CN104052759B - 一种物联网即加即用技术的实现系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种物联网即加即用技术的实现系统，该系统包括感知网，包括多个传感器节点，用于采集数据；即加即用网关，用于管理所述感知网并为控制终端提供多种服务，通过控制参数反馈的形式实现感知网的自适应调节，从而实现即加即用；互联网，为所述即加即用网关与所述控制终端提供连接方式；控制终端，向所述即加即用网关请求服务。本发明能根据环境变化动态的进行适应性调整，保证了较高的服务质量和较小的服务代价。

Description

一种物联网即加即用技术的实现系统

技术领域

本发明涉及一种物联网即加即用技术的实现系统，尤其适合物联网规模较大，存在多种异构设备，网络拓扑构动态变化的场合。

背景技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为网络技术的一个重要方向，人们已经进行了多方面的深入研究，并且成功应用到环境测量、定位跟踪等多个领域。在近年来兴起的物联网（Internet of Things，IoT）、信息物理融合系统（Cyber-PhysicalSystem，CPS）等信息系统技术中，WSN随着这些系统的广泛应用而大量部署。然而，物联网大规模部署会带来如下问题：

一、在车联网、智能交通、或者野生动物保护系统中，由于感知设备的移动导致网络拓扑结构不断变化，此时，系统如何处理各类感知设备动态加入和离开，并屏蔽底层繁杂的通信协议而提供统一服务。

二、在火灾监控，安防监控等物联网应用系统中，应用层需要根据感知层的情况实时调整需求指标，此时，如何解决新的应用需求加入时感知资源复用问题。

三、当设备加入和移出、应用需求增加和删减、外界因素介入时（如无线环境变化导致通信链路变化，自然环境或人为因素导致软硬件状态变化等），如何保证应用系统稳定。

上述问题很实际，因为上述应用场景中的问题是物联网应用中实际遇到并且需要解决的，另外很基础，因为只有在稳定地满足应用需求的基础上，才会有物联网海量数据分析，数据融合决策等。

为探索解决上述各层面问题的有效途径，本发明提出了一种物联网即加即用技术的实现系统。上述问题前两个层面即为物联网应用系统“即加”的情形，主要指系统会因各种原因随时加入某些改变系统工作状态的因素，而“即用”则体现了系统在“即加”情形时能通过调整即时保证系统功用。

即加即用从即插即用（Plug and Play）发展而来。起初，即插即用是一种支持热插拔的计算机硬件配置技术，之后，即插即用进一步扩展，在互联网领域，形成了以通用即插即用（Universal Plug and Play UPnP）、Windows Rally、Jini等为代表的技术，这些技术在解决网络设备间的互联互通问题上发挥了巨大作用。在硬件设备制造领域，形成了以IEEE1451协议族为代表的现场总线标准，该标准通过一套通用的通信接口解决了各种现场总线规定的通信协议不兼容问题,下面对上述技术简单介绍。

UPnP是一种分布式的，开放的网络架构，设备可以按照UPnP的协议栈框架开发出支持即插即用的网络应用系统，设备需要支持TCP/IP、HTTP等协议。

Windows Rally技术建立在Windows操作系统上的一种即插即用技术，WindowsRally技术中的设备一般是装有操作系统的高端设备（打印机、数字摄像机、投影仪等），在传感网中感知节点的计算能力有限，这在一定程度上制约了Windows Rally技术在传感网的应用。

Jini是以Java技术为核心的分布式系统，它通过使用一个简易的“即插即用”模型，能够随时改变硬件或者的配置，从而提供了一个支持快速配置的分布式计算环境，Jini需要感知节点支持Java，这对于由低功耗、低速感知节点组成传感网的应用带来一定的困难。

IEEE1451协议族针对传感器网络而言，主要是IEEE1451.5协议，协议将感知节点、网关分别抽象为STIM模块、NCAP模块，STIM和NCAP之间通过蓝牙、ZigBee等无线技术连接。该标准为传感器网络接口标准化提供了一套解决方案。

上述技术标准在解决不同类型设备间通信、网络动态扩展、远程控制、接口标准化等方面各具优势。但应用到物联网感知层的WSN时，没有考虑感知节点的存储资源、计算能力有限，多节点组网的特性，这在一定程度上制约了上述技术标准在物联网的广泛应用。

综上所述，即插即用衍生而来的体系结构目前在物联网感知层应用受到制约，而针对上述问题某一层面的相关技术方案无法系统解决上述问题。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种物联网即加即用技术的实现系统。本发明提供的一种物联网即加即用技术的实现系统，包括：

感知网，包括多个传感器节点，用于采集数据；

即加即用网关，用于管理所述感知网并为控制终端提供多种服务，通过控制参数反馈的形式实现感知网的自适应调节，从而实现即加即用；

互联网，为所述即加即用网关与所述控制终端提供连接方式；

控制终端，向所述即加即用网关请求服务。

进一步的，所述感知网包括：

感知节点模块，具有信号采集、数据处理和无线通信能力，并且组织成网络拓扑结构，完成信息传输和交互，在加入所述感知网时申请网络资源，在离开所述感知网时释放网络资源。

进一步的，所述感知节点模块包括：

传感器模块，用于采集外界环境信息，获取数据；

传感器即加即用接口模块，使不同接口的传感器能以统一的接口形式与节点通信模块连接，该模块同时还具有传感器的探测识别、访问应答，感知任务的初始化、响应和数据管理等功能，并保存各种传感器的信息，如传感器操作方式、触发方式、校正系数、功能性等；

通信模块，用于对所述传感器模块的数据进行校正、处理和控制，并按照通信协议将数据发送给所述即加即用网关；

进一步的，所述即加即用网关包括：

广域接入层：以单一或多种方式连接到互联网；

协议转换控制层：提供从所述感知网到应用层协议的转换，将即加即用数据处理层上传的数据统一封装，将所述广域接入层下发的数据解包成标准格式的数据；同时建立管理协议，实现与管理平台的协议对接，实现管理协议的解析并转换为感知接入层协议可以识别的信号和控制指令；

