一 ……堡……皇…一照 Ｊ｛ＡＮ ＣＯＭ ＵＴ鲢 基于物联网的环境监控系统研究 吴军，王东，陈笑雷，张吉祥 （无锡职业技术学院江苏无锡２１４１２１） 【摘要】：本文提出了一种三级物联网精细化环境监控系统整体架构，该架构体系充分利用现有 各级各类物联网应用系统现场设备感知数据，通过中间件提取有效信息，存入分布式数据库中，并对外 提供统一的服务接口。文章重点介绍了为验证体系结构可行性而制作的原型系统，并剖析了串行网络 转换为ＩＰ网络和基于ＷＣ１ａ的数据操作服务两项重点关键技术。 【关键词】：物联网；环境监控系统；中间件；通信应用程序接口 随着生活水平的提高，人们越来越追求健康积极 家畜水产养殖等方面；ＧＰＲＳ传输网络多应用在山体 的生活方式，要么走遍名山大川、饱览壮丽河山，要么 滑坡监测、桥梁检测、移动运输监测等方面；ＩＰ传输网 娴静舒适的生活，运动、健身、贴近自然，都让我们越 络多应用在音视频监控等方面。第二级网关中间件层 来越关心周边的生活环境，特定地点的温度、湿度、噪 主要实现多网融合，包括各类数据处理中间件、查询 音指数、ＰＭ２．５等环境参数如何，适合出游否？而国家 中间件和公共服务接口等。数据处理中间件主要是针 发布的相关环境信息都是相对一个比较大的区域而 对现场层不同技术传来的不同应用系统数据，经过筛 言的，有很好的参考价值，但真正用起来还不够精细。 选、过滤、处理成为统一类型数据，并通过数据库操作 ２００９年以来，随着物联网的发展，智能家居走入千家 服务接口，存入分布式核心数据库。查询中间件是针 万户、智能小区遍地开花、智慧城市试点广泛，这些 对各种数据查询处理终端而提供的专有应用系统数 “智能”、“智慧”、“物联网”等，都意味着现场的各级各 据的查询服务接口。公共服务接口特指由国家发布或 类传感器，遍布在角角落落，针对这种情况，本论文设 公共团体发布的可信数据的统一对外查询服务接口。 计一种三级物联网精细化环境监控系统架构体系，并 第三级为后台数据系统层主要包括数据库操作服务、制作原型系统ｌｌ１。 一数据库查询服务和数据库，完成数据的物理存储和为 安全保密服务而设的各类操作和查询服务功能。通过 一…●……一一一…… …一一……一一●－、…一一－●环境监控系统架构体系 …●…＿ ＿一这个整体架构，用户如果要去江苏省无锡市锡惠公园 游玩，只需要在地图上选中该地区，该区域相关的环 ；数据库操作服务中 数据辛 ’ｉ．● ｌ＿— 数据中一，数 ｔ ＆节； 茹磊 系统 ＋ ‘ Ｊ ｔ 境信息都显示出来。这些环境信息都来自哪里？公园 区域乃至周边区域都有各种物联网应用子系统，这些 子系统中涉及到大量感知环境参数的传感器比如图 像传感器（摄像机、噪声传感器、温湿度传感器），传感 器感知到的信息，通过子系统，转发到数据处理中间 ｉ ● ｌ 。 ＋ ０ 千 ＩＩ， 千 网关 ｌ数据处理中间件 数据处理中问件 数据处理中间件Ｉ 询中间件Ｉ公共服务接口Ｉ ｙ、： ：Ｅ 现场 黧 ： 薹到 件，最后有效信息存储进入核心数据库；当用户查询 该地区某特定地点环境信息时候，系统自动通过查询 中间件，调取就近区域的非涉密区域的实时图片、噪 三级物联网精细化环境监控系统整体架构体系 声、温湿度等信息，从而满足用户的精细化查询需求； 包括现场应用系统层、网关中间件层和后台数据系统 如果查询的是该特定地点的ＰＭ２．