物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

摘要：物聯(lián)網(wǎng)在強(qiáng)化環(huán)境執(zhí)法、污染監(jiān)控、促進(jìn)節(jié)能減排方面發(fā)揮了重要的作用。但是現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)存在著諸多的技術(shù)問題，例如：無法真正長時間監(jiān)控，監(jiān)視和控制的環(huán)境規(guī)模有限，遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的實時性不好、服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲空間不足、不能遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制等，本文以現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究為基礎(chǔ)，對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的概要設(shè)計。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；web服務(wù)器；監(jiān)控；0040

1、本系統(tǒng)的功能

本文以智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)為研究背景，提出了基于Restful Web Service、0040等技術(shù)框架構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，并進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計和概要設(shè)計。主要有以下功能需求：

（1）實時可靠的數(shù)據(jù)傳輸；（2）海量數(shù)據(jù)存儲；（3）靈活多樣的接入方式；（4）輕量級的Web服務(wù)；（5）物流管理；（6）綜合的智慧服務(wù)；（7）具有較好的穩(wěn)定性；（8）系統(tǒng)操作的簡單性：（9）良好的可擴(kuò)展性；（10）跨平臺性；（11）良好的可復(fù)用性和可維護(hù)性

2、概要設(shè)計

通過對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析，可以看出物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實時性、多進(jìn)程間跨平臺通信（包括同步與互斥）、數(shù)據(jù)庫的實時訪問等性能有比較苛刻的需求。通過對REST、ACE、TAO和0040等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)調(diào)查，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求、開發(fā)人員的技術(shù)經(jīng)驗（深入c++技術(shù)），選取了ACE+TAO+0040+REST框架來完成物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)工作。

3、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計遵循如圖1提出的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，即感知層、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入層、海數(shù)據(jù)處理層、智慧服務(wù)層等四層構(gòu)成。

3.1 感知層

感知層主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)對物理世界中大自然的“物”進(jìn)行感知和信息獲取，目前的主要技術(shù)是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID讀寫器來實現(xiàn)的。目前常見的傳感器可以從物理世界獲取溫度、濕度、光照、壓力、脈搏、碳含量等形式的數(shù)據(jù)，而通過將一維標(biāo)簽、二維條形碼等附在“物”上，可實現(xiàn)對“物”的有效跟蹤和管理。

3.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入層

作為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的拓展和延伸，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)元通常是異構(gòu)的、無線的。必須實現(xiàn)各種異構(gòu)無線網(wǎng)元與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，才可以保證物聯(lián)網(wǎng)的廣泛互聯(lián)和泛在接入。常見的物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)元有：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)、車載傳感器網(wǎng)路、Bluetooth自組網(wǎng)、Wi-Fi自組網(wǎng)、機(jī)會網(wǎng)絡(luò)等。

3.3 海數(shù)據(jù)處理層

物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)路接入層收集從感知層感知的物理世界的信息，并交由數(shù)據(jù)處理層成來完成數(shù)據(jù)融合、清洗、重組等工作，最終形成智慧數(shù)據(jù)。由于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點數(shù)目數(shù)以百萬億，因此，如何存儲、處理這些海量數(shù)據(jù)，以便為服務(wù)層的用提供智慧數(shù)據(jù)是還數(shù)據(jù)處理層的核心問題。

3.4 智慧服務(wù)層

物聯(lián)網(wǎng)將為用戶提供更加綜合的智慧服務(wù)，服務(wù)使用的數(shù)據(jù)可能來自不同的數(shù)據(jù)中心、不同的網(wǎng)元、不同的傳感器節(jié)點、不同的物理區(qū)域。物聯(lián)網(wǎng)的智慧服務(wù)層所提供的應(yīng)用是一個綜合了各種典型服務(wù)的跨領(lǐng)域的綜合系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)應(yīng)用的高效融合、還可以為綜合決策提供理論和現(xiàn)實支持。

4、總體框架設(shè)計

基于對擬構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析、功能描述和體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究，提出了如圖2所示的擬構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架設(shè)計。

本系統(tǒng)由以下幾個核心部分構(gòu)成：

4.1 傳感器和執(zhí)行器節(jié)點、3G智能手機(jī)

為了實現(xiàn)對底層物理信息的收集，需要使用感知技術(shù)來完成。本系統(tǒng)使用傳感器和3G智能手機(jī)手機(jī)來收集物理世界的信息，其中傳感器收集溫室內(nèi)的溫度、光照、濕度等參數(shù)，3G智能手機(jī)收集帶有RFID標(biāo)簽、二維條碼、一位條碼的農(nóng)藥、化肥、農(nóng)用工具等的信息。傳感器收集信息后，通過Zigbee協(xié)議，傳送至智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)zigbee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的智能轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)預(yù)處理后送至互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet DataCente～I(xiàn)DC）。而3G智能手機(jī)通過本系統(tǒng)基于攝像頭開發(fā)的快拍方式的Android服務(wù)，將獲得的感知信息通過3G無線網(wǎng)絡(luò)接入至IDC中。通過智能終端，本系統(tǒng)的用戶可以實現(xiàn)泛在接入系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)控周圍環(huán)境的功能。

4.2 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與zigbee協(xié)議的轉(zhuǎn)換，同時在透過網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)感知層采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送至IDC中，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲。同時支持智能手機(jī)以3G方式接入行冗余處理、清洗、重組和融合，形成多模可用數(shù)據(jù)。IDC處理后的數(shù)據(jù)主要供Web服務(wù)器使用來完成綜合Web服務(wù)。通常用戶不直接訪問IDc，管理員角色的用戶可以通過瀏覽器實時管理和配置數(shù)據(jù)庫。

4.4 Web服務(wù)器

本系統(tǒng)中的Web服務(wù)器主要提供兩種服務(wù)，第一種是面向個人Pc機(jī)的Web服務(wù)，另一種是面向資源受限終端的Restful風(fēng)格的輕量級Web服務(wù)。Web服務(wù)器從智能網(wǎng)關(guān)獲得實時數(shù)據(jù)，從IDC中獲得歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并形成分析報告，通過weD：Y式供用戶使用。本系統(tǒng)的Web服務(wù)器允許用戶通過常見的方式接入。

本文以智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)為研究背景，提出了基于Restful Web Service、0040等技術(shù)框架構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，并提出了物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計和概要設(shè)計方案。