即加即用数据处理层：实现感知节点模块对所述即加即用网关的即加即用；

协议适配层：定义标准的感知接入层接入标准接口，使不同感知接入层协议能够通过所述协议适配层变成统一格式的数据和信令；

感知接入层：实现所述感知网的协议接入和解析，按照应用场景以一种或多种协议组合，或以通过外插模块实现多种协议的扩展，达到融合接入。

进一步的，所述即加即用网关包括：

协议适配器，是数据处理中心与外界通信的接口，其802.15.4协议栈使用CC240芯片实现，并且遵循802.15.4帧格式传输数据；其串口协议栈建立在嵌入Linux tty驱动程序上，并且进行双向数据收发；

数据处理中心，是所述即加即用网关的核心，通过与所述协议适配器通信进行与所述感知网的交互，通过与TCP终端通信进行与控制终端的交互，通过使用内部核心数据结构进行内部各个模块之间的交互，从而实现即加即用；

TCP终端，用于与C/S客户端交互；

Web终端服务器，用于与B/S客户端交互，使用CGI程序和sqlite数据库；

感知数据库，用于存储所述感知网采集的物理环境信息；

设备描述表，用于记录感知节点模块的设备属性；

资源描述表，用于记录感知节点模块的感知资源，提供相应感知能力的传感器类型和各个物理传感器的产品参数；

服务描述表，用于记录所述控制终端提供的服务内容；

服务请求表，用于记录所述控制终端的服务请求信息；

事件订阅表，用于记录所述控制终端的订阅的事件信息。

进一步的，所述网关数据处理中心包括：

TCP终端集模块，是所述即加即用网关与所述控制终端的通信通道；

终端交互线程集模块，用于与所述控制终端通信，该终端交互线程集模块中每个终端线程处理一条TCP连接，支持一个控制终端，当所述控制终端加入或离开系统请求服务时，开辟或结束与之相关的终端线程，同时将该线程加入或分离终端线程集链表；

感知节点线程集模块，为每一个感知节点模块分配一个线程，且所有线程通过链表链接起来，当一个感知设备加入或离开时，所述感知节点模块通过网络接入请求告知自身的存在，数据处理中心主进程开辟或结束一个新的感知节点模块线程，同时将其加入或删除感知节点线程集链表；该感知节点线程集模块跟踪管理感知节点模块，接收智能配置模块的配置信息，将其封装打包发送给对应的感知节点模块；

服务发现模块，实时处理感知设备加入和离开、网络资源动态申请及释放，并将感知数据封装成面向应用的多样服务，从所述感知节点线程集模块获得数据，并将其发送给智能配置模块，实现服务更新；

服务映射模块，解析该用户请求，根据是服务请求还是事件订阅分别存入相应的服务请求表、事件订阅表，然后通过管理通道随时向智能配置模块发送用户新的需求指标，满足用户终端需求的增添和删减；

智能配置模块，从服务发现模块获得感知数据、从服务映射模块获得用户需求，对完成服务发现的感知设备进行初始配置使其正常工作；为感知设备的跟踪管理提供服务；推断是否出现软硬件异常并进行相应处理；评估通信环境质量并调整网络运行参数以稳定满足应用需求；

全局共享数据区模块，存储数据处理中心运行时的相关数据结构。

进一步的，所述服务发现模块的具体实现步骤为：

步骤1，感知节点模块采用多信道、多接入、跳频及动态频谱分配的接入方式与所述即加即用网关进行通信；

步骤2，感知节点模块寻址，所述即加即用网关实时维护全网的拓扑结构，同时根据感知节点模块地址标识对其寻址，实现所述感知节点模块与即加即用网关间点对点通信；

步骤3，感知资源上报，向所述即加即用网关发送通告消息告知提供的资源或服务；

步骤4，所述即加即用网关封装服务，对上报的资源分析，将感知节点模块的资源信息存入相应的资源描述表，而所述即加即用网关中数据处理中心对资源进行聚合处理后，将聚合成的新服务存入服务描述表；

步骤5，所述即加即用网关广播服务，网关数据处理中心将聚合成的新服务通过用户交互线程集向所述控制终端广播，使控制终端及时获取感知网能提供的服务；

步骤6，所述即加即用网关响应用户服务查询请求。

进一步的，所述服务映射模块的具体实现步骤为：

步骤1，服务列表呈现，为所述控制终端将即加即用网关能提供的服务以可视化界面显示呈现，该服务可以通过感知网中的物理节点提供或者通过感知资源聚合而成；

步骤2，控制终端发送服务请求、事件订阅，其中服务请求为所述控制终端主动发起，而所述控制终端执行事件订阅后，所述控制终端变为被动接收即加即用网关向其定期发送的事件通告；

步骤3，所述即加即用网关根据是服务请求还是事件订阅分别存入相应的服务请求表、事件订阅表，并解析及处理服务请求、事件订阅；

步骤4，返回事件订阅通告：所述即加即用网关根据事件订阅的触发方式向所述控制终端发送事件通告。

进一步的，所述传感器节点包括接入网络线程、资源上报线程、服务请求查询线程。

当所述传感器节点启动后，接入网络线程，该接入网络线程搜索网关设备，根据网关信号强度、信号质量选择传感器节点的目的网关，并且将该目的网关地址存储在传感器节点中，每隔指定时间，感知节点模块检测与目的网关的连接状态，重新进行目的网关选择。

当所述传感器节点启动后，首先判断是否接入网络，如果没有，则启动接入网络线程，否则，启动所述资源上报线程；

当所述传感器节点启动后，开辟一个后台守护线程实时监测是否收到所述即加即用网关的资源查询请求，若没有，则继续监听，若收到，则启动服务请求资源查询线程，查询指定的传感器资源信息并发送给所述即加即用网关。

本发明具有以下几点优势：

1、充分考虑到感知节点的存储资源、计算能力有限的特点，以及传感器网络多节点组网的特性。

2、异构网络通信：异构网络是指由多种不同类型的节点（如IEEE802.11高速节点、IEEE802.15.4/ZigBee协议低速节点等）构成的网络。物联网即加即用屏蔽了网络底层协议的实现细节，实现了设备间的简易连接和通信一体化。

