物聯(lián)網(wǎng)通信服務平臺保障系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究

摘要：近些年來，我國的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與世界范圍內(nèi)的其他國家逐漸達到了相同的水平，技術(shù)研發(fā)事業(yè)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(lián)網(wǎng)在我國的發(fā)展與應用。目前應用最為廣泛的就是物聯(lián)網(wǎng)M2M，對于確保物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展現(xiàn)狀，建立一套完善的物聯(lián)網(wǎng)通信服務平臺保障系統(tǒng)，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(tài)，為廠家提供更加高效的終端運維，降低系統(tǒng)掉線率，全面提升終端通信服務保障能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；通信服務平臺；保障系統(tǒng)；設(shè)計與實現(xiàn)

一、引言

現(xiàn)階段，在科技水平迅猛發(fā)展的背景下，信息化時代為我們帶來了更多的技術(shù)與可能。在以下內(nèi)容中，設(shè)計開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的通信服務平臺保障系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大的創(chuàng)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(lián)網(wǎng)通信服務保障系統(tǒng)，并能夠合理地應用，提出了基于通信協(xié)議模板的一種協(xié)議轉(zhuǎn)換方式，并且可再擴展，且具有一定的可配置性。最后，該系統(tǒng)驗證實現(xiàn)了基于互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系具有十分穩(wěn)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(fā)與維護。

二、物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展現(xiàn)狀分析

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)平臺是共同發(fā)展與完善的，物聯(lián)網(wǎng)平臺在整體系統(tǒng)當中屬于關(guān)鍵組成部分，主要是結(jié)合用戶需求挑選正確的通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在平臺上連接硬件設(shè)備，完成硬件和軟件之間的對接。其發(fā)展的本質(zhì)意義就是借助于不同通信協(xié)議和底層設(shè)備，傳輸與處理數(shù)據(jù)，并結(jié)合收集到的各種數(shù)據(jù)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(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)用戶提供更加安全的身份認證?，F(xiàn)如今我國主要包括三大運營商，分別為電信、聯(lián)通、移動和一些互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)當中的龍頭企業(yè)，他們一同促進物聯(lián)網(wǎng)平臺的高效化建設(shè)。各自陸續(xù)推出了能夠應用在不同場景當中的物聯(lián)網(wǎng)平臺，比如電信、華為和天翼聯(lián)合打造的一種能夠?qū)崿F(xiàn)多場景應用的窄帶物聯(lián)網(wǎng)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(wěn)定的平臺對接。中國聯(lián)通同時也在相關(guān)會議當中表示，在平臺能力建設(shè)方面，聯(lián)通已經(jīng)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(tǒng)一管理、成本可控、服務高效的全新服務模式。阿里云物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)則為開發(fā)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(shù)據(jù)通道，通過全球范圍內(nèi)的多節(jié)點共同部署，能夠促使海量設(shè)備全部實現(xiàn)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(shè)計的QQ物聯(lián)以主要用戶群體為基礎(chǔ)，完成了設(shè)備、用戶和服務之間的聯(lián)動，目前已經(jīng)在智能車載、家居以及各類可穿戴設(shè)備當中得到了廣泛運用。從國外角度來看，主流物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括亞馬遜設(shè)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(shù)十億設(shè)備共同接入與轉(zhuǎn)發(fā)消息的平臺，但是該平臺目前僅支持單體的設(shè)備接入，而不支持系統(tǒng)設(shè)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(lián)網(wǎng)平臺、IBM Waston物聯(lián)網(wǎng)平臺、Oracle物聯(lián)網(wǎng)平臺等，本文不多論述。

