一種基于OneNet設(shè)備云的智能硬件組網(wǎng)方法

陳寶遠(yuǎn)++褚慶文++孫忠祥++羅中明

摘要：針對(duì)移動(dòng)終端與智能硬件遠(yuǎn)程組網(wǎng)中，對(duì)智能硬件的結(jié)構(gòu)要求復(fù)雜程度高，對(duì)服務(wù)器程序設(shè)計(jì)復(fù)雜及專用服務(wù)器使用費(fèi)高等問題。運(yùn)用中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)—OneNet設(shè)備云服務(wù)器，構(gòu)建出智能硬件接入OneNet，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的組網(wǎng)方案。本方案是把智能硬件終端采集的傳感器數(shù)據(jù)上傳到OneNet云平臺(tái)，OneNet平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)由移動(dòng)控制端—云平臺(tái)—智能硬件設(shè)備組成的遠(yuǎn)程監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。以O(shè)neNet作為服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，能夠明顯降低開發(fā)難度，節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。并且能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)終端遠(yuǎn)程監(jiān)控同時(shí)，還可在云平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能硬件終端數(shù)據(jù)和狀態(tài)，而實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)WEB數(shù)據(jù)查詢。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能硬件；OneNet設(shè)備云；移動(dòng)終端；遠(yuǎn)程監(jiān)控；

DOI：1015938/jjhust201705014

中圖分類號(hào)： TP2741

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2017）05-0076-05

The Solution of IOT Based on OneNet Cloud Server

CHEN Baoyuan，CHU Qingwen，SUN Zhongxiang，LUO Zhongming

（Nationa Experiment and Teaching Demonstration Center for Measurementcontrol Technology

and Instrumentation， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：There are several problems in network connection between mobile terminal and intelligent hardware For examples， the intelligent hardware is too complex on structure， programming a specific software is lowefficiency and set up a specific server is too expensive， etc By connecting the intelligent hardware to the China Mobile IOT Open Platform can solve those problems， also the IOT of wide area can be set up easily The solution describe in this paper is based on cloud server of China Mobile IOT Open Platform（ie OneNet cloud server） and sensor data acquisition module The data collected by sensors can be transmitted to the OneNet cloud server， which can storage and switch the data， so that the IOT of mobile terminalcloud serverintelligent hardware is set up The IOT based on OneNet cloud server can reduce the development difficulty， Lower development costs and shorten the development cycle The mobile terminal can monitor the data and status of the intelligent hardware， also you can check them on the web by access to China Mobile IOT Open Platform

Keywords：IOT； intelligent hardware； OneNet device cloud； mobile terminal； remote monitor

收稿日期： 2016-02-26

基金項(xiàng)目： 黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12531113）

作者簡(jiǎn)介：

陳寶遠(yuǎn)（1970—），男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，Email；chenbaoyuan@126.com；

褚慶文（1994—），男，碩士研究生；

羅中明（1962—），男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師

0引言

在萬(wàn)物互聯(lián)IOT（物聯(lián)網(wǎng)）時(shí)代，智能手機(jī)這一科技概念提出之后，又提出了智能硬件的概念。智能硬件是在傳統(tǒng)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造之后，通過軟件和硬件相結(jié)合的形式，讓它具備智能化的功能[1]。完成智能化之后，硬件系統(tǒng)已經(jīng)具備了連接網(wǎng)絡(luò)的能力，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的加載，具備了大數(shù)據(jù)等附加價(jià)值，形成了“云+端”的典型架構(gòu)[2]。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，物體與物體之間的信息交互，物體與客戶端的數(shù)據(jù)傳輸，需要一個(gè)通信平臺(tái)支撐[3]。這樣，云計(jì)算平臺(tái)是其必然的選擇。

1OneNet設(shè)備云平臺(tái)架構(gòu)

