趙佩凡 李濤 季云峰

【摘? 要】為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件層和應(yīng)用層的穩(wěn)定的通信，論文基于TCP/IP協(xié)議，使用JAVA語言設(shè)計(jì)了一種用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層信息交互系統(tǒng)，本系統(tǒng)由TCP服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器三部分組成，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)表和命令表作為硬件層和應(yīng)用層都可以看見的“公告板”，TCP服務(wù)器連接硬件層和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器連接應(yīng)用層和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

【Abstract】In order to realize the stable communication between the hardware layer and the application layer of the internet of things system， this paper designs a network layer information interaction system based on TCP / IP protocol and Java language. The system is composed of TCP server， database server and application server. The data table and command table in the database server can be seen as hardware layer and application layer. The TCP server connects the hardware layer and the database server， and the application server connects the application layer and the database server.

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng); TCP/IP協(xié)議; 信息交互

【Keywords】internet of things system; TCP / IP protocol; information interaction

【中圖分類號】TP393.08? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）08-0164-02

1 引言

隨著5G時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入量日益增長，一個完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以分為硬件層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個部分，其中硬件層包含傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)關(guān)設(shè)備等，應(yīng)用層則是一些與用戶直接交互的軟件如WEB、PC軟件、小程序，網(wǎng)絡(luò)層用于處理硬件層和應(yīng)用層之間的信息交互問題，接下來要介紹的系統(tǒng)作用在網(wǎng)絡(luò)層，它實(shí)現(xiàn)了硬件層網(wǎng)關(guān)設(shè)備與應(yīng)用層之間進(jìn)行信息交互，并且能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

目前用于物聯(lián)網(wǎng)信息交互的協(xié)議主要有TCP、UDP協(xié)議和MQTT協(xié)議，TCP和UDP是傳輸層協(xié)議，用它們直接作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議使用較為煩瑣，而MQTT協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，它基于消息發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議，工作在TCP/IP協(xié)議族上，是為性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下所設(shè)計(jì)的消息協(xié)議。本系統(tǒng)借鑒了MQTT協(xié)議的發(fā)布訂閱模式，最終使用Java語言并借助MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)的框架如圖1所示，它主要通過數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表和命令表去同步硬件層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)。硬件層和應(yīng)用層可以通過TCP服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的間接訪問，系統(tǒng)通過云端的數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)信息交互。系統(tǒng)體量很小使用起來比較靈活，因?yàn)槭窃到y(tǒng)框架所以用戶可以根據(jù)項(xiàng)目的需求添加功能模塊;它的穩(wěn)定性很高，可以保證應(yīng)用層的命令準(zhǔn)確下達(dá)到測控層;它的包容性很強(qiáng)，可以支持多種應(yīng)用方式接入;它的擴(kuò)展性很高，可以支持外部插件接入。

以下將介紹系統(tǒng)主要模塊功能以及模塊之間的關(guān)系與數(shù)據(jù)流向。當(dāng)硬件層網(wǎng)關(guān)發(fā)起TCP連接時，TCP服務(wù)器會獲取它的socket，并打開一個連接處理線程用來處理本次TCP連接，該線程中包含數(shù)據(jù)處理和命令處理兩個部分，數(shù)據(jù)處理部分是對NB-IoT上傳的傳感器數(shù)據(jù)按照規(guī)定的協(xié)議進(jìn)行解析，并通過數(shù)據(jù)處理線程將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中，命令處理部分用來讀取數(shù)據(jù)庫命令表中是否有未執(zhí)行的命令，如果有則將命令下達(dá)給硬件層網(wǎng)關(guān)設(shè)備，并在數(shù)據(jù)庫中將該數(shù)據(jù)標(biāo)記為已執(zhí)行。一次連接處理完成后，TCP服務(wù)器將會主動關(guān)閉本次連接。接下來，應(yīng)用程序可以通過應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，應(yīng)用服務(wù)器可以通過DAO層中的類去訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表和命令表，實(shí)現(xiàn)獲取NB-IoT上傳的數(shù)據(jù)和下達(dá)應(yīng)用層指令的功能。