3、动态网络扩展：物联网即加即用允许不同类型的感知网络动态地加入到的传感器网络中。它能够兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡等性能，形成一个优化的网络环境，并可以容易地和网络计算、存储资源进行集成。这样使得用户透明地使用多个感知网络并且便于网络扩展。

4、协同信息处理：传感器节点具有一定自治能力，可以感知周围环境，但单个节点的感知能力有限，需要通过综合多个节点的消息才能得到完整的信息，即加即用网关会根据网络规模的变化调整节点的工作参数，协调多个感知节点实现复杂的感知任务，为用户提供稳定可靠的网络服务。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1a是物联网即加即用系统结构框架示意图；

图1b是物联网即加即用系统的功能流程图；

图2是即加即用网关第一实施例结构框图；

图3a是即加即用网关第二实施例结构框图；

图3b是即加即用网关第二实施例的Web终端服务器结构图；

图3c是即加即用网关第二实施例的协议适配器结构图；

图3d是即加即用网关第二实施例的数据处理中心结构图；

图4a是物联网即加即用服务发现实现示意图；

图4b是物联网即加即用系统的传感器节点框架示意图；

图4c是是物联网即加即用系统的传感器节点工作流程图；

图5是物联网即加即用服务映射实现示意图；

图6是物联网即加即用智能配置模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步说明。应该指出的是，所描述的实施案例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1a为物联网即加即用应用系统框图，主要由感知网络、即加即用网关、互联网、控制终端（即本发明的即加即用终端）等组成，感知网实现数据采集，所述即加即用网关负责管理感知网，并为控制终端提供服务，互联网为所述即加即用网关与控制终端提供连接方式，控制终端向所述即加即用网关请求服务。

如图1a所述，感知网络由大量的传感器节点（即本发明的即加即用节点）组成，这些节点具有信号采集、数据处理功能和无线通信能力，并且自组织成一定的网络拓扑结构，一跳或多跳的完成信息传输和交互，感知网络主要功能是从传感器采集、传送数据至所述即加即用网关，并接受所述即加即用网关的管理和控制，本系统感知节点无线通信方式不限定，可以为802.15.4，WIFI等。

如图1a所述，所述即加即用网关（以下简称网关）主要由传感网接入模块、数据处理模块、外部网络接入模块等组成。传感网接入模块主要有红外、WLAN、蓝牙、超宽带、ZigBee等技术；数据处理模块大概可以分为PC机和嵌入式模块两种，具有不同的处理能力和应用场合；外部网络接入模块有很多选择，包括PSTN（Public Switched TelephoneNetwork，公共交换电话网络）、以太网、WLAN、GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、LTE等。

如图1a所述，终端控制设备是无线传感器网络应用系统的用户，用户可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展网络的功能和人们认识世界的能力，可以为手机、PAD或PC机等。

为实现物联网即加即用，本发明提出的物联网即加即用系统在满足上述传统物联网数据采集、处理、显示等基本功能的基础上，为实现感知设备、应用需求的即加即用，同时在外部干扰介入时保持稳定，提出了如图1a中感知节点、网关、控制终端新的结构，其中最主要为即加即用网关结构。

图1b为物联网即加即用应用系统功能流程，系统分为4个状态，分别是：系统稳定满足功能需求状态，存在加入的设备使用问题状态，存在需求加入资源复用问题状态，存在干扰加入稳定性问题状态，当设备加入或离开时，系统出现加入的设备使用问题，通过服务发现解决，当需求增添或删减时，出现需求加入资源复用问题，通过服务映射解决，当外界干扰介入时，出现干扰加入后稳定性问题，通过智能配置解决。

图2为即加即用网关第一实施例结构框图，即加即用网关在满足广泛接入能力、可管理性强的前提下，还满足对感知节点的即加即用，即当感知节点加入传感网时，即加即用网关能对其智能配置，充分利用节点计算能力和全面优化全网性能，即加即用网关结构相对复杂，其中包括：

广域接入层：提供各种连接到Internet网络的方法，如CDMA、WIFI、ADSL等，既可以用单一接入方式，也可以用多种接入方式。

协议转换控制层：这一层模型提供从感知网络到应用层协议的转换，将即加即用网关处理层上传的数据统一封装，将广域接入层下发的数据解包成标准格式的数据；同时建立一套管理协议，实现与管理平台的协议对接，实现管理协议的解析并转换为感知层协议可以识别的信号和控制指令。

即加即用数据处理层：实现传感器节点对网关的即加即用，当一个新的任意类型的传感器节点加入网路后，网关为该节点分配唯一的标识符，并且将其服务提供能力、资源拥有情况记录到服务描述表和节点资源表中，网关可以针对传感网的实际情况进行一定的网络优化，通过控制参数反馈的形式实现传感网的自适应调节。

协议适配层：定义标准的感知层接入标准接口，保证不同感知层协议能够通过适配层变成统一格式的数据和信令。

感知接入层：实现不同感知网络的协议接入和解析，按照应用的场景既可以某种特定的协议，也可以是某几种协议的组合，甚至可以通过外插模块实现多种协议的扩展，达到融合接入的能力。

图3a是即加即用网关第二实施例结构框图，包括如下模块：协议适配器模块，数据处理中心模块、Web终端服务器模块、TCP终端模块、感知数据库、设备描述表、资源描述表、服务描述表、服务请求表、事件订阅表组成。

如图3a所述，协议适配器在最底层，是数据处理中心与外界通信的接口。

如图3a所述，数据处理中心是整个结构的核心，负责数据处理，以及完成整个系统的即加即用功能。

如图3a所述，TCP终端、Web终端服务器分别负责与用户交互，其中TCP终端主要处理C/S客户端，而Web终端服务器主要处理B/S客户端，其中TCP终端通过Socket客户端与数据处理中心通信。