11OneNet設(shè)備云平臺(tái)的特性

隨著物聯(lián)網(wǎng)大潮的到來(lái)，國(guó)內(nèi)外多家運(yùn)營(yíng)商相繼推出了自己云平臺(tái)，服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，基于此，本設(shè)計(jì)提出了智能硬件接入中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)——OneNet設(shè)備云的研究方案，此平臺(tái)面向所有硬件終端系統(tǒng)開放，是一款免費(fèi)的平臺(tái)[4]。OneNet是中移物聯(lián)有限公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)打造的開放平臺(tái)和生態(tài)環(huán)境，適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務(wù)[5]，提供豐富的API和應(yīng)用模板以及支持各種行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開發(fā)，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)成本和部署成本[6]，滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺(tái)級(jí)服務(wù)要求。OneNet搭建了一個(gè)云存儲(chǔ)服務(wù)中心，專門用來(lái)解決數(shù)據(jù)接入之后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，這個(gè)存儲(chǔ)中心具有高并發(fā)、大存儲(chǔ)、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[7]。對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，通常需要多個(gè)服務(wù)組建共同來(lái)完成[8]。因此本研究方案采用OneNet是最佳選擇?；贠neNet的遠(yuǎn)程控制端可以是智能移動(dòng)終端（手機(jī)、PAD等），也可以是個(gè)人PC機(jī)，只要可以與設(shè)備云平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，皆可作為遠(yuǎn)程控制端[9]。endprint

12OneNet事件觸發(fā)機(jī)制與多層網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)

OneNet設(shè)備云平臺(tái)在設(shè)計(jì)之初就制定了事件觸發(fā)機(jī)制和大量的規(guī)則觸發(fā)應(yīng)用，在設(shè)備接入OneNet之后，可添加觸發(fā)器設(shè)置[10]。在縱向協(xié)同方面，保障海量終端和用戶的泛在接入，打破云管端界限，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的智能聯(lián)動(dòng)[11]。在橫向協(xié)同方面，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間相互協(xié)同，不但保障了網(wǎng)絡(luò)的安全邊界，又能讓網(wǎng)絡(luò)間信息的流動(dòng)得到精細(xì)化控制和高品質(zhì)保障[12]?！皡f(xié)同”將使得用戶完全可以忽略網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)的存在，感知得到統(tǒng)一保障，體驗(yàn)像一張網(wǎng)絡(luò)，這也就是所謂的超融合狀態(tài)[13]。

13OneNet設(shè)備云資源管理層次結(jié)構(gòu)

在OneNet設(shè)備云平臺(tái)下用戶、設(shè)備、APIKey、設(shè)備應(yīng)用、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)流的組織結(jié)構(gòu)形式都十分清晰，在每個(gè)用戶下數(shù)據(jù)的管理是以項(xiàng)目的形式進(jìn)行封裝的，每個(gè)用戶可以創(chuàng)建多個(gè)項(xiàng)目，在每個(gè)項(xiàng)目下用戶可以對(duì)設(shè)備、APIKey、應(yīng)用、觸發(fā)器這些資源進(jìn)行管理（包括增、刪、改、查等操作），用戶可以在一個(gè)項(xiàng)目下創(chuàng)建多個(gè)設(shè)備（產(chǎn)生多個(gè)設(shè)備ID）、APIKey、應(yīng)用。觸發(fā)器，在每個(gè)設(shè)備下用戶還可以創(chuàng)建多個(gè)數(shù)據(jù)流。設(shè)備云不僅支持這些資源的縱向邏輯關(guān)聯(lián)，還支持資源之間的橫向聯(lián)接，比如設(shè)備與APIKey之間的關(guān)系，同一個(gè)設(shè)備可以關(guān)聯(lián)該項(xiàng)目下的多個(gè)APIKey，一個(gè)APIKey也可以關(guān)聯(lián)多個(gè)設(shè)備，同樣的一個(gè)觸發(fā)器可以關(guān)聯(lián)同一個(gè)項(xiàng)目中多個(gè)設(shè)備下的數(shù)據(jù)流（數(shù)據(jù)流ID相同），一個(gè)數(shù)據(jù)流也可以關(guān)聯(lián)多個(gè)觸發(fā)器等。

2智能硬件接入設(shè)備云平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

21OneNet設(shè)備云在應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)層次

設(shè)備云作為平臺(tái)的平臺(tái)，可降低開發(fā)成本，提供多元化的API接口，使用完善的開發(fā)工具為各個(gè)業(yè)務(wù)平臺(tái)提供接入、存儲(chǔ)、傳輸和展現(xiàn)等基礎(chǔ)服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)商快速打造自己的產(chǎn)品提供了很大幫助[14]。OneNet在實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)層次如圖1所示：

OneNet設(shè)備云不僅提供穩(wěn)定、安全、持續(xù)的運(yùn)營(yíng)服務(wù)，而且其架構(gòu)還可擴(kuò)展，可以從根本上解決大量的接入難題。

22智能硬件接入OneNet設(shè)備云總體設(shè)計(jì)方案

智能硬件是一個(gè)科技概念，它已經(jīng)從可穿戴設(shè)備延伸到智能機(jī)器人、智能玩具、智能汽車、智能家居、醫(yī)療健康等領(lǐng)域[15]，比較典型的智能硬件包括樂視電視、麥開水杯、三星Gear、咕咚手環(huán)、Google Glass等。

