一種物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁文禎++龔蘭芳++蘇晨茜

摘 要：文中提出一種物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，給出了平臺(tái)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，可利用該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)溫度采集和遠(yuǎn)程門禁。溫度采集能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程采集、分析和顯示溫度，結(jié)合百度地圖顯示各區(qū)域的溫度情況，以曲線形式顯示氣溫的走勢(shì)。遠(yuǎn)程門禁能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)門，響應(yīng)速度快。實(shí)際結(jié)果表明，該物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)運(yùn)行效果良好，可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，滿足了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；云服務(wù)平臺(tái)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；溫度采集；門禁

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-00-02

0 引 言

從我國(guó)2009年提出物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)監(jiān)控、城市管理、智能家居、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅速。云計(jì)算是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石，也是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的核心，使物聯(lián)網(wǎng)中以兆計(jì)算的各類物品的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理和智能分析變得可能，也促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的智能融合。云計(jì)算使傳統(tǒng)IT產(chǎn)業(yè)格局在技術(shù)、商業(yè)模式及服務(wù)等方面得到明顯改變[1]。服務(wù)提供商利用云服務(wù)將信息技術(shù)服務(wù)提供給用戶，使得用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)能夠隨時(shí)隨地得到自己想要的資源及服務(wù)，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊。各制造商紛紛對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)與改造，同時(shí)讓其下所有產(chǎn)品組成一個(gè)能為用戶提供完整服務(wù)的有機(jī)組合，而非單一的產(chǎn)品，大力建立自己的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于很多由硬件制造起家的公司來(lái)說(shuō)，部署和運(yùn)維互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用無(wú)疑是一個(gè)噩夢(mèng)，缺乏專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，平臺(tái)運(yùn)維費(fèi)錢費(fèi)心，安全問(wèn)題難以得到保障。因此，建立一個(gè)專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，可以解決這些硬件制造商的困擾，不但讓制造商能夠簡(jiǎn)單地低成本改造原先的產(chǎn)品，還可利用云服務(wù)平臺(tái)提供的定制服務(wù)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，既不用擔(dān)心未來(lái)產(chǎn)品的升級(jí)換代和架構(gòu)升級(jí)，也有利于快速搶占市場(chǎng)份額。

1 系統(tǒng)總體方案

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)由手機(jī)App、云服務(wù)器、終端組成，如圖1所示。終端由控制器、以太網(wǎng)模塊、輸出接口和傳感器接口組成。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)值的過(guò)程如下所示：

（1）用戶在云服務(wù)器建立傳感器的云端服務(wù)；

（2）控制器通過(guò)傳感器接口采集傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)模塊發(fā)送給云服務(wù)器；

（3）云服務(wù)器將消息推送到手機(jī)App，以曲線形式查看傳感器的數(shù)值。

遠(yuǎn)程控制輸出機(jī)構(gòu)的過(guò)程如下所示：

（1）用戶在云服務(wù)器建立屬于輸出機(jī)構(gòu)的云端服務(wù)；

（2）利用手機(jī)App連接云服務(wù)器，發(fā)出改變輸出機(jī)構(gòu)狀態(tài)的指令；

（3）云服務(wù)器將指令推送到終端，控制器改變輸出機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，在傳感器接口連接溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)程測(cè)量、分析和顯示；在輸出機(jī)構(gòu)接口連接繼電器，實(shí)現(xiàn)門禁的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

系統(tǒng)選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器STM32F103RBT。它運(yùn)行速度快，工作頻率可達(dá)72 MHz；內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（128 KB Flash和20 KB SRAM）；2個(gè)可工作在主從模式的SPI串行接口、7通道DMA控制器、51個(gè)通用IO口。豐富的外圍配置與開(kāi)發(fā)資料可大大降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間[2，3]。

2.2 以太網(wǎng)模塊

系統(tǒng)選用WIZnet公司生產(chǎn)的W5500。W5500有8個(gè)獨(dú)立端口Socket同時(shí)通訊，集成了TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP及PPPoE協(xié)議，內(nèi)嵌32KB片上緩存以供以太網(wǎng)包處理，支持10/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物聯(lián)層（PHY）。W5500支持高達(dá)80MHz的SPI接口，更容易與外設(shè)MCU整合，更好地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)通訊。為減少系統(tǒng)能耗，W5500提供了網(wǎng)絡(luò)喚醒模式以及掉電模式供客戶選擇使用[4，5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制器主程序設(shè)計(jì)

