物联网环境监控系统的总体设计

摘要：物联网在强化环境执法、污染监控、促进节能减排方面发挥了重要的作用。但是现有的环境监控系统存在着诸多的技术问题，例如：无法真正长时间监控，监视和控制的环境规模有限，远程监视和控制的实时性不好、服务器数据存储空间不足、不能远程监视和控制等，本文以现有的环境监控系统和物联网关键技术的研究为基础，对物联网环境监控系统进行了系统的概要设计。

关键词：物联网；web服务器；监控；0040

1、本系统的功能

本文以智能环境监控系统为研究背景，提出了基于Restful Web Service、0040等技术框架构建物联网智能监控系统的设计方案，并进行了物联网智能监控系统的系统设计和概要设计。主要有以下功能需求：

（1）实时可靠的数据传输；（2）海量数据存储；（3）灵活多样的接入方式；（4）轻量级的Web服务；（5）物流管理；（6）综合的智慧服务；（7）具有较好的稳定性；（8）系统操作的简单性：（9）良好的可扩展性；（10）跨平台性；（11）良好的可复用性和可维护性

2、概要设计

通过对物联网环境监控系统的需求分析，可以看出物联网环境监控系统对数据实时性、多进程间跨平台通信（包括同步与互斥）、数据库的实时访问等性能有比较苛刻的需求。通过对REST、ACE、TAO和0040等物联网相关关键技术调查，结合物联网环境监控系统的实际需求、开发人员的技术经验（深入c++技术），选取了ACE+TAO+0040+REST框架来完成物联网环境监控系统的设计与开发工作。

3、体系结构设计

物联网环境监控系统的总体架构设计遵循如图1提出的物联网体系结构，即感知层、异构网络接入层、海数据处理层、智慧服务层等四层构成。

3.1 感知层

感知层主要负责实现对物理世界中大自然的“物”进行感知和信息获取，目前的主要技术是基于无线传感器网络和RFID读写器来实现的。目前常见的传感器可以从物理世界获取温度、湿度、光照、压力、脉搏、碳含量等形式的数据，而通过将一维标签、二维条形码等附在“物”上，可实现对“物”的有效跟踪和管理。

3.2 异构网络接入层

作为互联网网络基础设施的拓展和延伸，物联网的网元通常是异构的、无线的。必须实现各种异构无线网元与互联网的无缝连接，才可以保证物联网的广泛互联和泛在接入。常见的物联网的网元有：无线传感器网络、Ad-hoc网络、车载传感器网路、Bluetooth自组网、Wi-Fi自组网、机会网络等。

3.3 海数据处理层

物联网的异构网路接入层收集从感知层感知的物理世界的信息，并交由数据处理层成来完成数据融合、清洗、重组等工作，最终形成智慧数据。由于物联网的节点数目数以百万亿，因此，如何存储、处理这些海量数据，以便为服务层的用提供智慧数据是还数据处理层的核心问题。

3.4 智慧服务层

物联网将为用户提供更加综合的智慧服务，服务使用的数据可能来自不同的数据中心、不同的网元、不同的传感器节点、不同的物理区域。物联网的智慧服务层所提供的应用是一个综合了各种典型服务的跨领域的综合系统，不仅可以实现应用的高效融合、还可以为综合决策提供理论和现实支持。

4、总体框架设计

基于对拟构建的物联网环境监控系统的需求分析、功能描述和体系结构的设计和研究，提出了如图2所示的拟构建的物联网环境监控系统的总体框架设计。

本系统由以下几个核心部分构成：

4.1 传感器和执行器节点、3G智能手机

为了实现对底层物理信息的收集，需要使用感知技术来完成。本系统使用传感器和3G智能手机手机来收集物理世界的信息，其中传感器收集温室内的温度、光照、湿度等参数，3G智能手机收集带有RFID标签、二维条码、一位条码的农药、化肥、农用工具等的信息。传感器收集信息后，通过Zigbee协议，传送至智能网关，智能网关实现zigbee协议与TCP/IP协议的智能转换，将数据预处理后送至互联网数据中心（Internet DataCente～IDC）。而3G智能手机通过本系统基于摄像头开发的快拍方式的Android服务，将获得的感知信息通过3G无线网络接入至IDC中。通过智能终端，本系统的用户可以实现泛在接入系统，实现实时监控周围环境的功能。

4.2 智能网关

智能网关在本系统中负责实现TCP/IP协议与zigbee协议的转换，同时在透过网关，将数据感知层采集来的数据发送至IDC中，实现海量数据的存储。同时支持智能手机以3G方式接入行冗余处理、清洗、重组和融合，形成多模可用数据。IDC处理后的数据主要供Web服务器使用来完成综合Web服务。通常用户不直接访问IDc，管理员角色的用户可以通过浏览器实时管理和配置数据库。

4.4 Web服务器

本系统中的Web服务器主要提供两种服务，第一种是面向个人Pc机的Web服务，另一种是面向资源受限终端的Restful风格的轻量级Web服务。Web服务器从智能网关获得实时数据，从IDC中获得历史统计数据，并形成分析报告，通过weD：Y式供用户使用。本系统的Web服务器允许用户通过常见的方式接入。

本文以智能环境监控系统为研究背景，提出了基于Restful Web Service、0040等技术框架构建物联网智能监控系统的设计方案，并提出了物联网智能监控系统的系统设计和概要设计方案。