物联网管理软件的设计

摘　要：摘要：介绍物联网的关键技术和嵌入式软件开发工具的使用，根据目前物联网主流体系结构和实际运用环境，提出可行的物联网管理软件的开发流程。

关键词：关键词：物联网技术；管理软件；开发流程

中图分类号：TP311    文献标识码：A     文章编号：
        

    1. 引言
    物联网是以互联网为基础且覆盖具有通讯功能设备设施的网络技术，是对传统互联网技术的拓展和延伸。近年来物联网技术得到快速发展，新技术及产品不断出现，物联网的概念已经深入人心，随着物联网技术应用的不断普及，必将推动相关的软硬件的快速发展。 
    目前物联网的发展现状是：技术还不成熟，离应用大众化还有一段距离，物联网相关标准还未统一，相关的感知、通讯技术还不够成熟都是物联网快速发展的阻力。但在现有技术基础上，设计能管理或控制一定范围内的硬件设备的软件系统是完全可行的。
    2. 物联网的体系结构
    物联网技术中，传感技术和通信技术是基础条件，传感技术保证物体能接入到网络，保证处在末端的设备或设施具备感知能力。通过数据通信技术将智能化的物体联接起来，最终依靠软件实现对这些物体的管理和监控。每一个层次相互依赖，构建成一个和谐的网络体系。
    整个物联网体系结构可分为三层，如图1所示：

 
              图1： 物联网体系结构
    在传感网络层，利用传感器采集物体信息，可以通过RFID、二维码实现物体信息识别，可以采用红外、蓝牙、Zigbee、UWB等实现短距离无限传输。通过网关，将物体信息送往网络层，在网络层使用WiFi、3G/4G、WiMAX、Ipv6、GPRS等通信技术传输数据。应用层以人为本，对终端采集到的信息进行处理，实现信息交互，实现不同行业、不同领域的协作。
    2.1 物联网终端的接入：可采用RFID（RadioFrequencyIdentification无线射频识别技术）构建的无线系统由阅读器、天线、标签组成。RFID无需人工干预，能自动识别射频信号，不需要直接接触，可以识别运动中的物体，可工作在条件恶劣的环境中。
    2.2 物体之间的信息传输：可采用Zigbee无线技术， Zigbee无线技术基于IEEE 802.15.4协议，采用zigbee的近距离无线网络有低功耗、可组建带路由的网络、支持地理定位、传输距离无限扩展的优点，采用zigbee经济、高效。

    3. J2ME在物联网中的应用
    Java技术在物联网应用开发中具有相当优势，j2me在嵌入式开发中大有用武之地，J2ME是java为手机等嵌入式设备开发提供的开发平台，包括虚拟机和Java API。使用标准的SDK即可开发J2ME程序，很多便携设备的操作系统如Android、Symbian等都有自己的SDK。
    J2ME支持HTTP、Socket等协议，还支持红外、蓝牙，为红外、蓝牙设备提供专门的通讯类。
    J2ME包括Java Virtual Machine（虚拟机）、Configuration（配置）、Profile and Optional Packages（简表和可选包）三个部分。Java Virtual Machine提供一个与系统平台无关的环境，    Configuration规范包含设备运行所需的基础库和虚拟机，具体包括两种，CLDC(有限连接设备)、CDC（连接设备），CLDC包含了java的lang、io、util和增加的microedition.io包， 这些都是经简化后的最基本的类。CLDC采用JVM（java Virtual Machine），CDC采用KVM(Kilobyte Virtual Machine)。Profile and Optional Packages为设备提供运行环境和API， Configuration能定义多个简表，如MIDP、FP、PBP等，简表对Configuration功能补充和扩展，让设备发挥完整功能。
 
                    图2：J2ME结构
    工作时，运行由Configuration定义的Java虚拟机，构建平台基础，Profile提供API和相应类库。在J2ME中javax.microedition.io包提供具体的联网的类和接口。