如图3a所述，感知数据库、设备描述表、资源描述表、服务描述表、服务请求表、事件订阅表为整个即加即用网关系统重要的数据结构，为数据处理中心提供重要的数据及参数信息，其中感知数据库主要存储传感网采集的物理环境信息，

如图3a所述，设备描述表记录感知网中节点的设备属性，包括设备硬件结构，MCU（Microprogrammed Control Unit）型号、RAM型号、ROM型号、无线通信芯片（CC2420、CC2520、CC2530、WIFI、GPRS）型号、以及其他外围设备，每个节点拥有一张设备描述表。

如图3a所述，资源描述表主要记录感知网中节点的感知资源，包靠能提供感知能力，例如感知温湿度能力、感知光照能力、感知烟雾能力、感知振动能力、感知声波能力、感知磁场能力等；提供相应感知能力的传感器类型，例如，提供温湿度感知能力的类型可以由SHT10、SHT11等；各个物理传感器的产品参数，包括精度、功耗，使用条件等。每个感知节点拥有一张资源描述表。

如图3a所述，服务描述表主要记录网关能用控制终端提供的服务情况，其中服务描述表需根据应用需求定义，同时随着应用需求的不同而改变，服务描述表的数目取决于具体应用，服务描述表记录包括：封装成该服务感知资源信息、服务标号、服务实现、服务质量、获取服务的条件等，服务描述表通过数据处理中心实时更新。

如图3a所述，服务请求表记录控制终端的服务请求信息，具体包括：服务请求的类型；服务请求终端的IP地址，端口号；服务请求的时刻；服务请求的方式，例如可以是单次、连续、周期等方式；服务请求的紧急程度，例如可以是非常紧急、一般、可以忽略等。

如图3a所述，事件订阅表记录控制终端的订阅的事件信息，具体包括：订阅该事件的控制终端的信息，例如该控制终端的IP地址，端口号等；该事件订阅时间；事件的类型；该事件的触发源；该事件的触发方式；该事件触发后的响应方式，

如图3a所述，网关的结构支持整个系统的即加即用功能，其中支持服务发现的结构主要包括：协议适配器、数据处理中心、感知数据库、设备描述表、资源描述表、服务描述表；其中支持服务映射的结构主要包括：TCP终端、Web终端服务器、数据处理中心、感知数据库、服务请求表、事件订阅表；其中支持智能配置的结构主要其中在数据处理中心。

图3b是即加即用网关第二实施例的Web终端服务器结构图，包括如下模块：CGI文件集、配置参数、CGCI文件库、Sqlite数据库、Boa Web服务器、html文件集等，其中Web浏览器终端通过以太网访问Web终端服务器，Web终端服务器以TCP终端的方式与数据处理中心通信，Web终端服务器为浏览器用户提供统一的访问界面，包括网关系统的状态查询界面、传感网配置界面等，Web终端服务器将网关能提供的服务信息以列表的形式呈现在浏览器用户面前。浏览器用户能通过Web终端服务器发起服务请求或者执行事件订阅。

如图3b所述，本Web终端服务器选择嵌入Web服务器Boa，对于一般的信息管理系统或中小型应用系统，功能简单，若采用通用Web服务器，资源浪费。因此本系统从资源和功能两个角度采用相对简单，体积更小、消耗资源更少Boa Web服务器。

如图3b所述，本Web终端服务器使用CGI实现控制终端与Boa交互过程如下：控制终端填写HTML表单提交了数据，浏览器将这些数据发送到网关的Boa，Boa接收这些数据并根据客户端指定的CGI程序把这些数据递交给指定的CGI程序，并使CGI在服务器上运行，CGI程序运行结束，生成HTML页面，Web服务器把CGI程序运行的结果送回用户浏览器，HTML文件将会被用户的浏览器解释，最后将结果显示在控制终端浏览器上。

如图3b所述，本Web终端服务器采用CGIC文件库，CGIC是一个功能比较强大的支持CGI开发的标准C库，并支持Linux,Unix和Windows等多操作系统。

如图3b所述，本Web终端服务器采用sqlite数据库，sqlite数据库的运行只与文件系统有关，它可以在目前所有主要的操作系统上运行，支持大多数的计算机语言。sqlite实现了大部分的SQL92标准，其中包括表、索引、事务、视图、触发器和一系列的用户驱动及其接口。

如图3b所述，本Web终端服务器通过TCP终端与数据处理中心通信，CGI文件集中需要与数据处理中心通信的进程工作过程如下：首先设置数据处理中心的服务器Socket对象，其次调用connect函数连接该服务器Socket，最后通过send，receive函数进行双向通信。

如图3b所述，本Web终端服务器的配置参数模块存储Web浏览器终端对感知网络的配置信息。包括节点标识（路由节点、感知节点、节点号），网络状态（工作信道、工作周期、节点使用资源、拓扑结构、重传方式、退避策略、低功耗侦听策略），感知数据上报方式（周期上报、主动查询、紧急上报）。

图3c是即加即用网关第二实施例的协议适配器结构图。如图3c所述，本系统采用协议适配器模块屏蔽了网络底层协议的实现细节，实现了设备间的简易连接和通信一体化，由于异构网络是指由多种不同类型的节点（如IEEE802.11高速节点、IEEE802.15.4/ZigBee协议低速节点等）构成的网络，因此本系统支持异构网络通信。其中该协议适配器支持802.11接口、802.15.4接口、以太网接口、RS232/RS485接口。

如图3c所述，该协议适配器的以太网接口协议栈包括设备媒介层、设备驱动功能层、网络设备接口层、网络协议栈接口层。

如图3c所述，该协议适配器的802.11接口协议栈使用G25477模块实现，网关MCU与G25477模块间通信接口的实现上采用了串口与SPI接口结合的通信方式。网关MCU作为SPI主机，G25477模块作为从机，同时结合串口进行辅助通信。当网关MCU发送数据时，直接将数据发送至从机G25477模块即可进行传输；当模块接收到无线数据时，通过串口向主机发送通告，使得网关MCU能采用读取SPI数据的方式获得G25477模块传输来的数据。

