物聯網通信服務平臺保障系統的設計與實現研究

摘要：近些年來，我國的物聯網發展與世界范圍內的其他國家逐漸達到了相同的水平，技術研發事業的不斷突破以及標準體系的建立與完善，進一步推動了物聯網在我國的發展與應用。目前應用最為廣泛的就是物聯網M2M，對于確保物聯網終端應用的正常運行來說，具有重要意義。為此，本文將基于物聯網平臺發展現狀，建立一套完善的物聯網通信服務平臺保障系統，可以有效地對終端進行告警管理，幫助用戶在應用終端過程中更加精準地掌握通信狀態，為廠家提供更加高效的終端運維，降低系統掉線率，全面提升終端通信服務保障能力。

關鍵詞：物聯網；通信服務平臺；保障系統；設計與實現

一、引言

現階段，在科技水平迅猛發展的背景下，信息化時代為我們帶來了更多的技術與可能。在以下內容中，設計開發了基于物聯網的通信服務平臺保障系統，該系統最大的創新性就是完成了建立一套完整的、具有一定開放性框架的物聯網通信服務保障系統，并能夠合理地應用，提出了基于通信協議模板的一種協議轉換方式，并且可再擴展，且具有一定的可配置性。最后，該系統驗證實現了基于互聯網的一些典型應用場景以及電信運營商的不同應用需求，該物聯網的網絡關系具有十分穩定的新功能、較強的擴展性、較強的通用性并且十分有利于開發與維護。

二、物聯網平臺發展現狀分析

物聯網技術與物聯網平臺是共同發展與完善的，物聯網平臺在整體系統當中屬于關鍵組成部分，主要是結合用戶需求挑選正確的通信協議與網絡技術，在平臺上連接硬件設備，完成硬件和軟件之間的對接。其發展的本質意義就是借助于不同通信協議和底層設備，傳輸與處理數據，并結合收集到的各種數據完成全方位的可視化分析、聚合應用服務等，除此之外，也能夠為硬件設備與物聯網用戶提供更加安全的身份認證。現如今我國主要包括三大運營商，分別為電信、聯通、移動和一些互聯網行業當中的龍頭企業，他們一同促進物聯網平臺的高效化建設。各自陸續推出了能夠應用在不同場景當中的物聯網平臺，比如電信、華為和天翼聯合打造的一種能夠實現多場景應用的窄帶物聯網等。同時，也十分注重采取有效方案解決平臺應用過程中的核心問題，該方案即終端-平臺-應用，降低平臺的接入門檻，提高平臺接入效率，幫助用戶完成更加快速且穩定的平臺對接。中國聯通同時也在相關會議當中表示，在平臺能力建設方面，聯通已經掌握了更強的服務能力，并且致力于為用戶打造一個接入便利、統一管理、成本可控、服務高效的全新服務模式。阿里云物聯網的開發則為開發人員搭建了一個具有更加強大的功能且更具有安全保障的全新數據通道，通過全球范圍內的多節點共同部署，能夠促使海量設備全部實現低延時、高安全性的接入，更有利于終端到云端的高效雙向通信。騰訊設計的QQ物聯以主要用戶群體為基礎，完成了設備、用戶和服務之間的聯動，目前已經在智能車載、家居以及各類可穿戴設備當中得到了廣泛運用。從國外角度來看，主流物聯網系統包括亞馬遜設計的AWS IoT平臺，能夠為用戶們提供信息采集、信息計算、信息分析、持久化以及部署等全方位的服務，提供一個可供數十億設備共同接入與轉發消息的平臺，但是該平臺目前僅支持單體的設備接入，而不支持系統設備的整體接入，并且在應用過程中具有較高成本。除此之外，還包括Google Cloud物聯網平臺、IBM Waston物聯網平臺、Oracle物聯網平臺等，本文不多論述。

從國內外的物聯網發展現狀來看，不難發現一體化的服務模式正在逐步建立與完善，同時相關企業數量也在與日激增，越來越多的物聯網平臺，為用戶們提供了更加多樣化的選擇，但是在企業當中，物聯網平臺依舊為絕大部分采取交互式、開放式的設計方式，因此在后期維護與升級過程中往往存在較大問題，并且離不開固定的設備廠商，主流平臺大部分是以熱門領域為基礎開發的，因此在平臺設計與應用過程中依舊存在一定的局限性，需要我們進一步分析與研究，要求促進其更好地完善。

三、系統總體架構

該系統的設計以WMMP協議為基礎，設計一個物聯網應用系統整體體系架構，在這一體系架構當中，主要選擇了3層結構系統層次模型，提高物聯網應用效果，層次模型由上至下包括感知層、傳輸層、應用層。如圖1所示。