硬件實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵在于如何與設(shè)備云進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，從而將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給控制端。本設(shè)計(jì)方案提出的將智能硬件接入設(shè)備云平臺(tái)從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的步驟大致可分為三個(gè)部分：第一部分是智能硬件終端的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳，各類傳感器把所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給硬件系統(tǒng)的MCU，MCU接收數(shù)據(jù)之后使用通信協(xié)議將其進(jìn)行打包，進(jìn)而通過網(wǎng)關(guān)上傳到設(shè)備云服務(wù)器。由于OneNet設(shè)備云提供常用的RestFul API接口、Socket接口，以及支持MQTT、Modbus協(xié)議等接入?yún)f(xié)議，所以在終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包上傳時(shí)可選擇合適的通信協(xié)議。第二部分是智能硬件接入設(shè)備云需要注冊(cè)個(gè)人或企業(yè)賬號(hào)，憑借賬號(hào)登錄云平臺(tái)，為自己的項(xiàng)目及設(shè)備申請(qǐng)ID號(hào)，經(jīng)過一系列操作之后，設(shè)備云平臺(tái)會(huì)為相應(yīng)的智能硬件分配一個(gè)虛擬設(shè)備號(hào)ID和APIKEY，當(dāng)接收來(lái)自智能硬件的數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備云會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)的ID號(hào)和APIKEY進(jìn)行鑒權(quán)工作，從而決定是否與其建立TCP連接。第三部分是設(shè)備云與控制端的數(shù)據(jù)通信，同樣在控制端輸入由設(shè)備云分配的ID號(hào)和APIKEY，通過相應(yīng)的協(xié)議與其建立TCP連接，從而將控制命令發(fā)送到云端，最終到達(dá)智能硬件系統(tǒng)。總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖2所示：

3智能硬件接入設(shè)備云的實(shí)現(xiàn)方法

31智能硬件的選擇

智能硬件的種類多種多樣，用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況靈活選擇，比如Ardiuno、C51、MSP430、ZigBee、ARM、MIPS等，只要能處理相關(guān)的通信數(shù)據(jù)與設(shè)備云建立TCP連接，都可以接入云平臺(tái)[16]。

32接入設(shè)備云流程

在接入OneNet設(shè)備云之前，需在平臺(tái)網(wǎng)站注冊(cè)用戶賬號(hào)，只要登錄中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)官方網(wǎng)站即可用郵箱賬號(hào)注冊(cè)。之后用戶可憑借此賬號(hào)登錄OneNet設(shè)備云平臺(tái)首頁(yè)進(jìn)行新建項(xiàng)目、新增設(shè)備、新增數(shù)據(jù)流、查看數(shù)據(jù)、新增觸發(fā)器、添加APIKEY、新建應(yīng)用等操作，各項(xiàng)操作完成后，云平臺(tái)會(huì)為每個(gè)虛擬設(shè)備自動(dòng)分配唯一的設(shè)備ID和APIKEY，憑借此時(shí)的設(shè)備ID和APIKEY可使智能硬件、遠(yuǎn)程移動(dòng)控制端與OneNet設(shè)備云建立TCP連接，創(chuàng)建過程如圖3所示：

33通信方式的選擇

智能硬件設(shè)備終端接入OneNet設(shè)備云平臺(tái)的通信方式是多種多樣的，比如常用的有GPRS、無(wú)線WIFI、以太網(wǎng)口[17]。GPRS方式需要GPRS模塊和SIM卡的支持，無(wú)線WIFI需要WIFI模塊支持。所謂通信方式可以理解為數(shù)據(jù)上傳時(shí)所通過的網(wǎng)關(guān)，若采用以太網(wǎng)口方式，即有線模式，其本質(zhì)是把個(gè)人電腦作為網(wǎng)關(guān)，具體做法首先是把智能硬件終端采集的數(shù)據(jù)通過串口的方式發(fā)送給電腦，電腦通過事先編譯好的上位機(jī)界面與設(shè)備云建立TCP連接，最后把數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)[18]。若采用WIFI模塊或GPRS模塊，即無(wú)線模式，其數(shù)據(jù)上傳過程便不再經(jīng)過個(gè)人電腦，無(wú)線模塊接收智能硬件發(fā)送的數(shù)據(jù)后，直接經(jīng)過路由器或通信基站與設(shè)備云建立TCP連接[19]。總之，對(duì)于指定的智能硬件設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，在三種通信方式（GPRS、無(wú)線WIFI、以太網(wǎng)口）下，連接平臺(tái)的操作過程略有不同。