如图3c所述，该协议适配器的802.15.4协议栈使用CC240芯片实现，并且完全遵循802.15.4帧格式传输数据。

如图3c所述，该协议适配器的串口协议栈建立在嵌入Linux tty驱动程序基础上，实现网关MCU与串口设备的双向数据收发。

图3d是即加即用网关第二实施例的数据处理中心结构图，网关数据处理中心是整个即加即用网关核心部分，网关数据处理中心通过与协议适配器通信实现与感知网的交互，网关数据处理中心通过与TCP终端通信实现与即加即用控制终端的交互，网关数据处理中心通过使用内部核心数据结构实现内部各个模块之间的交互。

如图3d所述，网关数据处理中心包括如下模块：TCP终端集、Socket主服务器线程、终端交互线程集、服务发现模块、智能配置模块、服务映射模块、感知节点线程集、全局共享数据区，网关数据处理中心使用如下核心数据结构表，包括：服务请求表、事件订阅表、设备描述表、资源描述表、服务描述表等。

如图3d所述，TCP终端集是网关与即加即用终端的通信通道。

如图3d所述，终端交互线程集负责与即加即用终端通信，其中每个终端线程处理一条TCP连接，支持一个即加即用终端，所有终端线程通过链表链接起来，当即加即用终端加入系统请求服务时，Socket主服务器线程开辟一个新的终端线程用于实现与该即加即用终端的交互，同时将该线程加入终端线程集链表，当即加即用终端离开系统时，Socket主服务器线程结束与之相关的终端线程，回收相关资源，同时将该终端线程从线程链表中删除。终端线程集将用户请求以服务请求方式发送给服务映射模块。

如图3d所述，服务映射模块接收即加即用终端用户请求后，解析该用户请求，根据是服务请求还是事件订阅分别存入相应的服务请求表、事件订阅表等。服务映射模块解析完用户请求后，通过管理通道随时向智能配置模块发送用户新的需求指标，服务映射模块实现了网关系统能实时满足用户终端需求的增添和删减，并且通过服务到感知资源的映射实现感知资源的复用。

如图3d所述，智能配置模块完成如下功能：网关对完成服务发现的感知设备进行初始配置使其正常工作；网关实现对感知设备在不同PAN移动时的跟踪管理从而为应用层提供连续可靠服务；网关推断是否出现软硬件异常并选择合适方式克服故障；网关评估无线通信环境质量并调整网络运行参数以稳定满足应用需求等。智能配置模块从服务发现模块获得感知数据（包含网络属性）、从服务映射模块获得用户需求，在通过数据通道提供感知数据的同时，通过轻量级系统状态识别算法、高鲁棒、低功耗配置算法输出对传感网的配置参数，尽力保证整个配置过程快速、精确、稳定、节能。

如图3d所述，服务发现模块实时处理感知设备加入和离开、网络资源动态申请及释放，并将感知数据封装成面向应用的多样服务，服务发现模块从感知节点线程集获得数据（包括感知数据、感知设备属性、感知网络属性等），服务发现模块主要处理感知设备属性数据，将包含感知网络属性的感知数据发送给智能配置模块，通过对感知设备属性的分析处理，实现感知资源的整合、新服务的生成与广播、旧服务的更新，同时实时维护设备描述表、资源描述表、服务描述表等。

如图3d所述，感知节点线程集为每一个感知节点分配一个线程，所有终端线程通过链表链接起来，当感知网络有新的感知设备加入时，感知节点通过网络接入请求告知自身的存在，数据处理中心主进程开辟一个新的感知节点线程，同时将其加入感知节点线程集链表，感知节点线程集跟踪管理某个感知节点，同时接收智能配置模块的配置信息，将其封装打包发送给对应的感知节点。感知节点离开感知网络的情形与上述类似，数据处理中心主进程结束与之相关的节点线程，回收相关资源，同时将该节点线程从线程链表中删除，感知节点线程集可以包含不同的子集，例如802.15.4子集、802.11子集、Bluetooth子集等。

如图3d所述，系统共享区主要存储数据处理中心运行时的相关数据结构，包括宏定义、静态数据、系统参数，例如共享参数、网络类型、用户规模等。

如图1a所述，本系统感知网络、网关除具有上述物联网系统中其具有的基本功能外，能处理各类感知设备加入和离开，并屏蔽底层繁杂的通信协议而提供统一服务，为实现此功能包括如下技术点：感知节点硬件传感器即加即用结构、感知节点可重配置结构、即加即用网关相关结构。

如图1a所述为即加即用节点硬件结构图，分为四个部分：传感器、传感器即加即用接口、通信模块、其它模块，传感器接口的多样性使得感知节点的硬件设计、驱动开发的成本加大。因此设计图1a中节点结构来解决传感器接口的标准化问题。

如图1a所述，传感器是网络获取外界环境信息的桥梁。它的接口形式多种多样，从早期的模拟接口（比如4-20mA或0-5V或PWM输出）到数字接口如RS232、RS485、SPI，再从简单的数字接口发展为现场总线接口，例如CAN，Lon,Profibus，Ethernet，FieldbusFoundation，HART等，图1a中传感器硬件接口部分尽可能包含更多的传感器接口。

如图1a所述，传感器即加即用接口模块使不同接口的传感器能以统一的接口形式与节点通信模块连接，该模块同时还具有传感器的探测识别、访问应答、传感器管理任务的响应，对感知任务的初始化、响应和数据管理等功能。该模块保存各种传感器的信息如传感器操作方式、触发方式、校正系数、功能性等。

如图1a所述，通信模块是介于传感器和通信网络之间的射频模块的组合，具有局部智能化功能，是网络通信的接口，也是传感器网络优化的关键，通信模块不仅可以对传感器的数据进行校正，而且还具有针对特定应用的数据处理和控制功能，感知数据通过通信模块以一定WSN通信协议（如IEEE802.15.4、ZigBee、私有协议等）将数据发送给网关。

