物联网终端控制公共服务平台设计

引 言

随着物联网业务的发展，电力抄表、穿戴式应用、工业控制等物联网应用快速发展，在很多物联网应用中都需要使用终端控制技术。终端控制是指平台向终端发送控制指令，终端接收到控制指令后执行相应的动作。物联网的典型架构由感知层、网络层、应用层组成[1-3]，需要终端与平台的紧密配合才能实现一项具体物联网应用。因此终端控制技术在物联网中非常重要。传统的终端控制包括使用GPRS、短信、WiFi、ZigBee等方式，由应用集成商完成从平台到终端的开发 [4,5]， 这种实现方式成本较高。终端控制是物联网领域的一项共性需求，运营商在公共服务方面具有优势，本文提出了一种运营商物联网终端控制公共服务平台的设计方案。

1 物联网终端控制公共服务平台的研发背景

1.1 利用终端控制技术有效解决终端节电问题

很多物联网应用都要求终端耗电低，待机时间长。穿戴式设备就是一个典型的要求节电的应用，由于佩戴条件限制要求设备小巧，小巧的设备体积限制了电池的大小。待机时间关系到业务的体验，待机时间越长用户使用越方便，可以避免频繁充电的烦恼。在物联网终端中，电量的消耗主要用于通信，因此终端节电最主要的方法就是控制通信。在终端不需要进行数据传输时关闭通信，在需要进行数据传输时开启通信，数据传输结束立即断开通信。终端基本处于与平台断开状态，在需要终端参与业务时，就必然用到终端控制技术，由平台来控制终端，如终端重启、终端定位、终端数据传输等。终端控制是解决终端节电问题的一项重要技术。

1.2 用终端控制技术降低平台连接数

在工业控制、交通、穿戴式应用等物联网应用中，一个平台上连接的终端数会达到几十万甚至几百万，保持这些连接需要消耗大量的计算、内存等资源，连接数越多消耗的资源越多。因此平台的连接数有一定的限制，需要一种方案来减少平台上的并发连接数。由于终端并非一直在传输数据，终端大部分的时间是不传输数据的。一个可行的降低平台连接数的方法就是终端在需要传输数据时才连接平台，不传输数据时则断开连接。终端通常的状态为不连接平台，这种情况下需要终端控制技术使平台和终端能随时进行连接。

1.3 现有实现方式的不足

使用GPRS、3G、4G 等方式通信时，网络给终端分配的动态地址，一旦终端断开连接再次通信时获得的将是不同的地址，这就造成平台难以主动向终端发送信息。而短信具有自动寻址的优点，即终端在不连接平台的情况下，平台都能将信息发送到指定的终端。同时短信的发送时延为几秒钟，在绝大多数的情况下，这个指标都能很好满足业务的需求。因此，短信成为最常用的终端控制方式。当平台需要控制终端时，平台向指定的终端发送一条控制短信。终端收到控制短信后，对短信内容进行解析，匹配相应的指令后就执行相应的动作。现有实现方式为物联网客户向通信运营商申请一个短信端口，依据运营商的短信网关接入协议进行开发，通过运营商的短信网关向物联网终端下发控制短信。

现有实现方式一个不足之处在于物联网客户的开发和接入门槛较高。这种方式需要物联网客户熟悉短信网关接入协议，并根据短信网关接入协议进行开发，这对于很多物联网客户来说是一个比较高的技术门槛。另一方面，由于国家对垃圾短信的管控要求越来越严，运营商对短信端口申请要进行很长流程的审查，通常需要 2 个月的时间。开发和接入门槛常常限制了很多物联网业务的进一步发展。

现有实现方式的另一个不足之处在于通信运营商难以防止垃圾短信。一些短信增值服务商申请了短信端口后由于利益驱使大量发送广告类短信，造成垃圾短信。目前，技术上尚欠缺一种快速甄别垃圾短信的方法。因此，运营商面临业务发展与防范垃圾短信这一对矛盾。

2 物联网终端控制公共服务平台方案

2.1 物联网终端控制需求分析

物联网终端控制有终端休眠、终端重启、终端数据传输、终端位置上报、终端参数配置等，数量只有二十多个。同时， 一种终端控制短信的内容都是相同的。因此，物联网终端控制短信的内容固定，统计下来就二十多条。

运营商制定了短信网关的接入协议，如中国移动的短信网关接入协议为 CMPP 协议。短信网关接入协议定义了连接建立、鉴权、发送短信、接收短信、接收状态报告等流程。为了适应各种短信应用场景，短信类型非常多，因此短信网关接入协议较为复杂。但对于物联网终端控制来说，场景单一，因此终端控制短信类型单一。

