1.緒論

　　三網(wǎng)融合，指的是將無線傳感網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)(Internet)、移動(dòng)3G網(wǎng)這三種網(wǎng)絡(luò)融合在一起。無線傳感網(wǎng)絡(luò)，即由隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。Internet是一組全球信息資源的總匯。有一種粗略的說法，認(rèn)為INTERNET是由于許多小的網(wǎng)絡(luò)(子網(wǎng))互聯(lián)而成的一個(gè)邏輯網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)中連接著若干臺計(jì)算機(jī)(主機(jī))。Internet以相互交流信息資源為目的，基于一些共同的協(xié)議，并通過許多路由器和公共互聯(lián)網(wǎng)而成，它是一個(gè)信息資源和資源共享的集合。移動(dòng)3G網(wǎng)，即利用第三代移動(dòng)通信技術(shù)形成的網(wǎng)絡(luò)。第三代移動(dòng)通信技術(shù)(3rd—generation，3G)，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps以上。目前3G存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。3G時(shí)代即將到來，由最新的無線寬帶上網(wǎng)到手機(jī)電視、視頻通話、手機(jī)網(wǎng)游等應(yīng)用越來越多。

　　在無線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)嘲同應(yīng)用快速發(fā)展的趨勢下，本文提出了一套基于三網(wǎng)融合的感知與控制物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)，該架構(gòu)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接終端節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行感知與反饋控制；基于Internet，通過B/S模式，提供對系統(tǒng)的訪問和控制；基于移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)，提供手機(jī)等手持終端對系統(tǒng)的訪問和控制。

    2.系統(tǒng)的整體框架

　　系統(tǒng)通過融合物聯(lián)網(wǎng)、Internet、移動(dòng)3G網(wǎng)這三網(wǎng)，旨在開發(fā)一個(gè)通用、方便、快捷的物聯(lián)網(wǎng)感知與控制平臺。該平臺允許用戶隨時(shí)隨地訪問系統(tǒng)，獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反饋控制。

　　系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、手持終端組成。無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括采集節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)(SINK)，完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集和反饋控制；服務(wù)器中的Web服務(wù)器和客戶端瀏覽器組成B/S結(jié)構(gòu)，Socket服務(wù)器與手持終端組成C/S結(jié)構(gòu)，兩者都可以完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顯示、發(fā)起反饋控制等操作，手持終端可以采用Android平臺。本系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架如圖l所示：

圖1 基于三網(wǎng)融合的感知與控制物聯(lián)網(wǎng)平臺的整體框架

　　系統(tǒng)可以劃分為幾個(gè)模塊：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)服務(wù)器；Web服務(wù)器(包括Socket服務(wù)器)以及手持終端。平臺將無線傳感網(wǎng)絡(luò)、Internet、移動(dòng)3G網(wǎng)這三網(wǎng)融合，將無線節(jié)點(diǎn)與PC、移動(dòng)手持終端連接到一起。該平臺既可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測環(huán)境信息或設(shè)備狀態(tài)，在手持終端或Web服務(wù)器等處獲取得到的監(jiān)測信息；也可以從手持終端或Web服務(wù)器等處，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反饋控制。

　　3.系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流

　　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)流和反饋數(shù)據(jù)流，本節(jié)描述監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)流以及反饋數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)流的過程。

　　3.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)流

　　監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)流如下：由無線傳感網(wǎng)絡(luò)的采集節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送到匯集節(jié)點(diǎn)(可能會(huì)通過中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā))，然后由匯集節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器每隔一定的時(shí)間，將當(dāng)前時(shí)間間隔內(nèi)收到的數(shù)據(jù)打包后，發(fā)送到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器會(huì)將數(shù)據(jù)保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)還會(huì)向Socket服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包讓手持終端也能夠接收到即時(shí)數(shù)據(jù)并顯示。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)活動(dòng)的過程如圖2所示：

圖2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)活動(dòng)圖

　　3.2 反饋控制數(shù)據(jù)流

　　反饋控制數(shù)據(jù)流如下：反饋控制可以由手持終端發(fā)起，也可由是瀏覽器端發(fā)起，所有反饋指令匯集到Web服務(wù)器(若是手持終端發(fā)起的反饋控制，先通過Socket服務(wù)器向Web服務(wù)器請求指令信息，然后手持終端選擇反饋指令發(fā)送給Web服務(wù)器)，最終由Web服務(wù)器在數(shù)據(jù)服務(wù)器通過Http協(xié)議向其post數(shù)據(jù)時(shí)，將所有反饋指作為返回值發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，然后由數(shù)據(jù)服務(wù)器通過串口發(fā)送給匯集結(jié)點(diǎn)(Sink節(jié)點(diǎn))，匯集節(jié)點(diǎn)通過無線模塊發(fā)送反饋指令，采集節(jié)點(diǎn)收到反饋指令后，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)I后執(zhí)行反饋操作。反饋數(shù)據(jù)活動(dòng)的過程如圖3所示：

　　收到反饋指令后，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)ID后執(zhí)行反饋操作。反饋數(shù)據(jù)活動(dòng)的過程如圖3所示：

圖3 反饋控制活動(dòng)圖

　　4.各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)

　　4.1 手持終端模塊的設(shè)計(jì)

　　手持終端在這個(gè)系統(tǒng)中的作用，是讓用戶可以隨時(shí)隨方便地訪問系統(tǒng)，并可以完成可以獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、執(zhí)行反饋控制等基本操作。

