表，這樣可以點擊日志查看響應內容，若響應內容“errno”為0，“error”為“succ”，則表示數(shù)據(jù)上傳成功，否則表示數(shù)據(jù)上傳失敗。以下是基于RestFul API協(xié)議的ZigBee模塊上傳數(shù)據(jù)后的請求日志，如圖5所示：

本研究方案僅給出在RestFul API協(xié)議（基于HTTP協(xié)議）下的實驗數(shù)據(jù)，對于智能硬件在OneNet云平臺上的設備描述如圖6所示：

硬件設備與云平臺建立連接后，會把終端數(shù)據(jù)打包上傳，至此用戶可以在云平臺上的數(shù)據(jù)展示區(qū)查看到所上傳的終端數(shù)據(jù)，本研究方案給出了使用ZigBee模塊與OneNet云平臺建立連接的上位機管理界面如圖7。

連接后上傳的終端數(shù)據(jù)圖8所示，“HumanState”代表人體感應狀態(tài)，“0”和“1”分別表示有人和無人?！癏umidity” 代表濕度，范圍是“0～100”?！癓ampState”代表燈的亮滅狀態(tài)，“0”和“1”分別表示燈亮和燈滅?！癝moke”代表煙霧狀態(tài)，“0”和“1”分別表示氣體正常和異常?！癟emperature”代表溫度值，范圍是“-30～60”。

5結論

本文重點研究了智能硬件設備接入設備云平臺（OneNet）的方法，實現(xiàn)了終端數(shù)據(jù)上傳到設備云平臺的三種通信方式設計方案，給出了設備云平臺具體的通信方式、通信協(xié)議的選擇方法和數(shù)據(jù)打包上傳流程，實現(xiàn)了智能硬件的數(shù)據(jù)在云平臺上的存儲與轉發(fā)。對于如何進行遠程移動端的控制僅作了簡單介紹，其實現(xiàn)方法與智能硬件接入設備云類似。

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（編輯：關毅）endprint