34通信協(xié)議的選擇與數(shù)據(jù)上傳過程

設(shè)備云平臺(tái)對(duì)于智能硬件的接入不僅提供了多種通信方式，而且對(duì)于數(shù)據(jù)打包上傳還支持多種通信協(xié)議。目前常用的有RestFul API和EDP協(xié)議，RestFul API基于HTTP協(xié)議，適合平臺(tái)資源管理、平臺(tái)與平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)對(duì)接、使用短連接上報(bào)終端數(shù)據(jù)、時(shí)間序列化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等場(chǎng)景[20]，EDP協(xié)議是基于TCP協(xié)議的，該協(xié)議只傳輸數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地，不保證傳輸?shù)捻樞蚺c到達(dá)的順序相同，若客戶端同時(shí)發(fā)起兩次請(qǐng)求，服務(wù)器返回時(shí)，不保障返回報(bào)文的順序，EDP數(shù)據(jù)適合于數(shù)據(jù)的長(zhǎng)連接上報(bào)、透?jìng)鳌⑥D(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)主動(dòng)下發(fā)等場(chǎng)景。endprint

在接入OneNet數(shù)據(jù)上傳過程中，對(duì)于不同的智能硬件的要求可以選擇不同的通信協(xié)議，每種通信協(xié)議都有自己的特點(diǎn)，可根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求來(lái)選取。本研究方案僅給出基于RestFul API協(xié)議的數(shù)據(jù)上傳流程，如圖4所示。圖4是在RestFul API協(xié)議下與設(shè)備云建立TCP連接、數(shù)據(jù)打包上傳的程序流程圖。

4組網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例

OneNet設(shè)備云云平臺(tái)支持多種通信協(xié)議，EDP上傳數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)備下沒有請(qǐng)求日志，而在RestFul API協(xié)議下才會(huì)出現(xiàn)，所謂請(qǐng)求日志是指：智能硬件與云平臺(tái)建立TCP連接后，會(huì)向其發(fā)送數(shù)據(jù)上傳請(qǐng)求，此時(shí)OneNet云平臺(tái)會(huì)對(duì)所上傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行格式和內(nèi)容的鑒定，當(dāng)鑒定完成后會(huì)在云平臺(tái)上給出日志列表，這樣可以點(diǎn)擊日志查看響應(yīng)內(nèi)容，若響應(yīng)內(nèi)容“errno”為0，“error”為“succ”，則表示數(shù)據(jù)上傳成功，否則表示數(shù)據(jù)上傳失敗。以下是基于RestFul API協(xié)議的ZigBee模塊上傳數(shù)據(jù)后的請(qǐng)求日志，如圖5所示：

本研究方案僅給出在RestFul API協(xié)議（基于HTTP協(xié)議）下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于智能硬件在OneNet云平臺(tái)上的設(shè)備描述如圖6所示：

硬件設(shè)備與云平臺(tái)建立連接后，會(huì)把終端數(shù)據(jù)打包上傳，至此用戶可以在云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)展示區(qū)查看到所上傳的終端數(shù)據(jù)，本研究方案給出了使用ZigBee模塊與OneNet云平臺(tái)建立連接的上位機(jī)管理界面如圖7。

連接后上傳的終端數(shù)據(jù)圖8所示，“HumanState”代表人體感應(yīng)狀態(tài)，“0”和“1”分別表示有人和無(wú)人?！癏umidity” 代表濕度，范圍是“0～100”?！癓ampState”代表燈的亮滅狀態(tài)，“0”和“1”分別表示燈亮和燈滅?！癝moke”代表煙霧狀態(tài)，“0”和“1”分別表示氣體正常和異常?！癟emperature”代表溫度值，范圍是“-30～60”。

5結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了智能硬件設(shè)備接入設(shè)備云平臺(tái)（OneNet）的方法，實(shí)現(xiàn)了終端數(shù)據(jù)上傳到設(shè)備云平臺(tái)的三種通信方式設(shè)計(jì)方案，給出了設(shè)備云平臺(tái)具體的通信方式、通信協(xié)議的選擇方法和數(shù)據(jù)打包上傳流程，實(shí)現(xiàn)了智能硬件的數(shù)據(jù)在云平臺(tái)上的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于如何進(jìn)行遠(yuǎn)程移動(dòng)端的控制僅作了簡(jiǎn)單介紹，其實(shí)現(xiàn)方法與智能硬件接入設(shè)備云類似。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān)毅）endprint