如图1a所述，MCU、电源、存储器、其他外围电路是即加即用节点的硬件辅助模块，采用传统的嵌入式硬件模块集成即可。例如MCU可以选择MCS51、MSP430等，电源可以采用稳压电源、开关电源等，存储器可以外接FLASH、RAM、ROM等，其他外围电路指上述IC芯片的外围电路。

图4a是物联网即加即用服务发现实现示意图。如图4a所述，即加即用服务发现工作过程包括如下步骤：

步骤一：感知节点接入网络，该过程维持网关与感知节点间通信，由于感知节点与网关间一般采用无线通信方式，所以在该过程中为增强通信的可靠性，采用了多信道、多接入、跳频及动态频谱分配保证接入的可靠性、稳定性。

步骤二：感知节点寻址，感知节点的地址表示问题是感知网中一个重要问题，一般而言，感知节点都有自己一个固定的ID号，或者向网关动态申请一个节点ID号，一些处理能力比较强的感知节点可能使用IP地址标识，上述IP地址可以通过DHCP获得，或者固定在节点内部，网关实时维护全网的拓扑结构，同时根据感知节点地址标识对其寻址，从而实现网关与感知节点的点对点通信。

步骤三：感知资源上报，如图4a中标号②所示，WiFi节点加入感知网，此时WiFi节点向网关发送通告消息告知它提供的资源或服务。

步骤四：网关封装服务，即加即用网关对上报的资源分析，将感知节点的资源信息存入相应的资源描述表，网关中数据处理中心对资源进行聚合处理后，将聚合成的新服务存入描述描述表。

步骤五：网关广播服务，网关数据处理中心将服务发现模块聚合成的新服务通过用户交互线程集向因特网控制终端广播，保证控制终端及时获取感知网能提供的新服务。

步骤六：网关响应用户服务查询请求，图4a中标号①所示，控制点PAD加入网络，此时该PAD可以在网络上搜寻感兴趣的设备和服务，即加即用网关收到搜寻消息后查找网关维持的服务描述表和资源描述表，并且询问相应感知节点资源是否能够满足，在得到节点响应后，网关向控制点PAD发送响应消息，向控制终端告知该服务标号、服务细节、服务质量、是否就绪等。

图4b是物联网即加即用系统的传感器节点框架示意图。如图4b所述，即加即用节点感知节点可重配置结构主要包括如下模块：移动接入模块，感知资源周期上报模块，服务请求资源查询模块，移动接入模块主要处理感知节点在不同PAN移动时接入的稳定性、可靠性问题，感知资源周期上报模块完成对感知节点资源的统计汇总并以一定格式周期发送给网关，服务请求资源查询模块主要处理网关对感知节点的资源查询请求，根据感知节点的资源情况生成节点响应信息并且发送给网关。

图4c是是物联网即加即用系统的传感器节点工作流程图。如图4c所述，即加即用节点包括3个线程，接入网络线程，资源上报线程，服务请求查询线程，当节点启动后，上述3个线程随之启动。

如图4c所述，节点启动后，启动节点接入网络线程，该线程搜索附近信号最强的网关设备，当在不同的网关覆盖区域时，根据网关信号强度、信号质量选择合适的网关作为节点的目的网关，并且将目的网关地址存储在节点中，每隔t秒，感知节点检测与网关的连接状态，重新进行目的网关选择，因此能保证当感知节点加入和移出不同的感知网络时，及时找到目的网关完成感知节点的网络接入。

如图4c所述，节点启动后，首先判断节点是否接入网络，如果没有，则启动接入网络线程，如接入网络，则启动感知资源上报线程，感知资源上报线程搜索目前如图1a所述节点即加即用传感器接口支持的传感器类型，并且实时记录传感器的运行情况，并及时结束硬件已经损坏传感器的运行模块，以降低节点运行效率及能耗，该线程将目前感知节点能提供的最新感知资源周期上报给网关。

如图4c所述，节点启动后，开辟一个后台守护线程实时监测是否收到网关的资源查询请求，若没有，则继续监听，若收到，则启动服务请求资源查询线程，该线程查询指定的传感器资源情况，包括是否可用，使用条件，功耗，使用代价、精度、功耗等，之后以一定的应答报文发送给网关。

如图1a所述，本系统网关、控制终端除具有上述物联网系统中其具有的基本功能外，能解决新的应用需求加入时感知资源复用问题，为实现此功能包括如下技术点：即加即用终端结构、即加即用网关相关结构，网关与控制终端服务映射协议。

如图1a所述，即加即用终端结构包括网络接入层，数据收发层，编码解码层，服务应用层，即加即用终端用于实现服务的增添和删减，控制终端通过可视化界面与感知网物理节点或网关虚拟设备进行交互，获取设备和服务的状态或向感兴趣的服务或设备发起订阅请求等。

图5是物联网即加即用服务映射实现示意图。如图5所述，即加即用服务映射工作过程包括如下步骤：

步骤一，服务列表呈现：服务列表呈现为控制终端将网关能提供的服务以可视化界面显示呈现，此处的服务既可以是感知网中的物理节点提供的，也可以是网关通过感知资源聚合而成的服务，如图5标号⑥所示，控制终端PAD通过可视化直接浏览网关能提供的服务列表，获得相关服务的信息、请求新服务或者执行事件订阅。

步骤二、控制终端发送服务请求、事件订阅：控制终端向感兴趣的服务发起请求或者执行事件订阅，其中服务请求为控制终端主动发起，控制终端每发一次服务请求获得一次服务，而控制终端执行事件订阅后，控制终端变为被动接收，网关将定期向控制终端发送事件通告。

步骤三、网关处理服务请求，事件订阅：网关数据处理中心的服务映射模块接收控制终端用户请求后，负责解析该用户请求，根据是服务请求还是事件订阅分别存入相应的服务请求表、事件订阅表等，之后，服务映射模块解析并处理该服务请求、事件订阅。

步骤四、返回事件订阅通告：如图5标号⑤所示，当事件订阅的触发源发生改变时，网关会向控制终端发送事件通告，根据事件订阅的触发方式单次或者周期将感兴趣的消息推送给对应的控制终端。

