面向物联网的分布式跨平台数据传输系统设计

第３７卷第３期　２０１５年３月　武汉工程大学学报　ＶｏＩ．３７　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０１５　Ｊ．　Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．　文章编号：１６７４—２８６９（２０１５）０３—００７４—０５　面向物联网的分布式跨平台数据传输系统设计　朱灿基１，２，卢　涛　ｔ一，冯　巩１，２，程时鹏１，２贺宏伟　，　１．武汉工程大学计算机科学与工程学院，湖北武汉４３０２０５；　２．智能机器人湖北省重点实验室（武汉工程大学），湖北武汉４３０２０５　摘　要：基于物联网的工业生产环境监控系统主要利用传感器实时感知和采集监测对象的信息，通过传感　器网络将这些实时数据汇聚到数据服务器．针对异构传感器组网中的跨平台数据传输问题，提出了面向物　联网的５层分布式跨平台数据传输框架。采用ＺｉｇＢｅｅ组成传感器网，开发传感器网数据协调器汇聚传感器　数据，利用ＴＣＰ／ＩＰ协议下的套接字技术实现数据的跨平台传输，网络层将传感器网采集到的实时监测数　据传输到数据服务器，提供监控对象的实时数据服务，在此基础上，实现了基于多监控指标安全阈值限定　的自动智能报警功能．设计的物联网数据传输系统已经应用到了工业环境监控领域，实现了监控对象的实　时数据采集和智能预警．　关键字：物联网；分布式；跨平台；无线传感器网络　中图分类号：ＴＢ３５　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—２８６９．２０１５．０３．０１５　０　引　言　物联网被誉为第ｉ次信息化浪潮的前沿，是　据获取的广泛性和实时性，引起了广大研究者的关　注．２０１２年中国科学院沈阳自动化研究所张晓　玲…在《无线传感器网络传输调度方法综述》一文　中以无线传感器网络传输调度算法为研究对象，　提出了解决网络调度的理论方法，但是已有的传输　调度理论和方法还不能完全满足实际问题的需求．　同年，中国矿业大学的韩忠＿２　在《基于ＺｉｇＢｅｅ的矿　井综采面无线传感器网络监测系统设计》中介绍　了对煤矿井下环境的传感器网络设计，解决了大量　监测点的无线组网问题，但是在数据传输的安全性　和实时性方面不能达到很好的预期．２０１　１年伍粤　山［３１在《智能家庭监控系统的设计与实现》中设计　基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的智能家庭监控系统，使得智能　家庭数字化、多媒体化、网络化。但是系统稳定性　也略有不足．　信息产业领域未来竞争的制高点和产业升级的核　心驱动力．２００９年总理在无锡考察时提出　“感知中国”，大力发展物联网事业，使中国在物联　网研究方面抢占先机．２０１４年出台《关于　加快发展生产性服务业促进产业结构升级调整的　指导意见》，提出“积极运用云计算、物联网等信息　技术，推动制造业的智能化、柔性化和服务化，促　进定制生产等模式创新发展”．物联网技术具有很　广阔的应用前景，涉及交通、物流、电力、市政、工　业、军事等领域．目前我国物联网技术仍处于起步　阶段，在物联网监控应用中，主要技术仍是对单点　或单种类型数据进行采集和传输，无法全面的监测　环境整体的状况．由于数据的欠采样和传输的延迟　而使监控预测出现较大的偏差．为了实现监控数　２００７年潘巨龙　在《无线传感器网络的异构　性研究》中采用分簇的方式，降低了网络整体平均　消耗能量，提高了网络的生命周期，但是异构传感　器网络环境下的低能量多协议协同的安全问题不　能得到保证，节点的能量消耗也过大．分布式的跨　据的综合采集和实时传输，满足对生产环境大数据　的实时分析和处理。采用异构性的分布式跨平台数　据传输系统。能够在传感器网络中根据不同地点的　多种传感器设备感知环境状态，并进行数据的实时　平台数据传输系统正是解决以上问题的方法之　一传输、分析和处理，让用户不论在何时何地都能够　第一时间掌控监控环境的状况．　分布式跨平台数据传输系统能有效的提高数　收稿日期：２０１５－０１—２２　基金项目：武汉工程大学校长基金项目（２０１４０６３）　，依据传感器层的数据获取、传输层和网络层的　数据传输、数据层及上层的数据应用和分析，实现　对环境的监控和预警．　作者简介：朱灿基（１９９２一），男，河南漯河人，研究方向：模式识别，图像处理．　通信联系人　７６　武汉工程大学学报　第３７卷　器，具有低成本、低功耗、高性能等优良品质．集成　了ＡＲＭ的Ｃｏｒｔｅｘ—Ａ８核，包含３２　ｋＢ／３２　ｋＢ　Ｉ／Ｄ　Ｃａｃｈｅ和５１２　ｋＢ的Ｌ２　Ｃａｃｈｅ，处理器最高可达到　运行频率１　ＧＨｚ．并采用６４位内部总线结构，具　有良好的外部存储器结构．这种优化的结构能够在　高端的通信服务中维持很高的内存宽带．Ｓ５ＰＶ２１０　处理器的结构图如图２所示．　图２处理器结构图　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　Ｌｉｎｕｘ内核系统作为软件开发平台，能够很好　的实现软件设计，同时还具有良好的可移植性、可　定制的特性以及开放源代码和价格低廉、功能强大　的优势核心．嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统是一种由裁剪过　的内核和根据需要定制的系统模块组成的小型操　作系统，主要由进程调度，内存管理，虚拟文件系　统，网络接口，进程间通信五个子系统构成．系统　带有一个完整的ＴＣＰ／ＩＰ协议，同时也支持其他许　多网络协议，是一个网络完备的操作系统．嵌入式　系统与通信、网络技术的结合使得网络通信有很高　的可靠性和稳定性，对于实时通信、低误码率的实　现有很高的可操作性．　３　软件系统　３．１　ＺｉｇＢｅｅ自组网　ＺｉｇＢｅｅ协议结构上可分为三个层次。即Ａｐｐｌｉ—　ｃａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌ、Ｚｉｇｂｅｅ　ｓｔａｃｋ　ｌｅｖｅｌ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌｉｎｋ　ｌｅｖｅｌ　三个层次．