2.2 系统总体架构

基于终端控制短信具有内容固定、类型单一这两个特点， 运营商可引入终端控制公共服务平台，将控制短信的内容模板化，并提供终端控制 API，用户调用 API 就能对终端控制了。由于用户不能自定义短信，从而杜绝了广告类短信，避免了垃圾短信的产生。同时，终端控制服务平台以 API 的方式供用户调用，用户不再需要去熟悉和开发短信网关的接入协议，大大降低用户的开发难度。

整个系统由业务平台、终端控制公共服务平台、短信网关、短信中心、物联网终端组成。系统整体架构如图 1 所示。

业务平台可实现具体物联网业务，如车辆调度管理平台、 健康监控平台等，由物联网客户进行建设。业务平台通过互 联网与终端控制公共服务平台相连，通过调用终端控制公共服 务平台的 API 向物联网终端下发控制指令。API 的参数包括要 控制的终端号码和控制编号。 

终端控制公共服务平台是实现公共化终端控制服务的核 心平台，由运营商进行建设。平台对每一种终端控制进行编号， 保存控制编号与控制指令的对应表，对外提供 API。终端控制 公共服务平台收到业务平台提交的终端控制请求后，首先进行 鉴权处理，然后依据请求中携带的控制编号生成二进制的控 制短信，通过短信网关发送到物联网终端。

短信网关实现平台接入、短信路由、短信转发等功能。

短信中心负责将短信通过移动通信网下发到终端。

物联网终端收到控制短信后，进行发送号码和短信内容的比对及分析后，执行相应的动作。

2.3  物联网终端控制公共服务平台设计

终端控制公共服务平台为各物联网应用提供终端控制公共服务，在平台中存储各种终端控制指令及对应的控制编号。平台收到业务平台发来的控制请求后，从请求中提取出携带的控制编号，依据控制编号和控制指令的对应表生成相应的控制短信，然后发送给短信网关。终端控制公共服务平台分为界面层、业务层、接口层三层，平台架构如图 2 所示。

平台的主要模块如下： 

（1）用户管理 

对接入的用户（通常为集团用户）进行统一管理。记录用 户的基本信息，包括用户名称、用户代码、联系人、联系方式 等信息。 

（2）订购管理 

记录用户的订购时间、资费、订购方式等信息。 

（3）资费管理 

记录各资费的名称、资费代码、费率、计费方式等信息。 

（4）账号管理 

记录各用户的账号、用户名、密码、IP 地址、权限、对 应的用户代码等信息。 

（5）计费账务 

终端控制公共服务平台向各业务平台提供终端控制公共 服务，依据用户的使用进行收费。计费账务模块根据用户的订 购关系及使用情况，进行计费并生成账单。另外还提供历史 账单的查询和统计等功能。 

（6）控制编码管理 

存储各种终端控制指令及对应的控制编号。能进行控制 指令和控制编号的增加、删除、修改等。 

（7）鉴权管理 

记录各权限的范围，依据账号权限对 API 的使用进行鉴 权处理和权限控制。

（8）短信处理 

根据 API 请求中携带的控制编号，生成对应的控制短信。 通过短信网关接口发送给短信网关。 

（9）API 接口 

负责与业务平台连接，提供 API 的调用、鉴权等功能， 并提取 API 中携带的请求参数。

（10）短信网关接口 

用于平台与短信网关连接，将控制短信通过短信网关发 送到终端。 

（11）业务管理界面 

为业务管理人员提供业务操作和业务查看服务。 

2.4 平台的实施效果 

中国移动开发的物联网终端控制公共服务平台已经上线， 中国移动成为中国第一家提供终端控制公共服务的运营商。平 台目前已接入客户 11 家，终端数超过 10 万，月均控制终端次 数超过 30 万次。终端控制公共服务平台也取得了较好的应用 效果，大大降低了物联网应用的开发难度和开发时间，应用平 均开发时间由 2 个月降低到 2 周。同时，业务接入时间也大大 缩短，客户无需申请短信端口，客户从业务申请到完成接入， 时间从以前的 2 个月降低到 3 天。

3 结 语

运营商建设物联网终端控制公共服务平台，可以有效降 低物联网用户的开发成本和接入成本，同时也能从服务中获得 收益，取得良好的社会效益和经济效益。终端控制公共服务 平台有可能成为运营商在物联网领域一个新的业务发展方向。