2.2 系統(tǒng)各模塊介紹

TCP服務(wù)器，系統(tǒng)使用JAVA語言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了TCP服務(wù)器，即“通過TCP短連接模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與命令下發(fā)的TCP服務(wù)器”。服務(wù)器使用Java.net.ServerSocket類占用作為TCPServer的端口，當(dāng)有客戶端發(fā)起連接，服務(wù)器會獲取其Socket并通過該Socket的兩組“輸入輸出流”實(shí)現(xiàn)雙向通信。

應(yīng)用服務(wù)器，經(jīng)過TCP服務(wù)器后，數(shù)據(jù)已存在于MySQL數(shù)據(jù)庫中。現(xiàn)在應(yīng)用程序想要直接獲取這些數(shù)據(jù)依舊有道門檻，即如何與數(shù)據(jù)庫建立連接并獲得其中的數(shù)據(jù)。要越過這道門檻，系統(tǒng)需要一個讓應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫建立連接的中間部分，系統(tǒng)中在這個部分使用JAVA+HTTP搭建應(yīng)用服務(wù)器，以期實(shí)現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并開放供外部應(yīng)用接入的接口。應(yīng)用服務(wù)器使用Spring MVC架構(gòu)由DAO層、Services層和Servlets層組成，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫交互、服務(wù)邏輯處理、應(yīng)用層交互。

WEB應(yīng)用，WEB頁面采用BootStrap框架簡化開發(fā)流程，使用HTML、JavaScript、CSS、JQuery進(jìn)行代碼編寫，應(yīng)用實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和數(shù)據(jù)展示這兩個主要功能模塊。當(dāng)有客戶端訪問WEB頁面后，數(shù)據(jù)展示模塊會首先被加載，數(shù)據(jù)展示模塊通過CharJS插件在頁面中畫出圖表，之后通過應(yīng)用會定時觸發(fā)JavaScript中的DrawChart方法實(shí)現(xiàn)實(shí)時更新折線圖數(shù)據(jù)。設(shè)備控制通過按鍵觸發(fā)JQuery插件中的Ajax方法實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

將本系統(tǒng)作為智慧池塘系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信層核心構(gòu)建一個基于NB-IoT的池塘水質(zhì)云測控系統(tǒng)，智慧池塘系統(tǒng)框架如圖2所示，該框架分為硬件層、網(wǎng)絡(luò)通信層、應(yīng)用層三個部分，本文的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層信息交互系統(tǒng)作用在網(wǎng)絡(luò)通信層，作為硬件層和應(yīng)用層交互的中間媒介。

如表1所示，是系統(tǒng)硬件層上傳的一些數(shù)據(jù)，其中每條記錄包含四個字段，它們分別是數(shù)據(jù)ID、傳感器信息編號、數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)產(chǎn)生時刻，數(shù)據(jù)ID是每條記錄的唯一標(biāo)識，它用來唯一確定一條數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，使用數(shù)據(jù)ID來查找最新存入的數(shù)據(jù)。傳感器信息編號綁定一個傳感器，編號與實(shí)際傳感器的對應(yīng)關(guān)系存儲在另外一張表中，通過數(shù)字代替原有名稱存儲，能夠節(jié)省可觀的存儲空間。數(shù)據(jù)值字段存儲的是硬件層傳感器上傳的真實(shí)數(shù)據(jù)。

在智慧魚塘系統(tǒng)的監(jiān)控頁面中，使用ChartJS繪制圖表，并且可以通過ajax實(shí)時請求并刷新顯示數(shù)據(jù)。監(jiān)控頁面中有水體PH、TDS和溫度三項(xiàng)數(shù)據(jù)的折線圖，它們的縱坐標(biāo)是數(shù)據(jù)值大小，橫坐標(biāo)表示的是數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間，實(shí)際測試結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作在智慧池塘系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信層，并且實(shí)現(xiàn)其信息交互和數(shù)據(jù)持久化的功能。

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【作者簡介】趙佩凡（1999-），男，江蘇淮安人，從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究。