4. 网关设计
物联网网关是整个物联网体系中的关键设备，起到对接、整合、控制、转发信息等功能。设计和实现可靠的网关是构建物联体系的基础：
4.1 兼容性：物联网关需要对不同类型设备的接入进行控制、对不同通讯技术进行转换、统一数据格式等，既要进行广域互联，还有进行局部互联，以保证各个联网物体的信息交互。但物联网发展过程中有很多通讯、传感技术，物联网发展至今没有完善统一的标准，解决实际应用中的各种通讯技术的兼容性、设备的兼容性的实际问题，是实施物联网工程的关键。
4.2 通讯技术：主要以短距离无线通讯为主，多种无线通讯技术同时使用，物体可灵活采用ZigBee、蓝牙等无线通讯，Zigbee具有省电、成本低等优点，在设计网关时可采用zigbee模块实现物体与网关的通讯。
4.3 硬件设计，硬件模块可采用ARM处理器、SDRAM、FLASH搭配M2M模块、ZigBee模块构建，在网关上运行经裁剪内核的Linux系统，使用C语言编写控制程序。
4.4接入互联网：网关作为交换数据和控制的核心，起到交通枢纽作用，但在整个物联网体系结构中，目前因其本身存在处理器能力限制、内存容量、通讯技术等因素限制，无法快速反应。若采用智能手机作为访问终端，让智能手机直接与网关打交道困难较大，设计时可将网关与PC机相连，智能手机与PC通讯再访问网关，实现智能手机对物联网络的访问。
4.5 安全性，对硬件驱动加密，保证其不可复制性，对网络进行安全访问控制，确保物联网络安全。
 
                               图3：物联网网关的角色

    5. 控制软件的设计
    针对一定范围内接入物联网内的物体进行管理和控制，有必要设计相应的管理软件，可以实时查看物体的状态、返回相应的控制信息对物体加以控制，达到管理的目的。 
    5.1 软件功能
    使用智能手机作为物联网络的管理终端，具有移动性、实时性等特点，智能手机具备较强的计算、存储和传输能力，能够运行体积较大的软件，同时具备可移动性，具有较强的可操作性，运行于智能手机的管理软件实现对联网设备的状态查询、行为控制。根据用户需求的不同, 运行在移动终基于以上应用环境使用J2ME作为设计控制管理软件的开发平台，具体需完成以下任务：
    （1） 能获取节点的状态信息，节点的状态信息表位于与物联网关连接的PC中，手机终端查询时从PC获得节点物体的状态信息。
                               表1：节点状态表

    （2） 根据状态信息处理事务
    （3） 发回处理命令
    （4） 接收处理结果
    5.2 软件的设计
    （1）UI设计，在J2ME中针对手机，使用MIDP类库中的Display等类来实现。
    （2）记录的处理则用RecordStore类，用RecordStore对象来存放节点信息，节点信息可从网关处读取。
    （3）手机与网关的通讯采用javax.microedition包中的类实现。
    6.  结语
    物联网技术方兴未艾，具有巨大的发展潜力，在物联网上的控制和应用软件也有广泛的发展空间，如何结合实际应用环境开发出满足要求的应用软件是值得探讨的问题，使用J2ME作为物联网管理、控制软件的开发平台有其独有的优势。充分利用java的安全性、跨平台等特性有利于系统的整体构建。在本文通用管理系统的基础上，根据具体应用条件，开发出符合自身特色的管理软件是完全可行的。

参考文献：
[1]罗俊海，周应宾等，物联网网关设计[J].电信科学,2011(2): 105-110
[2]陆东林.J2ME开发技术原理与实践教程[M]北京：电子工业出版社，2008
[3]李驰新，王军弟等，基于ARM 的超市物联网网关设计[J].兰州工业高等专科学校学报第2011(6): 20-23
[4]周洪波.物联网：技术、应用、标准和商业模式[M].北京：电子工业出版社，2010
[5]徐炳文,基于J2ME移动教务课表查询系统的开发与实现[J]. 西南民族大学学报：自然科学版,2011(1) 161-166