物聯網網絡層信息交互系統

趙佩凡 李濤 季云峰

【摘? 要】為了實現物聯網系統硬件層和應用層的穩定的通信，論文基于TCP/IP協議，使用JAVA語言設計了一種用于物聯網系統的網絡層信息交互系統，本系統由TCP服務器、數據庫服務器和應用服務器三部分組成，數據庫服務器中的數據表和命令表作為硬件層和應用層都可以看見的“公告板”，TCP服務器連接硬件層和數據庫服務器，應用服務器連接應用層和數據庫服務器。

【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.

【關鍵詞】物聯網系統; TCP/IP協議; 信息交互

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

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

1 引言

隨著5G時代的到來，物聯網設備的接入量日益增長，一個完整的物聯網系統可以分為硬件層、網絡層和應用層三個部分，其中硬件層包含傳感器、執行器和網關設備等，應用層則是一些與用戶直接交互的軟件如WEB、PC軟件、小程序，網絡層用于處理硬件層和應用層之間的信息交互問題，接下來要介紹的系統作用在網絡層，它實現了硬件層網關設備與應用層之間進行信息交互，并且能夠對相關數據進行持久化。

2 系統框架設計

2.1 整體設計

目前用于物聯網信息交互的協議主要有TCP、UDP協議和MQTT協議，TCP和UDP是傳輸層協議，用它們直接作為網絡層協議使用較為煩瑣，而MQTT協議是物聯網通信協議的標準，它基于消息發布/訂閱范式的消息協議，工作在TCP/IP協議族上，是為性能低下的遠程設備及網絡狀況糟糕的情況下所設計的消息協議。本系統借鑒了MQTT協議的發布訂閱模式，最終使用Java語言并借助MySQL數據庫進行實現。

系統的框架如圖1所示，它主要通過數據庫中的數據表和命令表去同步硬件層和應用層的數據。硬件層和應用層可以通過TCP服務器和應用服務器實現對數據庫的間接訪問，系統通過云端的數據庫實現信息交互。系統體量很小使用起來比較靈活，因為是原生系統框架所以用戶可以根據項目的需求添加功能模塊;它的穩定性很高，可以保證應用層的命令準確下達到測控層;它的包容性很強，可以支持多種應用方式接入;它的擴展性很高，可以支持外部插件接入。

以下將介紹系統主要模塊功能以及模塊之間的關系與數據流向。當硬件層網關發起TCP連接時，TCP服務器會獲取它的socket，并打開一個連接處理線程用來處理本次TCP連接，該線程中包含數據處理和命令處理兩個部分，數據處理部分是對NB-IoT上傳的傳感器數據按照規定的協議進行解析，并通過數據處理線程將數據存入數據庫的數據表中，命令處理部分用來讀取數據庫命令表中是否有未執行的命令，如果有則將命令下達給硬件層網關設備，并在數據庫中將該數據標記為已執行。一次連接處理完成后，TCP服務器將會主動關閉本次連接。接下來，應用程序可以通過應用服務器和數據庫進行交互，應用服務器可以通過DAO層中的類去訪問數據庫中的數據表和命令表，實現獲取NB-IoT上傳的數據和下達應用層指令的功能。

2.2 系統各模塊介紹

TCP服務器，系統使用JAVA語言設計并實現了TCP服務器，即“通過TCP短連接模式實現數據存儲與命令下發的TCP服務器”。服務器使用Java.net.ServerSocket類占用作為TCPServer的端口，當有客戶端發起連接，服務器會獲取其Socket并通過該Socket的兩組“輸入輸出流”實現雙向通信。

應用服務器，經過TCP服務器后，數據已存在于MySQL數據庫中。現在應用程序想要直接獲取這些數據依舊有道門檻，即如何與數據庫建立連接并獲得其中的數據。要越過這道門檻，系統需要一個讓應用和數據庫建立連接的中間部分，系統中在這個部分使用JAVA+HTTP搭建應用服務器，以期實現獲取數據庫數據并開放供外部應用接入的接口。應用服務器使用Spring MVC架構由DAO層、Services層和Servlets層組成，分別負責數據庫交互、服務邏輯處理、應用層交互。

WEB應用，WEB頁面采用BootStrap框架簡化開發流程，使用HTML、JavaScript、CSS、JQuery進行代碼編寫，應用實現設備控制和數據展示這兩個主要功能模塊。當有客戶端訪問WEB頁面后，數據展示模塊會首先被加載，數據展示模塊通過CharJS插件在頁面中畫出圖表，之后通過應用會定時觸發JavaScript中的DrawChart方法實現實時更新折線圖數據。設備控制通過按鍵觸發JQuery插件中的Ajax方法實現。

3 系統實際應用

將本系統作為智慧池塘系統的網絡通信層核心構建一個基于NB-IoT的池塘水質云測控系統，智慧池塘系統框架如圖2所示，該框架分為硬件層、網絡通信層、應用層三個部分，本文的物聯網網絡層信息交互系統作用在網絡通信層，作為硬件層和應用層交互的中間媒介。

如表1所示，是系統硬件層上傳的一些數據，其中每條記錄包含四個字段，它們分別是數據ID、傳感器信息編號、數據值、數據產生時刻，數據ID是每條記錄的唯一標識，它用來唯一確定一條數據，在系統的實現中，使用數據ID來查找最新存入的數據。傳感器信息編號綁定一個傳感器，編號與實際傳感器的對應關系存儲在另外一張表中，通過數字代替原有名稱存儲，能夠節省可觀的存儲空間。數據值字段存儲的是硬件層傳感器上傳的真實數據。

在智慧魚塘系統的監控頁面中，使用ChartJS繪制圖表，并且可以通過ajax實時請求并刷新顯示數據。監控頁面中有水體PH、TDS和溫度三項數據的折線圖，它們的縱坐標是數據值大小，橫坐標表示的是數據產生時間，實際測試結果表明本系統能夠穩定地工作在智慧池塘系統的網絡通信層，并且實現其信息交互和數據持久化的功能。

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【作者簡介】趙佩凡（1999-），男，江蘇淮安人，從事物聯網應用技術研究。