從國內(nèi)外的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀來看，不難發(fā)現(xiàn)一體化的服務模式正在逐步建立與完善，同時相關(guān)企業(yè)數(shù)量也在與日激增，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)平臺，為用戶們提供了更加多樣化的選擇，但是在企業(yè)當中，物聯(lián)網(wǎng)平臺依舊為絕大部分采取交互式、開放式的設(shè)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(shè)備廠商，主流平臺大部分是以熱門領(lǐng)域為基礎(chǔ)開發(fā)的，因此在平臺設(shè)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(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)的設(shè)計以WMMP協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)計一個物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)整體體系架構(gòu)，在這一體系架構(gòu)當中，主要選擇了3層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)層次模型，提高物聯(lián)網(wǎng)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(huán)境下的數(shù)據(jù)信息問題。結(jié)合感知數(shù)據(jù)的具體來源，能夠?qū)⑵溥M一步細化為數(shù)據(jù)采集設(shè)備和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這兩部分。首先，第一部分當中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括不同類型的功能傳感器、RFID射頻標簽以及網(wǎng)絡(luò)攝像頭等等；第二部分當中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是由多個在特定范圍內(nèi)分布的傳感器節(jié)點構(gòu)成，并且這些節(jié)點更多的用途為數(shù)據(jù)采集，形成一個高效的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過這些不同類型傳感器設(shè)備的同步運行與工作，對工作地點的環(huán)境狀況與監(jiān)控物理等關(guān)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(shè)備、用于對視頻圖像進行采集的攝像頭等關(guān)鍵設(shè)備，獲取環(huán)境當中存在的各類數(shù)據(jù)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(shù)，進行更加高效化的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息進行處理，并實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建起的針對感知數(shù)據(jù)進行遠程傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵層次，其中綜合利用了國際互聯(lián)網(wǎng)、WiFi、移動通信網(wǎng)絡(luò)、GSM/3G、以及有線寬帶等常見的通信技術(shù)手段，能夠完成感知網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)之間的無縫銜接。由此可見，傳輸層在該系統(tǒng)當中屬于實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信的重要基礎(chǔ)，其中的關(guān)鍵技術(shù)主要可分為遠程有線數(shù)據(jù)通信技術(shù)與遠程無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)兩種。

（三）應用層

應用層的設(shè)計主要就是為了有效解決來自感知層當中的數(shù)據(jù)問題，對其進行高效的分析處理以及提供優(yōu)化服務。應用層主要就是為了接收與處理在傳輸層當中產(chǎn)生與傳送得到了豐富數(shù)據(jù)信息，在應用層當中，集成了以數(shù)據(jù)處理為工作出發(fā)點的不同類型信息處理系統(tǒng)，同時借助于多種智能化設(shè)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(shù)，將為政府部門、家庭個人以及企事業(yè)單位提供更加豐富的物聯(lián)網(wǎng)平臺應用。

四、系統(tǒng)硬件設(shè)計

充分結(jié)合嵌入式技術(shù)和自動化控制技術(shù)，采用嵌入式Intel Atom雙核N2600為主要處理器，研究設(shè)計一個性能較高、成本較低的先進物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口，其中核心為Intel Atom雙核N2600這種處理器，同時附帶相關(guān)的外圍通信網(wǎng)絡(luò)模塊，從而構(gòu)成一個完善的系統(tǒng)硬件平臺。這一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口的硬件架構(gòu)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(tǒng)架構(gòu)。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(fā)功能模塊、USB接口功能模塊、網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，選擇內(nèi)嵌式協(xié)議芯片，即中國移動研發(fā)的WMMP協(xié)議芯片。通過這種硬件系統(tǒng)的應用，能夠更好地滿足建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口過程中的高性能、完善功能、低功耗、低成本等關(guān)鍵性需求，這一網(wǎng)絡(luò)關(guān)口對于促進社會信息化與社會網(wǎng)絡(luò)化的整體性進程發(fā)展以及我國國民經(jīng)濟的快速增長都具有十分關(guān)鍵的助力作用。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）物聯(lián)網(wǎng)接入服務器功能性設(shè)計