网关与控制终端遵循服务映射协议，下述协议中的服务由感知网中的物理节点提供的，该协议规定了网关与控制终端间通信机制及数据交换的协议格式，不论是上行的数据包还是下行的命令包都被抽象为统一的数据格式，如表1所示,表1是网关与远程服务器统一数据包格式。

表1

DEVICE_ID定义

DEVICE_ID主要用来标识数据包的目的地址，在本协议目的地址有三类：控制终端、网关、感知设备，为了标识不同设备类型以及同一设备类型的不同设备，采用DEVICE_ID标识设备类型，RESERVED字段保存设备号。

DATATYPE定义

DATATYPE用于描述数据包的类型，数据包有如下分类方式：依据传输方式有上行、下行之分；依据数据包内容可以分为感知数据包、命令控制包、命令ACK包。而同一上行感知数据包又有周期上报、主动查询上报、紧急上报三种方式。DATATYPE字段通过相关字段的定义来区分上述各种类型的数据包，如表2所示。

表2

MAIN_TYPE编码方案：0x01-上行感知数据包；0x02-下行控制包；0x03-上行命令字应答包，SUB_TYPE编码方案：MAIN_TYPE=0x01，SUB_TYPE=0x01表示节点周期上报，SUB_TYPE=0x02表示节点紧急上报。MAIN_TYPE=0x02，SUB_TYPE用于标识不同的命令字。MAIN_TYPE=0x03，SUB_TYPE用于标识返回哪条命令字的状态信息。

SEQ_NO定义

SEQ_NO用于表示数据包的序列号，当同一设备DATATYPE相同时，SEQ_NO按序递增。

DATA_LEN定义

DATA_LEN用于表示数据包载荷长度，即PAYLOAD长度，单位为字节，不同类型数据包DATA_LEN不同。允许的最大PAYLOAD长度为65535。

RESERVED定义

预留字段，用于扩展。如针对802.15.4感知节点，DEVICE_ID=0x03、RESERVED低16位保存感知节点的节点号。

PAYLOAD定义

PAYLOAD字段针对不同DATATYPE而定义，依据PAYLOAD数据包内容类型分为三种情况：一、感知数据包类型，适用于情形MAIN_TYPE=0x01、SUB_TYPE=任意或者MAIN_TYPE=0x03，SUB_TYPE=查询命令标识。二、命令参数类型，适用于情形MAIN_TYPE=0x02，SUB_TYPE=任意。三、命令返回状态类型，适用于MAIN_TYPE=0x03，SUB_TYPE=除查询命令以外命令。

感知数据PAYLOAD如表3所示

表3

资源标识如表4所示。

表4

资源标识	数据类型	长度	含义
				0x01	double	4字节	设备工作电压
0x02	double	4字节	空气温度
				0x03	double	4字节	空气湿度
0x04	double	4字节	光照度
				……	……	……	……

如图1a所述，本系统感知网、网关、控制终端除具有上述物联网系统中其具有的基本功能外，能在设备加入和移出、应用需求增加和删减、外界因素介入时（如无线环境变化导致通信链路变化，自然环境或人为因素导致软硬件状态变化等），保证系统稳定，为实现此功能包括如下技术点：即加即用网关轻量级系统状态识别算法；高鲁棒、低功耗配置算法。

图6是物联网即加即用智能配置模块结构示意图。如图6所述，智能配置模块包括网络数据流处理器模块，模糊逻辑控制器模块，相关参数定义如表5所示。

表5

如图6所述，网络数据流处理器分析处理d，通过数据通道向应用程序提供D，同时向模糊逻辑控制器输出s_i（i时段的通信环境参数及感知网网络特性，如通信协议、网络规模、能量消耗、拓扑结构等）及e_i（实测性能指标与应用层需求指标的偏差）。它通过系统运行参数的动态精确识别得出导致系统状态变化的因素，并科学选取s_i为模糊控制器智能决策提供准确可靠的信息。

如图6所述，模糊逻辑控制器对输入的s_i、e_i模糊化得S_i、E_i，将S_i、E_i作为学习到的新经验加入规则库，经过模糊推理、清晰化给出传感器网络下一个时段的c_i+1，c_i+1设计原则为首先满足应用层需求指标σ，其次尽量提高网络的资源利用率和减少网络开销。模糊逻辑控制器根据网络运行情况制定最优配置策略，尽力保证整个配置过程快速、精确、稳定、节能。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种物联网即加即用技术的实现系统，其特征在于，包括：

感知网，包括多个传感器节点，用于采集数据；

即加即用网关，用于管理所述感知网并为控制终端提供多种服务，通过控制参数反馈的形式实现感知网的自适应调节，从而实现即加即用；

互联网，为所述即加即用网关与所述控制终端提供连接方式；

控制终端，向所述即加即用网关请求服务；

所述即加即用网关包括：

协议适配器，是数据处理中心与外界通信的接口，且该协议适配器包括802.11接口协议栈、802.15.4接口协议栈、以太网接口协议栈和RS232/RS485接口协议栈；

数据处理中心，是所述即加即用网关的核心，通过与所述协议适配器通信进行与所述感知网的交互，通过与TCP终端通信进行与控制终端的交互，通过使用内部核心数据结构进行内部各个模块之间的交互，从而实现即加即用；

所述数据处理中心包括：

TCP终端集模块，是所述即加即用网关与所述控制终端的通信通道；

终端交互线程集模块，用于与所述控制终端通信，该终端交互线程集模块中每个终端线程处理一条TCP连接，支持一个控制终端，当所述控制终端加入或离开系统请求服务时，开辟或结束与之相关的终端线程，同时将该线程加入或分离终端线程集链表；

感知节点线程集模块，为每一个感知节点模块分配一个线程，且所有线程通过链表链接起来，当一个感知设备加入或离开时，所述感知节点模块通过网络接入请求告知自身的存在，数据处理中心主进程开辟或结束一个新的感知节点模块线程，同时将其加入或删除感知节点线程集链表；该感知节点线程集模块跟踪管理感知节点模块，接收智能配置模块的配置信息，将其封装打包发送给对应的感知节点模块；