５，只需要直接调用 层，具体如上图所示。第一级现场应用系统层包括各 临近区域的ＰＭ２．５监测站的检测值即可，这些检测值 级各类物联网应用子系统：ＺｉｇＢｅｅ无线传输网络应 由国家网站统一提供服务接口，供调用。该系统架构 用、ＧＰＲＳ传输网络应用、ＩＰ传输网络应用系统等。 的优点：１）充分利用现有物联网应用子系统现场感知 ＺｉｇＢｅｅ无线传输网络多应用在花草农产品种植现场、 信息，避免了部分重复建设问题；２）各种中间件解决 ２ｏ１３年第１１期ｌ福建电脑 ・１４５・ …………… …一… 逼｜ＵＪｉＡ 嘉 器 接口数据进行监听；对于串口与网口之间的数据协议 １）中断触发，是一种软件机制，是串口／网口自动 了现场不同技术不同传输方式不同类型数据的问题， 据的分析处理和在应用乃至决策，提供了现实基础； 提供给了后台核心数据库一致类型的数据，为后续数 转换，则通过消息机制完成串口与网络数据的联动。３）该系统架构为统一窗口的用户服务提供了可行性， 监测是否有数据，若有数据则发出一个信号，通知主 用户再也不必为出行，查找多个应用平台信息而烦恼 程序接口状态变化。中断触发机制，系统不需要定时 检查接口状态，可以利用ＱＴ信号与槽机制及网络库 了，一个平台一站式解决闭。 二、环境监控原型系统 文件，在串Ｅ３／网口有数据到来的情况下发送一个内部 为了测试三级物联网精细化环境监控系统架构 信号，在串口与网口之间建立桥梁，方便数据格式转 体系的正确性，专门制作了环境监控原型系统，如下 换。 图所示。该系统现场层包括由温湿度、噪声等感知节 点组成的ＺｉｇＢｅｅ网络和由ＩＰ摄像机组成的ＩＰ网络。 其中，ＺｉｇＢｅｅ网络由协调器管理，其对外接口为串口； ＩＰ网络对外接口为网口。网关层包括摄像机操作中间 件，主要完成对摄像机操作函数的封装；嵌入式网关 主要实现把串行网络转换为ＩＰ网络。后台数据层包 括数据库和数据操作服务中间件。本原型系统的关键 技术在于串行网络如何转换为ＩＰ网络以及基于ＷＣＦ 的数据操作服务部分［３】。 网关层 图２原型系统结构图 １、串行网络转换为ＩＰ网络 串行网络转换为ＩＰ网络的网关以ＡＲＭ ９为硬件 平台，采用定制Ｌｉｎｕｘ作为底层操作系统，使用ＱＴ实 现应用开发。Ｌｉｎｕｘ系统负责硬件设备管理、任务调 度、文件管理、资源管理等工作；ＱＴ实现串口数据读 写、网络数据读写以及数据格式协议转换、用户交互 等应用。 网关主要功能是串口数据读写、网络数据读写以 及数据格式协议转换。对于串口、网络接口数据读写， 考虑到监听的方式通常有触发方式和轮询方式，而中 断触发方式相较轮询而言是一项主动的操作，其只有 在捕获到状态信号时才会调用相应程序对接口数据 进行处理，它不需要相轮询一样一直占用系统资源。 而嵌入式设备资源本身有限且外部数据也具有非连 续的特点，所以采用中断触发方式实现对串口和网络 ・１４６・ 福建电脑ｌ ２０１３年第１１期 ２）消息机制 消息一般是指软件设计的对象之间传递信息的 方式，这些信息可能是对象的标识，也可能是对象的 成员信息；串口与网络数据联动采用的消息机制特指 网关内部不同功能程序模块之间的信息传递与处理 方法。 ２、基于ＷＣＦ的数据操作服务 ＷＣＦ（Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ１是由 微软开发的一组数据通信的应用程序开发接口，是一 种面向服务的通信接口。ＷＣＦ本质上提供了跨进程、 跨机器乃至跨网络的服务调用。 ＷＣＦ服务不能孤立地存在，需要寄宿于一个运行 着的服务管理程序中。承载ＷＣＦ服务管理的进程称 为宿主，为服务指定宿主的过程称为服务寄宿。原型 系统是通过自我寄宿（Ｓｅｌｆ—Ｈｏｓｔｉｎｇ）的方式创建一个 Ｗｉｎｄｏｗｓ服务管理程序作为服务的宿主；人机交互终 端是另一个ｗｉｎｄｏｗｓ应用程序。基于ＷＣＦ的数据操 作服务主要包括两个部分，分别为服务应用程序（Ｓｅｒ— ｖｉｃｅ）、宿主（Ｈｏｓｔ），而人机交互终端实际上是调用服 务的客户端（Ｃｌｉｅｎｔ）。如下图３所示。 服务应用程序Ｓｅｒｖｉｃｅ：由服务契约（ＩＳｅｒｖｉｃｅ１．ｃｓ）、 服务实现ｆＳｅｒｖｉｃｅ１．ＳＶＣ．ｃｓ）、和ａｐｐ．ｃｏｎｆｉｇ文件三部分 组成。提供服务接口源。设计者主要完成在服务契约 （ＩＳｅｒｖｉｃｅ１．ＣＳ）中设计程序功能接口函数；在服务实现 ｆＳｅｒｖｉｃｅ１．ＳＶＣ．ｃｓ）类中实现接口函数。而配置文件不用 改变。 宿主Ｈｏｓｔ：配置服务，并发布服务。设计者主要完 成配置服务基地址、绑定通信模式和服务约定的接 口；并用服务类实例化宿主，打开服务宿主。具体服务 宿主的Ａｐｐｃｏｎｆｉｇｕｒｅ文件中关键配置代码如下： ＜ｓｅｒｖｉｃｅ ｂｅｈａｖｉｏｒＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ＝”ＮｅｗＢｅｈａｖｉｏｒＯ”ｎａｍｅ＝” ＷｃｆＤＢＯｐｅｒＳｅｒｖｉｃｅ．Ｓｅｒｖｉｃｅ１”＞ ＜ｅｎｄｐｏｉｎｔ ａｄｄｒｅｓｓ：… ｂｉｎｄｉｎｇ＝”ｂａｓｉｃＨｔｔｐＢｉｎｄｉｎｇ” ｂｉｎｄｉｎｇＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ＝”” （下转第１７１页） ……一～………一… 一 一…．．～一一 提供了大约一百多个具有多媒体处理能力的ＡＰＩ函 ＭＨＰｉｃｔｕｒｅ．ＶＢＸ（ＭｉｃｒｏＨｅｌｐ公司）；支持图形、图像、文字 数，其ＭＣＩ函数提供了与设备无关的程序接口，应用程 播放效果的ＦＸＩｍａｇｅ．ＶＢＸ、ＦＸＬａｂｅ１．ＶＢＸ；支持ｍｏｖ视 序可以通过ＭＣＩ命令访问符合ＭＣＩ控制标准的多媒 频播放的ＱｔＭｏｖｅ．ＶＢＸ、ＱｔＶｉｅＷ．ＶＢＸ。 体设备，ＭＣＩ接口覆盖了多媒体的主要领域，因此可以 四、结束语 满足大多数应用系统的开发需要。由于ＭＣＩ的设备无 多媒体创作系统的开发与通常的应用系统开发 关性，更换设备时只需更换ＭＣＩ驱动程序，无需了解每 有一定的差异，既要有丰富的编程经验，又要充分了解 种多媒体产品的细节，系统升级十分方便，提高了应用 多媒体的特点，善于利用多媒体集成工具，就能在应用 系统的开发效率及灵活性。在系统开发中，主要用到的 系统开发中作到事半功倍。完成多媒体作品相当部分 ＭＣＩ多媒体设备类型及驱动程序其余的ｍｐｇ、ｄａｔ等 的工作量在于图形、图像、声音、影像素材的准备，其技 视频格式的设备类型及ＭＣＩ驱动程序视其产品提供 术及艺术含量都很高。