基于3G技術(shù)的手機物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)設(shè)計分析

天津工業(yè)大學計算機科學與軟件學院 袁新洋

隨著智能手機的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，手機無疑是物聯(lián)網(wǎng)時代的基礎(chǔ)平臺之一。3G技術(shù)的高數(shù)據(jù)傳輸速率給我們帶來樂趣的同時也為我們生活帶來很多方便，也為基于手機終端的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了很好的發(fā)展空間，以手機作為物聯(lián)網(wǎng)的終端平臺將是一種必然的發(fā)展趨勢。

1.基于3G技術(shù)的手機物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一個新興的綜合性技術(shù)，具有互聯(lián)網(wǎng)的特點，智能化特征；同時聯(lián)合了通信技術(shù)、射頻技術(shù)、無線技術(shù)等。

1.1 嵌入式處理技術(shù)

嵌入式應用系統(tǒng)的開發(fā)屬于跨平臺開發(fā)，即開發(fā)平臺使用的處理器和開發(fā)對象的處理器往往是不同的類型，因此需要交叉的軟件集成開發(fā)環(huán)境，即進行代碼編寫、編譯、連接、調(diào)試的環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)運行需要特定的目標環(huán)境，該環(huán)境面向特定的應用領(lǐng)域，要實現(xiàn)預期的功能'還需要軟硬件協(xié)同設(shè)計。這種方法的特點是：在設(shè)計時從系統(tǒng)功能的實現(xiàn)考慮'把軟硬件同時考慮進去，既可最大限度的利用有效資源，縮短開發(fā)周期，又能取得更好的設(shè)計效果。

1.2 客戶端相關(guān)技術(shù)

Java ME是Java Micro Edition的簡稱，它支持Java SE標準核心類庫的一個子集，增加了一些支持嵌入式系統(tǒng)的擴充類庫，定位在嵌入式系統(tǒng)的應用上，如手機、PDA等電子產(chǎn)品上。當前時代移動通信產(chǎn)品遍地開花，產(chǎn)品的軟硬件環(huán)境也各式各樣，僅手機操作系統(tǒng)就有Symbian、Palm OS、Linux、Windows Mobile等多個，致使系統(tǒng)移植成為一個瓶頸。Java可以幫助解決這個問題，因為Java具有“一次編寫、隨處運行”的特點。在任何一個支持Java的手機上都可以運行用J2ME開發(fā)的程序，并且支持J2ME的運營商和手機廠商比較多。此外，J2ME還有龐大的開發(fā)工具、數(shù)量眾多的開發(fā)社區(qū)等資源支持，這些都是J2ME的優(yōu)勢。

1.3 身份認證技術(shù)

一次完整的認證過程不但只是對合法用戶的識別，還要做好前期準備和后期審計工作。認證前的工作是給用戶賦予權(quán)限，使合法用戶具有某些權(quán)力。認證過程中，密鑰的安全是非常重要的，因此一定要做好保密工作，可以釆用加密變換的方法傳輸數(shù)據(jù)，加密方法可以選擇對稱加密法或者公鑰加密法。除此之外，時效性也是一個值得注意的問題，失效性是杜絕重放攻擊的有效方法。

2.基于3G技術(shù)的手機物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)設(shè)計

本文中設(shè)計的系統(tǒng)是以手機作為用戶終端，集互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、傳感器技術(shù)、定位技術(shù)、自動報警為一體的多功能監(jiān)控系統(tǒng)，它可應用于智能家居、貨物跟蹤、超市監(jiān)管等領(lǐng)域。

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

整個系統(tǒng)主要分為三個大模塊：前端信息采集模塊、服務器模塊、客戶端模塊，三個模塊分工合作，各盡其能。

2.1.1 前端采集模塊設(shè)計

前端采集模塊主要負責信息的采集：攝像頭對視頻信息采集，傳感器對周圍環(huán)境信息的采集，定位模塊對位置信息采集等。之后，把采集得到的信息按一定的數(shù)據(jù)格式封裝后通過3G無線網(wǎng)絡發(fā)送到服務器。前端處理器采用三星S3C2440ARM9開發(fā)板，板子上有串口、USB接口、USBHOST接口等，可以外接多個功能模塊。選擇USB攝像頭，使其與ARM9開發(fā)板相連，負責圖像信息的采集。將GPS設(shè)備ARM9開發(fā)板的USB HOST相連，負責位置信息的采集。溫度傳感器、濕度傳感器以及危險氣體傳感器并不是被ARM處理器控制，而是由STC12C5204單片機直接進行控制，單片機通過COM口與ARM9開發(fā)板交互信息。為了保證信息傳輸?shù)闹噶?，無線收發(fā)模塊選擇3G網(wǎng)卡，設(shè)定服務器的IP地址后，采用TCP協(xié)議向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.1.2 服務器功能設(shè)計