服务发现模块，实时处理感知设备加入和离开、网络资源动态申请及释放，并将感知数据封装成面向应用的多样服务，从所述感知节点线程集模块获得数据，并将其发送给智能配置模块，实现服务更新；

服务映射模块，解析用户请求，根据是服务请求还是事件订阅分别存入相应的服务请求表、事件订阅表，然后通过管理通道随时向智能配置模块发送用户新的需求指标，满足用户终端需求的增添和删减；

智能配置模块，从服务发现模块获得感知数据、从服务映射模块获得用户终端需求，对完成服务发现的感知设备进行初始配置使其正常工作；为感知设备的跟踪管理提供服务；推断是否出现软硬件异常并进行相应处理；评估通信环境质量并调整网络运行参数以稳定满足应用需求；

全局共享数据区模块，存储数据处理中心运行时的相关数据结构。

2.如权利要求1所述的实现系统，其特征在于，所述感知网包括：

感知节点模块，具有信号采集、数据处理和无线通信能力，并且组织成网络拓扑结构，完成信息传输和交互，在加入所述感知网时申请网络资源，在离开所述感知网时释放网络资源。

3.如权利要求2所述的实现系统，其特征在于，所述感知节点模块包括：

传感器模块，用于采集外界环境信息，获取数据；

传感器即加即用接口模块，使不同接口的传感器模块能以统一的接口形式与通信模块连接，用于探测识别、访问应答、响应传感器管理任务和实现对任务的初始化、响应和数据管理的功能，并保存所述传感器模块的数据；

通信模块，用于对所述传感器模块的数据进行校正、处理和控制，并按照通信协议将数据发送给所述即加即用网关。

4.如权利要求1所述的实现系统，其特征在于，所述即加即用网关还包括：

广域接入层：以单一或多种方式连接到互联网；

协议转换控制层：提供从所述感知网到应用层协议的转换，将即加即用数据处理层上传的数据统一封装，将所述广域接入层下发的数据解包成标准格式的数据；同时建立管理协议，实现与管理平台的协议对接，实现管理协议的解析并转换为感知接入层协议识别的信号和控制指令；

即加即用数据处理层：实现感知节点模块对所述即加即用网关的即加即用；

协议适配层：定义标准的感知接入层接入标准接口，使不同感知接入层协议能够通过所述协议适配层变成统一格式的数据和信令；

感知接入层：实现所述感知网的协议接入和解析，按照应用场景以一种或 多种协议组合，或通过外插模块实现多种协议的扩展，达到融合接入。

5.如权利要求1所述的实现系统，其特征在于，所述即加即用网关还包括：

TCP终端，用于与C/S客户端交互；

Web终端服务器，用于与B/S客户端交互，使用CGI程序和sqlite数据库；

感知数据库，用于存储所述感知网采集的物理环境信息；

设备描述表，用于记录感知节点模块的设备属性；

资源描述表，用于记录感知节点模块的感知资源，提供相应感知能力的传感器类型和各个物理传感器的产品参数；

服务描述表，用于记录所述控制终端提供的服务内容；

服务请求表，用于记录所述控制终端的服务请求信息；

事件订阅表，用于记录所述控制终端的订阅的事件信息。

6.如权利要求1所述的实现系统，其特征在于，所述服务发现模块的具体实现步骤为：

步骤1，感知节点模块采用多信道、多接入、跳频及动态频谱分配的接入方式与所述即加即用网关进行通信；

步骤2，感知节点模块寻址，所述即加即用网关实时维护全网的拓扑结构，同时根据感知节点模块地址标识对其寻址，实现所述感知节点模块与所述即加即用网关的点对点通信；

步骤3，感知资源上报，向所述即加即用网关发送通告消息告知提供的资源或服务；

步骤4，所述即加即用网关封装服务，对上报的资源分析，将感知节点模块的资源信息存入相应的资源描述表，而所述即加即用网关中数据处理中心对资源进行聚合处理后，将聚合成的新服务存入服务描述表；

步骤5，所述即加即用网关广播服务，数据处理中心将聚合成的新服务通过所述终端交互线程集模块向所述控制终端广播，使控制终端及时获取感知网能提供的服务；

步骤6，所述即加即用网关响应用户服务查询请求。

7.如权利要求1所述的实现系统，其特征在于，所述服务映射模块的具体实现步骤为：

步骤1，服务列表呈现，为所述控制终端将即加即用网关能提供的服务以 可视化界面显示呈现，该服务通过感知网中的物理节点提供或者通过感知资源聚合而成；

步骤2，控制终端发送服务请求、事件订阅，其中服务请求为所述控制终端主动发起，而所述控制终端执行事件订阅后，所述控制终端变为被动接收，所述即加即用网关向其定期发送事件通告；

步骤3，所述即加即用网关根据是服务请求还是事件订阅分别存入相应的服务请求表、事件订阅表，并解析及处理服务请求、事件订阅；

步骤4，所述即加即用网关根据事件订阅的触发方式向所述控制终端发送事件通告。

8.如权利要求1所述的实现系统，其特征在于，所述传感器节点包括接入网络线程、资源上报线程、服务请求查询线程；

当所述传感器节点启动后，开启接入网络线程，该接入网络线程搜索网关设备，根据网关信号强度、信号质量选择传感器节点的目的网关，并且将该目的网关地址存储在传感器节点中，每隔指定时间，感知节点模块检测与所述目的网关的连接状态，重新进行目的网关选择；

当所述传感器节点启动后，首先判断是否接入网络，如果没有，则启动接入网络线程，否则，启动所述资源上报线程；

当所述传感器节点启动后，开辟一个后台守护线程实时监测是否收到所述即加即用网关的资源查询请求，若没有，则继续监听，若收到，则启动服务请求查询线程，查询指定的传感器资源信息并发送给所述即加即用网关。