（一）感知層

這一層的主要作用就是解決獲取物理環境下的數據信息問題。結合感知數據的具體來源，能夠將其進一步細化為數據采集設備和無線傳感器網絡這兩部分。首先，第一部分當中的數據采集設備主要包括不同類型的功能傳感器、RFID射頻標簽以及網絡攝像頭等等；第二部分當中的無線傳感器網絡主要是由多個在特定范圍內分布的傳感器節點構成，并且這些節點更多的用途為數據采集，形成一個高效的Ad hoc網絡環境。通過這些不同類型傳感器設備的同步運行與工作，對工作地點的環境狀況與監控物理等關鍵信息進行采集。從狹義上來看，感知層就是首先借助于不同類型的傳感器設備、用于對視頻圖像進行采集的攝像頭等關鍵設備，獲取環境當中存在的各類數據信息，而后再利用無線傳感器當中的ZigBee、WiFi、RFID射頻標簽、HomeRF、藍牙等距離較短的無線通信技術，進行更加高效化的數據傳輸。

（二）傳輸層

傳輸層主要應用于對底層感知層當中獲取到的豐富感知數據信息進行處理，并實現高效化的遠程傳輸，解決其中存在的各種通信問題。傳輸層是以移動通信網絡與互聯網為基礎構建起的針對感知數據進行遠程傳輸的一個關鍵層次，其中綜合利用了國際互聯網、WiFi、移動通信網絡、GSM/3G、以及有線寬帶等常見的通信技術手段，能夠完成感知網絡和通信網絡之間的無縫銜接。由此可見，傳輸層在該系統當中屬于實現遠程數據通信的重要基礎，其中的關鍵技術主要可分為遠程有線數據通信技術與遠程無線數據通信技術兩種。

（三）應用層

應用層的設計主要就是為了有效解決來自感知層當中的數據問題，對其進行高效的分析處理以及提供優化服務。應用層主要就是為了接收與處理在傳輸層當中產生與傳送得到了豐富數據信息，在應用層當中，集成了以數據處理為工作出發點的不同類型信息處理系統，同時借助于多種智能化設備，為不同類型的用戶提供具有更加豐富功能的應用服務。應用層當中的多功能軟件以及智能化控制技術，將為政府部門、家庭個人以及企事業單位提供更加豐富的物聯網平臺應用。

四、系統硬件設計

充分結合嵌入式技術和自動化控制技術，采用嵌入式Intel Atom雙核N2600為主要處理器，研究設計一個性能較高、成本較低的先進物聯網網絡關口，其中核心為Intel Atom雙核N2600這種處理器，同時附帶相關的外圍通信網絡模塊，從而構成一個完善的系統硬件平臺。這一物聯網網絡關口的硬件架構當中的可以包括多種多樣的功能模塊，共同組成了整體系統架構。具體的功能模塊可分為以下幾個：嵌入式的微處理器功能模塊、USART接口功能模塊、無線收發功能模塊、USB接口功能模塊、網絡接口功能模塊。這些功能模塊的特征就是運用當前的移動通信網絡，選擇內嵌式協議芯片，即中國移動研發的WMMP協議芯片。通過這種硬件系統的應用，能夠更好地滿足建設物聯網網絡關口過程中的高性能、完善功能、低功耗、低成本等關鍵性需求，這一網絡關口對于促進社會信息化與社會網絡化的整體性進程發展以及我國國民經濟的快速增長都具有十分關鍵的助力作用。

