物联网实训室设备综合应用平台设计

引言

物联网系统架构分为感知层、网络层与应用层 [1]。其中， 感知层涉及各种各样的传感器、控制设备等，应用层实现实际应用的各种逻辑。这两层涉及多个厂商、平台的衔接，实现起来非常繁琐。为解决上述问题，本文拟在物联网系统分层基础上进行二次分层设计，把物联网采集数据的过滤功能与处理功能从物联网第三层的应用层拆分出来，形成一套可在各种设备与多种平台上通用的接口与平台，屏蔽底层技术差别，便于上层应用集中于服务开发，实现与底层的低耦合， 降低物联网系统开发难度，增强应用的可复用性，缩短应用层开发周期，节约开发成本，提高应用开发质量。

1 平台总体设计

1.1 设计概述

物联网设备综合应用平台技术上应具备三个特征 ：一是全面感知，即利用气体传感器、温湿度传感器、光敏传感器、人体传感器、门磁传感器、心跳传感器等各种传感器随时随地获取物体的各方面信息 ；二是可靠传递，通过各种 WiFi、UWB、蓝牙、红外、ZigBee、LoRa、NBIoT 等传感网络与互联网衔接，将传感器采集到的信息以合适的能耗与方式传递出去 ；三是智能处理，利用各种数据处理技术，对采集并传递过来的数据与信息进行分析、统计及处理，为应用层提供相应接口与信息数据，方便应用层的开发与智能控制实现。

三个层次分工合作，才能充分发挥物联网的功能。本文主要针对物联网设备综合应用进行平台设计，解决底层感知因节点变化带来的应用开发复用性能降低的问题，做到每个底层采集数据精益求精与数据接口统一性，从而使物联网具体应用更具易分解化、可操作化、智能化。

本文设计基于物联网设备综合应用平台技术的设计理念，通过接口与规范的标准化，对感知层各种设备获得的不同结构与含义的数据进行汇集与规范，将这些数据转化为统一格式的数据，供上层应用使用，响应上层的应用服务调度， 并将其转化为不同控制器节点可理解与执行的指令。

1.2 总体架构图

物联网设备综合应用平台包括驱动接口、数据处理接口、通信接口、应用服务接口四个接口设计。其中，驱动接口是控制底层设备运行的接口 ；数据处理接口对底层感知设备采集数据进行过滤整合 ；通信接口是底层设备与网关和应用服务进行数据信息传递的接口通道 ；应用服务接口则专门负责用户对设备的控制。将物联网设备综合应用平台进行细致的端口功能分割，便于开发及后续维护工作，减少开发风险， 提高物联网应用的可扩展性，总体架构如图 1 所示。

图 1 平台总体架构图

1.3 物联网设备综合应用平台接口

物联网设备综合应用平台提供四个接口，每个接口负责相应的功能，彼此间协调共进、相互合作，达到对底层信息数据的处理与整合，供于顶层应用数据调度与指令发送，降低顶层应用因底层传感器节点类型与数量变化带来的影响。驱动接口 ：感知层是物联网的皮肤和五官，用以识别物体、采集信息，而驱动接口实现通过应用层将指令进行统一格式处理，再转化为不同设备相应的可接收处理的指令信息数据， 从而实现控制底层设备器件的运作，避免不同设备对顶层应用带来的兼容问题。数据处理接口 ：感知层主要承担采集数据信息的工作，将环境、物体参数等信息根据不同的技术使用不同协议，转化为具有不同结构的数据，数据处理接口的主要任务是将这些异构数据经过滤、整合，转换为可供上层应用使用的具有统一格式的虚拟信息 [2]。通信接口 ：由于不同设备的通信协议可能不同，为解决通信协议带来的信息传输问题，通信接口实现将各种设备通信协议进行统一格式化， 供于顶层应用，同时又将应用层指令再次进行处理，转化为相应设备可接收的协议标准信息，利用通信接口解决应用层与底层设备通信协议不统一的问题，方便指令、数据的交互传递。应用服务接口 ：物联网服务平台需向后台服务提供统一的信息数据调度机制，即应用服务接口，应用服务接口主要实现对不同设备的节点与任务进行管理，实现对不同节点间设备与任务进度的调度，增强用户对设备任务的管理能力。