每一层为其上层提供特定的服务：即由　数据服务实体提供数据传输服务：管理实体提供所　有的其他服务．每个服务实体通过相应的服务接　入点为其上层提供一个接Ｅｌ，每个服务接入点通过　服务原语来完成所对应的功能．　ＺｉｇＢｅｅ模块是在ＩＥＥＥ８０２．１５．４规范及ＺｉｇＢｅｅ　协议栈Ｚ—Ｓｔａｃｋ规范下的无线通讯自组网的设计．　即协调器自动组网，终端节点自动人网。建立数据　通信后采用周期定时发送消息，实现数据的实时传　输．ＺｉｇＢｅｅ协调器和子节点的的软件流程图如图　３和图４所示．　图３　ＺｉｇＢｅｅ协调器流程图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　圈４　ＺｉｇＢｅｅ子节点流程图　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ　ＺｉｇＢｅｅ　ｃｈｉｌｄ　ｎｏｄｅｓ　３．２　网络通信　对于一个嵌入式设备网络，其中的监控主机多　采用Ｗｉｎｄｏｗｓ系列操作系统．而要实现嵌入式Ｌｉｎ．　Ｕｘ与监控主机进行跨平台通信时，采用Ｌｉｎｕｘ下用　Ｃ语言编程语言实现，Ｗｉｎｄｏｗｓ下使用Ｃ＃编程语　言实现．针对嵌入式设备通讯主要是发送接收一　些实时数据信息及指令，为保证实时性和稳定性．　选择一种可靠的面向连接服务的数据流套接字　（ＴＣＰ／ＩＰ协议），套接字的地址格式是一个ＩＰ地址　和一个端口号，它实现了网关与服务器的端到端的　通信．　Ｌｉｎｕｘ系统下Ｓｏｃｋｅｔ编程不同于Ｗｉｎｄｏｗｓ操　作系统下的Ｓｏｃｋｅｔ编程，但是它们都是基于ＴＣＰ／　ＩＰ协议下的Ｓｏｃｋｅｔ编程，都是网络协议传输层提　７８　武汉工程大学学报　第３７卷　Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　５　结　语　本文主要搭建了一个以无线传感器网络为数　据采集，网关传输，主服务器接收数据，Ｗｅｂ服务　器分析、处理、统计、显示数据的完整监控系统．本　设计以Ｓａｍｓｕｎｇ　Ｓ５ＰＶ２１０嵌入式微处理器为主控　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１２，　３３（５）：１４３～１５７．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［２］韩忠，王璐，周中阔．基于ＺｉｇＢｅｅ的矿井综采面无线传　感器网络监测系统设计［Ｊ］．煤矿机械，２０１２，３３（１）：　２５１－２５３．　ＨＡＮ　Ｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｌｕ，ＺＨＯＵ　Ｚｈｏｎｇ—ｋｕｏ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｉｎｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　单元。完成数据网络传输．以ＣＣ２５３０芯片设计的　ＺｉｇＢｅｅ模块和各传感器组成的无线传感器网为数　据采集系统．以Ｗｅｂ服务器为前端监控平台，对数　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｚｉｇｂｅｅ［Ｊ］．Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，　２０１２，３３（０１）：２５１－２５３．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　据进行处理分析、界面显示、预警等功能．共同协　调完成工业生产环境的监控功能．　［３］　伍粤山．智能家庭监控系统的设计与实现［Ｊ］．清远职　业技术学院学报，２０１１，４（３）：５５—６２．　ＷＵ　Ｙｕ—ｓｈａｎ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｆｕｌｉｆｌｌｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　致谢：　本文受到湖北省自然科学基金项目　ｈｏｕｓｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｉｎｇｙｕａｎ　Ｐｏｌｙ・　ｔｅｃｈｎｉｃ，２０１１，４（３）：５５—６２（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［４］　潘巨龙，闻育．无线传感器网络的异构性研究［Ｊ］．航空　（２０１２ＦＦＡ０９９，２０１２ＦＦＡ１３４，２０１３ＣＦ１２５，２０１４ＣＦＡ　计算技术，２００７，３７（２）：１２４—１２６．　ＰＡＮ　Ｊｕ－ｌｏｎｇ，ＷＥＮ　Ｙｕ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ　ｉｎ　１３０）；湖北省教育厅重点项目（Ｄ２０１４１５０５）、武汉　市科技攻关项目（编号：２０１３０１０６２０１０２１７）；武汉　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００７，３７（２）：１２４—１２６．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　工程大学科学研究基金：武汉工程大学校长基金　项目（２０１４０６３）；武汉工程大学研究生创新基金　（ＣＸ２０１３１０３，ＣＸ２０１４０８２）资助，在此表示衷心感谢．　参考文献　［５］朱小平，孙军，方彦军．一种嵌入式Ｌｉｎｕｘ与Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＪＶＭ通信实现［Ｊ］．微计算机信息，２００８，２４（１１）：３～５．　ＺＨＵ　Ｘｉａｏ—ｐｉｎｇ，ＳＵＮ　Ｊｕｎ，ＦＡＮＧ　Ｙａｎ－ｊｕｎ．Ａ　ｃｏｍｍｕ—　ｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｌｉｎｕｘ　ａｎｄ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　［１］张晓玲，梁炜，于海斌，等．