物聯網環境監控系統的總體設計

摘要：物聯網在強化環境執法、污染監控、促進節能減排方面發揮了重要的作用。但是現有的環境監控系統存在著諸多的技術問題，例如：無法真正長時間監控，監視和控制的環境規模有限，遠程監視和控制的實時性不好、服務器數據存儲空間不足、不能遠程監視和控制等，本文以現有的環境監控系統和物聯網關鍵技術的研究為基礎，對物聯網環境監控系統進行了系統的概要設計。

關鍵詞：物聯網；web服務器；監控；0040

1、本系統的功能

本文以智能環境監控系統為研究背景，提出了基于Restful Web Service、0040等技術框架構建物聯網智能監控系統的設計方案，并進行了物聯網智能監控系統的系統設計和概要設計。主要有以下功能需求：

（1）實時可靠的數據傳輸；（2）海量數據存儲；（3）靈活多樣的接入方式；（4）輕量級的Web服務；（5）物流管理；（6）綜合的智慧服務；（7）具有較好的穩定性；（8）系統操作的簡單性：（9）良好的可擴展性；（10）跨平臺性；（11）良好的可復用性和可維護性

2、概要設計

通過對物聯網環境監控系統的需求分析，可以看出物聯網環境監控系統對數據實時性、多進程間跨平臺通信（包括同步與互斥）、數據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等物聯網相關關鍵技術調查，結合物聯網環境監控系統的實際需求、開發人員的技術經驗（深入c++技術），選取了ACE+TAO+0040+REST框架來完成物聯網環境監控系統的設計與開發工作。

3、體系結構設計

物聯網環境監控系統的總體架構設計遵循如圖1提出的物聯網體系結構，即感知層、異構網絡接入層、海數據處理層、智慧服務層等四層構成。

3.1 感知層

感知層主要負責實現對物理世界中大自然的“物”進行感知和信息獲取，目前的主要技術是基于無線傳感器網絡和RFID讀寫器來實現的。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、碳含量等形式的數據，而通過將一維標簽、二維條形碼等附在“物”上，可實現對“物”的有效跟蹤和管理。

3.2 異構網絡接入層

作為互聯網網絡基礎設施的拓展和延伸，物聯網的網元通常是異構的、無線的。必須實現各種異構無線網元與互聯網的無縫連接，才可以保證物聯網的廣泛互聯和泛在接入。常見的物聯網的網元有：無線傳感器網絡、Ad-hoc網絡、車載傳感器網路、Bluetooth自組網、Wi-Fi自組網、機會網絡等。

3.3 海數據處理層

物聯網的異構網路接入層收集從感知層感知的物理世界的信息，并交由數據處理層成來完成數據融合、清洗、重組等工作，最終形成智慧數據。由于物聯網的節點數目數以百萬億，因此，如何存儲、處理這些海量數據，以便為服務層的用提供智慧數據是還數據處理層的核心問題。

3.4 智慧服務層

物聯網將為用戶提供更加綜合的智慧服務，服務使用的數據可能來自不同的數據中心、不同的網元、不同的傳感器節點、不同的物理區域。物聯網的智慧服務層所提供的應用是一個綜合了各種典型服務的跨領域的綜合系統，不僅可以實現應用的高效融合、還可以為綜合決策提供理論和現實支持。

4、總體框架設計

基于對擬構建的物聯網環境監控系統的需求分析、功能描述和體系結構的設計和研究，提出了如圖2所示的擬構建的物聯網環境監控系統的總體框架設計。

本系統由以下幾個核心部分構成：

4.1 傳感器和執行器節點、3G智能手機

為了實現對底層物理信息的收集，需要使用感知技術來完成。本系統使用傳感器和3G智能手機手機來收集物理世界的信息，其中傳感器收集溫室內的溫度、光照、濕度等參數，3G智能手機收集帶有RFID標簽、二維條碼、一位條碼的農藥、化肥、農用工具等的信息。傳感器收集信息后，通過Zigbee協議，傳送至智能網關，智能網關實現zigbee協議與TCP/IP協議的智能轉換，將數據預處理后送至互聯網數據中心（Internet DataCente～IDC）。而3G智能手機通過本系統基于攝像頭開發的快拍方式的Android服務，將獲得的感知信息通過3G無線網絡接入至IDC中。通過智能終端，本系統的用戶可以實現泛在接入系統，實現實時監控周圍環境的功能。

4.2 智能網關

智能網關在本系統中負責實現TCP/IP協議與zigbee協議的轉換，同時在透過網關，將數據感知層采集來的數據發送至IDC中，實現海量數據的存儲。同時支持智能手機以3G方式接入行冗余處理、清洗、重組和融合，形成多模可用數據。IDC處理后的數據主要供Web服務器使用來完成綜合Web服務。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據庫。

4.4 Web服務器

本系統中的Web服務器主要提供兩種服務，第一種是面向個人Pc機的Web服務，另一種是面向資源受限終端的Restful風格的輕量級Web服務。Web服務器從智能網關獲得實時數據，從IDC中獲得歷史統計數據，并形成分析報告，通過weD：Y式供用戶使用。本系統的Web服務器允許用戶通過常見的方式接入。

本文以智能環境監控系統為研究背景，提出了基于Restful Web Service、0040等技術框架構建物聯網智能監控系統的設計方案，并提出了物聯網智能監控系統的系統設計和概要設計方案。