2 接口设计

2.1 驱动接口设计

一个驱动程序可对应一种设备，也可对应一类设备，但不同厂家的通信设备都有不同程度的支持类型（如支持 3 号或 16 号指令），凡支持该协议的设备都可通过同一个设备驱动进行访问控制，唯一不同的是设备地址、数据类型、起始地址与数据长度等参变量，因此为改变不同设备通信支持带来的问题，根据实际需要，进行相应配置即可。驱动接口设计包括驱动配置信息接口、驱动信息头及驱动控制接口。

2.1.1 驱动配置信息

鉴于不同设备参数信息不同，如果不统一格式进行设计编辑，将会给后期开发与升级带来不必要的麻烦，因此驱动配置信息接口主要用于定义不同设备节点的参数信息，方便对各节点设备进行管理。

2.1.2 驱动信息头

通过定义驱动信息头，进一步将不同设备进行定义，主要设置特殊的信息配置用于任务调度配置，降低设备类型差异带来的影响，同时极大地方便驱动器件设备运作。

2.1.3 驱动控制接口

通过前面两步的驱动信息配置基础，定义好设备相关信息后，还需对驱动事件进行统一定义，实现应用层按照预定指令控制设备节点运作。驱动控制接口是实现不同节点间按照预定设置模式工作的必要编程之一。

2.2 数据处理接口

物联网应用信息数据处理关系到底层与应用层的交互，在底层节点采集数据会产生大量冗余信息，对整个系统非常不利，为此专门设计数据处理接口，用于处理、整合、采集并优化信息，提高系统处理效率。数据处理接口包括数据过滤接口与数据汇集接口。

2.2.1 数据过滤接口

物联网冗余信息包括短时间同一设备对一个数据进行的大量重复上报信息与多台临近设备对相同数据上报的信息。除了这两种情况，很多情况下用户还可能希望得到某些特定信息。用户在使用数据时，希望尽可能减少冗余，尽量得到精度合适的数据，涉及过滤接口的设计。去重过滤接口，可消除采集产生的大量冗余数据，优化采集数据质量 ；事件过滤接口，主要实现对节点活动管理与优化，降低节点活动对数据采集的干扰 ；节点过滤接口，由于使用不同通信技术的节点会将数据读取成不同的格式，每一种格式数据可反映相应的节点信息。设计其算法为 ：由用户定义一个标签码模式， 规定需要选出的类型，每当读取到一个标签时，将该标签码与标签码模式进行匹配，若匹配则输出该标签，否则过滤 [3]。

2.2.2 数据汇集接口

传感层采集到的数据经过滤接口处理后不能直接使用， 需将简单零散的数据处理为有价值的信息，若不对数据进行汇集，那么这些单一数据不能提供任何信息量，因此必须有相关的数据汇集接口。数据汇集接口涉及节点的进入与离开， 节点进入后判断是否有权限进入操作数据。若是，则进行数据汇集处理 ；若否，则直接退出。若节点离开则退出处理。

2.3 通信接口

物联网不同设备之间的通信协议标准有可能不同，例如， 其中一些以 WiFi 协议通信，一些以 ZigBee 协议通信，因此必须将不同的设备通信协议转换成统一格式反馈回应用层， 再由应用层回馈设备综合应用平台转换成各设备能接受的通信协议，通信接口则用以解决不同通信协议间的互动问题， 同时也为信息数据传输提供必要的基础。通信接口包括通信方式类接口和通信设备类接口。

2.3.1 通信方式类接口

通信方式类接口主要记载设备通信协议，方便中间件转换成统一标准协议与应用层互动，应用层指令传送转化成设备可接收的协议标准，为应用层与底层节点件操控互动提供便利。

2.3.2 通信设备类接口

通信设备类接口的主要功能是实现网关与节点间通信的关键定义，进一步将节点通信协议方式做细分化，实现节点对节点、节点对网关的信息联络。

2.3.3 通信数据读 / 写内存接口

通信数据读内存接口与数据写内存接口相同，通信数据操作接口封装到通信数据读 / 写内存操作类接口中，通信与相关应用程序只需将相关信息进行存储，就可用此接口对内存进行操作保存信息数据，进一步优化代码，实现代码共用。