服務器分為監(jiān)控管理、用戶管理、數(shù)據(jù)管理等幾個模塊。服務器要負責接收前端采集到的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理、顯示。除此之外，還要負責響應客戶端請求。監(jiān)控管理負責接收并處理前端采集到的信息（溫度、濕度、危險氣體、GPS定位），接收到這些信息以后可以在服務器顯示出來。與手機客戶端的數(shù)據(jù)信息交互也主要在這個模塊實現(xiàn)，根據(jù)手機客戶端請求，向客戶端發(fā)送需求信息。用戶管理又可以分為用戶注冊、用戶認證、權(quán)限管理、用戶刪除等功能。用戶注冊包括用戶基本信息注冊和手機客戶端注冊，客戶端注冊是為了實現(xiàn)用戶與手機客戶端的綁定。注冊過程要把用戶的注冊信息存入數(shù)據(jù)庫，用戶注銷負責把申請注銷的用戶信息全部清理并收回權(quán)限。

2.1.3 手機客戶端設(shè)計

系統(tǒng)采用手機作為客戶端，安裝了客戶端軟件的手機，通過登錄服務器的方式查看實時信息，鑒于手機具有隨身攜帶的優(yōu)點，因此用戶可以隨時了解到所關(guān)心的信息。手機客戶端主要實現(xiàn)用戶登錄-輸入設(shè)備號-查看信息。用戶成功登錄前，需要通過手機客戶端與服務器進行雙向認證，彼此認證通過后即可輸入所要査詢設(shè)備的設(shè)備號進行信息査詢。

2.2 雙向身份認證方法設(shè)計

為了增強系統(tǒng)的安全性，本文在S/Key技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于動態(tài)口令的雙向身份認證方法，不但實現(xiàn)了服務器對客戶端的身份認證，而且實現(xiàn)了客戶端對服務器的有效認證。雙向認證方法的基礎(chǔ)是通過對動態(tài)口令的驗證，達到驗證用戶身份的目的。在此基礎(chǔ)上，采用手機序列號（手機序列號是Imei碼的俗稱，Imei碼由GSM全球移動通信協(xié)會統(tǒng)一分配，是由15位數(shù)字組成的“電子串號”，它與每臺移動電話機一一對應，而且該碼是全世界唯一的）和手機號生成客戶識別碼（我們稱之為PN碼）實現(xiàn)手機客戶端軟件與用戶的綁定，做到手機與用戶的一一對應，達到了服務器對用戶的二次認證的目的。

雙向認證方法在本系統(tǒng)中主要應用在客戶端與服務器之間，用戶通過手機客戶端首先發(fā)起服務請求，服務器收到請求以后向客戶端發(fā)出挑戰(zhàn)信息，客戶端根據(jù)挑戰(zhàn)信息對服務器進行身份認證，對服務器認證通過后則進一步向服務器發(fā)送請求認證信息，服務器進行對客戶端的認證，若認證通過則一次完整的認證過程結(jié)束。服務器對用戶的認證需要驗證客戶端標識碼(PN碼）和動態(tài)口令。驗證過程中，服務器首先根據(jù)用戶ID檢索出該用戶的手機號碼和Imei碼，并使用與客戶端相同的方法計算PN碼，然后用計算出的PN碼對收到的信息（用PN碼作為加密密鑰的加密后動態(tài)口令值）進行解密，如果解密不成功說明有錯誤，否則進一步驗證解密出的動態(tài)口令。

3.結(jié)束語

本文以手機作為應用平臺，以3G網(wǎng)絡作為傳輸媒介，設(shè)計了一個多功能的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，雖然在硬件上本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一些基本的數(shù)據(jù)采集以及定位跟蹤，并不能滿足所有的需求，開發(fā)面向具體環(huán)境具體應用的系統(tǒng)是下一步要做的主要工作。

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