控制器主要實(shí)現(xiàn)傳感器采集、輸出機(jī)構(gòu)控制和以太網(wǎng)通信功能，其主程序的流程決定了終端的功能，其運(yùn)行效率決定了終端的整體性能。圖2所示為將溫度采集和遠(yuǎn)程門禁集成在一起的控制器主程序流程圖。首先，控制器對(duì)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行硬件初始化。然后從DHCP服務(wù)器獲取IP地址。終端IP地址無(wú)效分為兩種情況，即終端剛上電與DHCP服務(wù)器分配的IP地址超過(guò)租期時(shí)間。當(dāng)終端IP地址無(wú)效時(shí)，控制器需要利用W5500其中1個(gè)Socket進(jìn)行DHCP協(xié)議通信（UDP協(xié)議通信），才能從DHCP服務(wù)器分配到有效IP地址。最后，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。由于W5500有8個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)通信線程，其中1個(gè)用于DHCP通訊，因此還有7個(gè)可用于上述事例。文中采用2個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)通信線程分別實(shí)現(xiàn)溫度采集和遠(yuǎn)程門禁。

3.2 手機(jī)App的軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)App軟件包括公開(kāi)設(shè)備、關(guān)注設(shè)備、我的設(shè)備及設(shè)置。

（1）公開(kāi)設(shè)備是指各用戶共享自己的設(shè)備和傳感器，其他用戶能夠直接查看其傳感器的數(shù)值。

（2）關(guān)注設(shè)備是將公開(kāi)設(shè)備關(guān)聯(lián)為常用設(shè)備，是一種快速鏈接方式。

（3）我的設(shè)備是指用戶創(chuàng)建的全部設(shè)備和傳感器，包括公開(kāi)和私有兩種。

（4）設(shè)置包括自己的帳號(hào)、密碼、驗(yàn)證碼、是否記住賬號(hào)密碼、自動(dòng)登錄以及App信息。

在Android系統(tǒng)中，公開(kāi)設(shè)備、關(guān)注設(shè)備、我的設(shè)備以及設(shè)置四大功能分為四個(gè)UI界面（Activity）進(jìn)行獨(dú)立管理，常用方案為Fragments。Fragments是為解決不同屏幕分辨率的動(dòng)態(tài)和靈活UI設(shè)計(jì)。每一個(gè)Fragments都有一套自己的生命周期回調(diào)方法和處理用戶輸入事件。

4 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的測(cè)試

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的測(cè)試包括網(wǎng)站、手機(jī)App軟件以及終端設(shè)備。網(wǎng)站首頁(yè)以地圖形式顯示各地區(qū)公開(kāi)設(shè)備的GPS位置、傳感器列表及最后一次數(shù)值，如圖3所示。結(jié)合地圖的滾動(dòng)和移動(dòng)操作，地圖上更新最新的公開(kāi)設(shè)備情況，方便用戶查找自己附近的公開(kāi)設(shè)備。手機(jī)App啟動(dòng)后，在右上角利用圖標(biāo)顯示當(dāng)前與云服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。點(diǎn)擊“公開(kāi)設(shè)備”，顯示圖4所示公開(kāi)的設(shè)備列表。點(diǎn)擊設(shè)備，進(jìn)入圖5所示設(shè)備包含的傳感器列表。點(diǎn)擊傳感器，查看該傳感器的歷史記錄數(shù)據(jù)，并以曲線形式顯示，如圖6和圖7所示。圖6所示為溫度傳感器最近一年的歷史數(shù)據(jù)，其中A點(diǎn)（2016年11月11日）的溫度突然下降約7℃，接著回暖，我們將這種現(xiàn)象稱為“入冬失敗”。圖7所示為門禁最近一年的歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于本物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集、分析和顯示溫度與遠(yuǎn)程開(kāi)門。結(jié)果表明，該平臺(tái)運(yùn)行效果良好，可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)的決策系統(tǒng)與用戶定制服務(wù)等功能提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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