五、系統軟件設計

（一）物聯網接入服務器功能性設計

功能性設計就是以基本框架為基礎促進物聯網數據接入服務的更好實現，有效處理物聯網當中的各種數據，功能型設計通常可以劃分為設計傳輸協議格式、設計設備認證管理、設計數據包編碼和解碼、設計數據上下行處理以及設計定時任務管理等。物聯網接入服務器數據流圖如圖2所示。服務器和物聯網設備在運行期間的傳輸載體主要為TCP/IP協議，借助于自定義的協議報完成高效的信息交互，建立連接channel之后，每一個channel都能夠解碼數據報，完成高效化的數據處理，主要包括數據處理的持久化、數據異常返回、垃圾數據屏蔽、數據編碼出站等，定時任務針對服務器當中的不活躍會話進行定期清理，確保能夠始終維持服務器穩定性。①自定義的數據傳輸格式。在以TCP/IP協議為基礎的傳輸格式當中，主要目的就是為滿足服務器當中的安全性與通信等需求，服務器和物聯網設備必須基于TCP/IP協議完成通信，同時也能夠過濾到許多非必要類型的數據包，節省大量的服務器資源。②數據包解碼和編碼。數據包是以自定義的數據傳輸格式為基礎完成解碼和編碼應用層的，解碼主要就是結合具體的數據傳輸格式來校驗數據包當中的類型和內容，快速過濾不合法的一些數據包。編碼是結合數據傳輸協議完成下行數據的編碼。③設備的認證管理。主要包括設備登錄入網與注冊，登記各種物聯網設備，借助于設備認證管理，提高管理規范性，同時也能夠有效避免外來設備攻擊服務器系統，確保服務器的整體運行安全。④上下行數據處理。上行的數據處理主要就是處理數據包當中的內容，包括對Json字符串的解析，獲取物聯網當中各種設備檢查的狀態、環境參數和數據持久化。下行數據則是借助于服務器對會話主動與被動進行維護以及維持物聯網設備通信，主要包括應答數據包以及策略數據的下發。⑤日志管理。主要對設備數據當中的上行信息與下行信息進行記錄，服務器運行記錄，借助于日志記錄進行全方面的查詢與分析，及時了解服務器當前的運行狀態，對安全隱患進行防范。⑥定時進行任務管理。定時任務通常是借助于設定定時的任務內容，從而有效提高系統服務器的整體運行效率，確保服務器的穩定性與安全性，定時處理活躍度相對較低的設備，主要包括定時的發送心跳包以及會話清除等，從而有效節省大量的服務器資源。

（二）網關系統軟件結構

物聯網當中的終端網絡關口位于傳輸層和感知層兩層之間，主要負責感知節點和上層管理平臺之間的數據交互。物聯網網絡關口系統在完成電啟動之后，首先針對應用程序進行初始化操作。為了實現多樣化的物聯網網絡關口終端和生層M2M物聯網平臺高效交互方式，選擇兩種和物聯網M2M平臺的高效通信方式，也就是GPRS通信方式以及TCP通信方式這兩種。其中GPRS通信方式主要借助于AT指令的發送，從而促使GPRS模塊被啟動，設定具體的串口通信速率，建立起完善的WMMP-T連接準備信息數據通信。而TCP通信方式則是借助于對配置信息的完整讀取，建立起完善的WMMP-T連接。

（三）網關多協議轉換

為進一步提升網關多協議在轉換過程中的靈活性，從而促進不同類型通信協議報文之間的相互轉換，為此本文設計一個基于協議的驅動模塊，這一模塊是轉換多協議網絡關口的重要基礎。選擇面向對象這種構建方法，設計具體的協議驅動文件，協議幀屬于一個對象父節點，主要組成有起始域、地址域、數據域、控制域、結束域、校驗域以及數據長度等多個不同對象子節點。每一個對象子節點同樣也能夠作為對象存在，都具備相關的屬性與屬性值。所以數據幀能夠借助于對象以及具體的屬性開展更加完整的描述，也就是對象屬性的基本內容即為采集數據幀與內容的重要載體，其中包括采集數據的全部信息。對象屬于采集數據的重要載體，對象屬性包括了采集信息的關鍵性內容。

（四）網關系統工作流程

物聯網網絡關口在完成初始化過后，開始對網絡進行監聽，同時等候發生的外部中斷事件，而后借助于判斷具體響應類型完成轉發相關數據信息的整套動作。如果接收到GPRS或者以太網當中的數據，判斷能否直接下達指令到物聯網M2M平臺，如果能夠則應當再次解析判斷具體命令，如果該指令屬于獲取物聯網網絡關口一側數據信息的指令，則需要調用物聯網網絡關口當前的交互模塊，并將信息發送到M2M物聯網平臺當中；反之，如果這一指令屬于為感知網絡下達的一種感知節點指令，則需要完成協議解析指令之后，調用串口當中的讀寫模塊將具體指令發送到對應感知節點當中。如果借助于物聯網網絡關口能夠獲取到充足的感知數據，則針對感知數據完成協議解析之后，需要調用物聯網網絡關口當中的交互模塊，再次將信息發送到M2M物聯網平臺當中。

六、結束語

綜上所述，在物聯網通信服務平臺保障系統設計和實現過程中，依舊存在較多問題，比如部分系統功能沒有達到預期要求，因此應當進行再次的系統性能優化。為此，要求相關工作人員與企業在應用物聯網系統過程中，必須及時發現其中存在的問題，并采取有效措施加以應對，提高系統服務能力。

作者單位：賀英? ? 華楚智能科技（湖南）有限公司

參? 考? 文? 獻

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