无线传感器网络传输调度　方法综述［Ｊ］．通信学报，２０１２，３３（５）：１４３—１５７．　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｌｉｎｇ，ＬＩＡＮＧ　Ｗｅｉ，ＹＵ　Ｈａｉ－ｂｉｎ，ｅｔ　ａ１．　ｕｓｉｎｇ　ＪＶＭ［Ｊ］，Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２００８，２４　（１１）：３—５．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｃｒｏｓｓ－ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ　ＺＨＵ　Ｃａｎ－ｊｉ１，２　ＬＵ　Ｔａｏ　一．ＦＥＮＧ　Ｇｏｎｇ１，２，ＣＨＥＮＧ　Ｓｈｉ－ｐｅｎｇ１，２。ＨＥ　Ｈｏｎｇ—ｗｅｉ　’　１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３０２０５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈｕｂｅｉ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｒｏｂｏｔ（Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），Ｗｕｈａｎ　４３０２０５，Ｃｈｉｎａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ［ｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｔｏ　ｐｅｒｃｅｉｖｅ　ａｎｄ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｉｎ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅｓｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｄａ—　ｔａ　ａｒｅ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｄ　ｔｏ　ｄａｔａ　ｓｅｒｖｅｒ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ—ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅ　ｆｉｖｅ　ｌａｙｅｒ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｃｒｏｓｓ—ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｆｏｒ　ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｒｉｅｎｔ—　ｅｄ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ　ｔｏ　ｃｏｎｖｅｒｇｅ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｄａｔａ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＺｉｇＢｅｅ　ｔｏ　ｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｓｏｃｋｅｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ＴＣＰ／ＩＰ　ｐｒｏｔｏ—　ｃｏｌ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ－ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｎｅｘｔ，ｔｈｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｒｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｌａｙｅｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｓｅｒｖｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｌａｙｅｒ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ—　ｔｉｍｅ　ｄａｔａ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｂｊｅｃｔ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ａｌａｒｍ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｌｉｍｉｔ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｒｅａｌ——ｔｉｍｅ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ａｌａｒｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｂｊｅｃｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ；ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ；ｃｒｏｓｓ—ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　本文编辑：陈小平