而多媒体创作系统，其目的是便 的ＭＣＩ驱动程序而定。 于用户高效地使用创作工具按某种构想，将图、文、声、 （２）利用用户控制对象ＶＢＸ进行编程，处理图、文、 像等媒体进行导演、创意及包装。目前，多媒体创作工 声、像等多媒体数据 具种类越来越多，随着多媒体技术应用发展的深入。开 目前有众多知名厂商开发出各类ＶＢＸ控制对象， 发多媒体的技术将越来越先进、越科学、越方便、越有 支持Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ，ＶＢＸ有可能成为标准文 效。 件格式。这类功能强大的ＶＢＸ控制对象是开发多媒 体系统，提高开发效率，缩短开发周期的有效武器，使我 参考文献： 们对复杂的图文特效及外部设备的控制都交给了控 ［１］陈春法主编《用Ａｕｔｈｏｒｗａｒｅ制作多媒体课件》 制对象去处理，大大减少了编程的工作量，而且准确 ［２］温盛伟陈治仁主编《现代教育技术》 性、高效性大大地提高。 ［３］李冉主编（（Ｆｌａｓｈ ｎｉｘ ２００４火速上手》 开发多媒体系统常用到的ＶＢＸ主要有：支持ＭＣＩ ［４］张晋峰冲国高等教育发展现状和展望［－『］．中国现代教育装 接口的ＭＣＩ．ＶＢＸ（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司）；支持ｎｃ、Ⅱｉ动画演播 备，２００４，（１０）． 的ＶＢＰＬＡＹ．ＶＢＸ（Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司）；支持图文播放效果 ［５］秦福利．谈高职高专学校多媒体教学存在的问题与对策［Ｔ］． 高教论坛，２００５，（６）． 的ＦＸＴｏｏｌｓ／ＶＢ（ＩｍａｇｅＦｘ公司）、Ｋｎｉｆｅ．ＶＢＸ（ＩｍａｇｅＫｎｉｆｅ）、 （上接第１４６页） ｃｏｎｔｒａｃｔ＝”Ｗｅｆｔ）ＢＯｐｅｒＳｅｒｖｉｃｅ．ＩＳｅｒｖｉｃｅ １”／＞ 本论文主要设计了一种三级物联网精细化环境 ＜ｈｏｓｔ＞ ＜ｂａｓｅＡｄｄｒｅｓｓｅｓ＞ 监控系统架构体系，该架构充分利用现有分散物联网 ＜ａｄｄ ｂａｓｅＡｄｄｒｅｓｓ＝”ｈｔｔｐ：／／１２７．０．０．１：８８８８／Ｓｅｒｖｉｃｅｌ”／＞ 应用系统资源，在中间件技术基础上，完成有效数据 ＜／ｂａｓｅＡｄｄｒｅｓｓｅｓ＞ 的统存统配，并搭建统一对外查询人机交互终端界 ＜／ｈｏｓｔ＞ 面，满足人们日益增长的精细化需求。同时设计了对 ＜Ｉｓｅｒｖｉｃｅ＞ 调用服务的客户端Ｃｌｉｅｎｔ：通过添加服务引用，就 应的原型系统，目前原型系统在学校内应用良好，串 可以直接调用源服务中提供的接口函数了。 行网络转换为ＩＰ网络和基于ＷＣＦ的数据操作服务 是重点关键技术，也得到了较好的解决。 参考文献： ［１］陈天娥智能楼宇弱电设备安装与调试［Ｍ】高等教育出版 社．２００８：１—８５ ［２］刘强等物联网关键技术与应用Ｕ】计算机科学２０１０，３７（６）： 图３ ＷＣＦ服务结构图 １—１０ ［３］徐刚等基于精准灌溉的农业物联网应用研究Ｕ１计算机研 结束语 究与发展２０１０，４７—４９ ２ｏ１３年第１１期Ｉ福建电脑 ・１７１・