2.4 应用服务接口

物联网应用信息人机交互需要涉及后台服务，因涉及设备种类广、事件任务多，为方便管理，必须按照一定的标准规范进行设计，将不同节点的信息进行分离，实现物联网服务人性化理念，同时也方便后台对事件任务调度管理。应用服务接口包括设备描述接口与服务描述接口。

2.4.1 应用设备描述接口

设备描述与服务描述直接引用 UPNP 规范。宣告部分的 Location 设备描述文件网址，该网址使用 XML 文件格式， 编码格式统一使用 UTF-8。设备描述文档由子网关节点及其子设备节点组成。子网关节点包含基本属性节点、服务列表节点及子设备列表节点。子设备节点存放于子设备列表中， 每个子设备节点包含基本属性节点与服务列表节点，基本属性节点与服务列表节点在子网关与子设备中相同。

2.4.2 应用服务描述接口

设备服务描述程序由控制列表及服务状态列表组成，定义该设备支持的动作命令接口信息、该设备提供的服务状态变量以及是否可被事件订阅。

3 应用场景

3.1 智能家居

智能家居的设备综合应用平台将不同类型的网上家电设备联接，实现对各种仪表信息的获取并发送相应指令 [4]。智能网关通过互联网将仪表信息汇集到内部设备综合应用平台软件，设备综合应用平台对汇集的各种信息进行分析处理， 形成有效数据信息，从而支撑智能家居系统。用户可根据需要通过终端系统发送指令到设备综合应用平台，将信息处理转送到相应的家庭网络，达到对智能家电的远程操作控制。

3.2 智慧农业

智慧农业设备综合应用平台数据处理接口将感知层采集的数据进行过滤整合，得到能够供用户层使用的信息数据， 经通信接口用户层得到数据后发送用户控制指令，由于底层设备的差异，用户指令并不能直接操控底层设备，需通过平台转化成各设备对应的可执行的通信指令，再由设备综合应用平台层控制设备。设备综合应用平台层将不同通信协议类型的设备联接起来，实现对仪表信息的互动与控制，降低底层设备的差异，提高用户层的可靠性、可维护性及可扩展性。

3.3 智能交通

智能交通是一个优质、便民、安全的绿色城市生活环境， 随着物联网的推广，智能交通越来越便于市民出行。所有智能交通的实现都离不开设备综合应用平台，智能交通管理道路控制并不是单一的几个点，而是众多点，平台核心就是将底层各节点设备相关联与应用互动，解决众多节点带来海量数据的冲突干扰，实现一个指挥中心即可监控、操控多个道路。经设备综合应用平台对静态交通地理信息、管理信息、动态交通信息等融合处理后，将信息储存成综合交通信息数据库的主要内容，使所有信息通过数据访问平台实现管理， 为应用提供统一数据管理接口 [5]。

3.4 智能仓储

对于智能仓储设备综合应用平台，服务器的实现是整个仓储管理的重要环节。相对于 RFID 有较多不同的工作频率， 包括 125 kHz，13.56 MHz，869 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz 等， 不同使用频率的工作环境不同，此外还有一些其他通信协议的设备。为降低设备差异性对顶层应用带来的可靠性影响， 设备综合应用平台必须具备对不同通信节点设备进行统一化处理，将各节点数据转化成统一通信格式供数据库服务器处理，以及将用户指令转化为各节点设备可执行指令的能力。因此，智能仓储管理引用设备综合应用平台这一软技术，使得上层应用无需直接面对底层架构，而通过设备综合应用平台进行调用，增强应用服务的可复用性。

4 结 语

本文设计的物联网设备综合应用平台可以克服传统物联网系统存在的各种问题，提高可复用性，规范用户操作接口， 提高开发效率，具备可期的发展与应用价值。