　　根據(jù)手持終端的功能，結(jié)合Android平臺的特點(diǎn)，可以劃分出下面幾個(gè)相對獨(dú)立子模塊：與服務(wù)器通信模塊，負(fù)責(zé)與Socket服務(wù)器通信，相當(dāng)于一個(gè)SocketClient；后臺通信服務(wù)模塊，負(fù)責(zé)控制與服務(wù)器的通信，并通過廣播，協(xié)調(diào)其余各個(gè)模塊的運(yùn)行； 數(shù)據(jù)顯示模塊，負(fù)責(zé)即時(shí)顯示各種數(shù)據(jù)信息；用戶登入/登出模塊，負(fù)責(zé)用戶登入，登出服務(wù)器；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)信息；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，負(fù)責(zé)給用戶提供查詢歷史數(shù)據(jù)的功能；反饋控制模塊，負(fù)責(zé)發(fā)起反饋控制。手持終端各個(gè)模塊間的通信如圖4所示：

圖4 手持終端各個(gè)模塊間的通信

　　各個(gè)模塊間需要通過通信來相互協(xié)作，從而順利地完成手持終端的各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)。如下圖所示，手持終端的七個(gè)子模塊緊密聯(lián)系，其中最核心的模塊就是后臺通信服務(wù)模塊，它的作用相當(dāng)于一個(gè)主控模塊，由它負(fù)責(zé)控制與服務(wù)器的通信，并通過廣播，協(xié)調(diào)其余各個(gè)模塊的運(yùn)行。

　　4.2 服務(wù)器的設(shè)計(jì)

　　基于三網(wǎng)融合的感知與控制物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務(wù)器可以劃分為Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，其中Web服務(wù)器包括Socket服務(wù)器。

　　Web服務(wù)器是系統(tǒng)的一個(gè)樞紐，其與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行通信，并可以讓用戶通過瀏覽器端或是手持終端來訪問系統(tǒng)，包括獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、發(fā)起對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的反饋控制；并允許管理員通過瀏覽器端來管理系統(tǒng)，包括管理系統(tǒng)用戶、數(shù)據(jù)庫等。Web服務(wù)器包括以下主要功能：與數(shù)據(jù)服務(wù)器通信，處理數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)；匯集需要執(zhí)行的反饋指令(來自瀏覽器端和手持終端)，發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器；數(shù)據(jù)庫的管理和維護(hù)；將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)廣播到各個(gè)網(wǎng)頁端，并在頁面繪出實(shí)時(shí)曲線圖；控制Socket服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)與手持終端數(shù)據(jù)交互；管理Web頁面的用戶交互。對應(yīng)這些功能可以劃分相應(yīng)的Web服務(wù)器的模塊。

　　數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)對無線傳感網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，即接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的匯集節(jié)點(diǎn)發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)驗(yàn)證、解析并組織溫度數(shù)據(jù)；同時(shí)，數(shù)據(jù)服務(wù)器也負(fù)責(zé)與Web服務(wù)器進(jìn)行通信，即將溫度數(shù)據(jù)打包發(fā)送至Web服務(wù)器，同時(shí)接收Web服務(wù)器發(fā)送的反饋指令，并發(fā)送到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的匯集節(jié)點(diǎn)。

　　4.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)由隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外等信號，從而探測包括溫度、濕度、光強(qiáng)度、加速度等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。同時(shí)，除了可以監(jiān)測環(huán)境信息或設(shè)備狀態(tài)，該無線傳感網(wǎng)絡(luò)也可以對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反饋控制。

　　基于三網(wǎng)融合的感知與控制物聯(lián)網(wǎng)平臺的無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括采集節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)。具體工作過程可以通過采集節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到匯集節(jié)點(diǎn)，并通過匯集節(jié)點(diǎn)傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器；同時(shí)匯集節(jié)點(diǎn)從數(shù)據(jù)服務(wù)器接收反饋信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將反饋信息傳送到采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證反饋指令，然后對執(zhí)行需要執(zhí)行的反饋指令。中繼節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)設(shè)定，轉(zhuǎn)發(fā)收到的特定無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，從而提高無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

　　5.總結(jié)

　　本文通過三網(wǎng)融合，構(gòu)建了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，使用戶可以方便、快捷地對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控和反饋控制。該系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行反饋控制，用戶可以通過Web方式或是通過基于Android的手機(jī)平臺方式，來訪問系統(tǒng)，獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，也可以對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反饋控制。本系統(tǒng)提供Web方式和通過基于Android的手機(jī)平臺方式對系統(tǒng)的訪問，用戶可以方便、快捷地監(jiān)控?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)、進(jìn)行反饋控制。系統(tǒng)集成了無線通信、數(shù)據(jù)處理、傳感器模塊的微小節(jié)點(diǎn)分布在不同的地方來獲取數(shù)據(jù)、收集信息的，這些微小節(jié)點(diǎn)體積小、易于安裝，對環(huán)境要求很低，因此用它們來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集十分方便，可以省掉很多不必要的工作。本系統(tǒng)中的微小節(jié)點(diǎn)功耗非常小，對環(huán)境要求低、適應(yīng)性很好，它們既可以接外接電源也可以獨(dú)立電池供電。同時(shí)，因?yàn)楸M可能簡化了節(jié)點(diǎn)的處理，使得將來可以用更簡單、低功耗的節(jié)點(diǎn)來代替現(xiàn)有的通用節(jié)點(diǎn)，提高節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。

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本文標(biāo)題：基于三網(wǎng)融合的感知與控制物聯(lián)網(wǎng)平臺的構(gòu)架

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