功能性設(shè)計就是以基本框架為基礎(chǔ)促進物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入服務的更好實現(xiàn)，有效處理物聯(lián)網(wǎng)當中的各種數(shù)據(jù)，功能型設(shè)計通常可以劃分為設(shè)計傳輸協(xié)議格式、設(shè)計設(shè)備認證管理、設(shè)計數(shù)據(jù)包編碼和解碼、設(shè)計數(shù)據(jù)上下行處理以及設(shè)計定時任務管理等。物聯(lián)網(wǎng)接入服務器數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。服務器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運行期間的傳輸載體主要為TCP/IP協(xié)議，借助于自定義的協(xié)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(shù)據(jù)報，完成高效化的數(shù)據(jù)處理，主要包括數(shù)據(jù)處理的持久化、數(shù)據(jù)異常返回、垃圾數(shù)據(jù)屏蔽、數(shù)據(jù)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(wěn)定性。①自定義的數(shù)據(jù)傳輸格式。在以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)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(lián)網(wǎng)設(shè)備必須基于TCP/IP協(xié)議完成通信，同時也能夠過濾到許多非必要類型的數(shù)據(jù)包，節(jié)省大量的服務器資源。②數(shù)據(jù)包解碼和編碼。數(shù)據(jù)包是以自定義的數(shù)據(jù)傳輸格式為基礎(chǔ)完成解碼和編碼應用層的，解碼主要就是結(jié)合具體的數(shù)據(jù)傳輸格式來校驗數(shù)據(jù)包當中的類型和內(nèi)容，快速過濾不合法的一些數(shù)據(jù)包。編碼是結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議完成下行數(shù)據(jù)的編碼。③設(shè)備的認證管理。主要包括設(shè)備登錄入網(wǎng)與注冊，登記各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，借助于設(shè)備認證管理，提高管理規(guī)范性，同時也能夠有效避免外來設(shè)備攻擊服務器系統(tǒng)，確保服務器的整體運行安全。④上下行數(shù)據(jù)處理。上行的數(shù)據(jù)處理主要就是處理數(shù)據(jù)包當中的內(nèi)容，包括對Json字符串的解析，獲取物聯(lián)網(wǎng)當中各種設(shè)備檢查的狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)和數(shù)據(jù)持久化。下行數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)設(shè)備通信，主要包括應答數(shù)據(jù)包以及策略數(shù)據(jù)的下發(fā)。⑤日志管理。主要對設(shè)備數(shù)據(jù)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(tài)，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(shè)定定時的任務內(nèi)容，從而有效提高系統(tǒng)服務器的整體運行效率，確保服務器的穩(wěn)定性與安全性，定時處理活躍度相對較低的設(shè)備，主要包括定時的發(fā)送心跳包以及會話清除等，從而有效節(jié)省大量的服務器資源。

（二）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)當中的終端網(wǎng)絡(luò)關(guān)口位于傳輸層和感知層兩層之間，主要負責感知節(jié)點和上層管理平臺之間的數(shù)據(jù)交互。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口系統(tǒng)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(xiàn)多樣化的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口終端和生層M2M物聯(lián)網(wǎng)平臺高效交互方式，選擇兩種和物聯(lián)網(wǎng)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(fā)送，從而促使GPRS模塊被啟動，設(shè)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(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)多協(xié)議轉(zhuǎn)換

為進一步提升網(wǎng)關(guān)多協(xié)議在轉(zhuǎn)換過程中的靈活性，從而促進不同類型通信協(xié)議報文之間的相互轉(zhuǎn)換，為此本文設(shè)計一個基于協(xié)議的驅(qū)動模塊，這一模塊是轉(zhuǎn)換多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)關(guān)口的重要基礎(chǔ)。選擇面向?qū)ο筮@種構(gòu)建方法，設(shè)計具體的協(xié)議驅(qū)動文件，協(xié)議幀屬于一個對象父節(jié)點，主要組成有起始域、地址域、數(shù)據(jù)域、控制域、結(jié)束域、校驗域以及數(shù)據(jù)長度等多個不同對象子節(jié)點。每一個對象子節(jié)點同樣也能夠作為對象存在，都具備相關(guān)的屬性與屬性值。所以數(shù)據(jù)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(nèi)容即為采集數(shù)據(jù)幀與內(nèi)容的重要載體，其中包括采集數(shù)據(jù)的全部信息。對象屬于采集數(shù)據(jù)的重要載體，對象屬性包括了采集信息的關(guān)鍵性內(nèi)容。

（四）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)工作流程

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口在完成初始化過后，開始對網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)聽，同時等候發(fā)生的外部中斷事件，而后借助于判斷具體響應類型完成轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的整套動作。如果接收到GPRS或者以太網(wǎng)當中的數(shù)據(jù)，判斷能否直接下達指令到物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口一側(cè)數(shù)據(jù)信息的指令，則需要調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口當前的交互模塊，并將信息發(fā)送到M2M物聯(lián)網(wǎng)平臺當中；反之，如果這一指令屬于為感知網(wǎng)絡(luò)下達的一種感知節(jié)點指令，則需要完成協(xié)議解析指令之后，調(diào)用串口當中的讀寫模塊將具體指令發(fā)送到對應感知節(jié)點當中。如果借助于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口能夠獲取到充足的感知數(shù)據(jù)，則針對感知數(shù)據(jù)完成協(xié)議解析之后，需要調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口當中的交互模塊，再次將信息發(fā)送到M2M物聯(lián)網(wǎng)平臺當中。

六、結(jié)束語

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)通信服務平臺保障系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)過程中，依舊存在較多問題，比如部分系統(tǒng)功能沒有達到預期要求，因此應當進行再次的系統(tǒng)性能優(yōu)化。為此，要求相關(guān)工作人員與企業(yè)在應用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)過程中，必須及時發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，并采取有效措施加以應對，提高系統(tǒng)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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