物联网实验平台的研究与实现

何清平　冯锦澎　陈滢

摘要：设计以传感节点和Android智能物联平台构成的物联网实验平台，实现了“课程体系—关键技术—物联应用”的协同，支持无线传感网操作系统、6LoWPAN等传感网新技术的研究，对今后高校物联网的实验平台建设、专业建设、课程体系建设有很好的借鉴作用。

关键词：物联网；无线传感网；射频识别；安卓

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）13-2930-03

Research and Realization on Experimental Platform for Internet of Things

HE Qing-ping， FENG Jin-peng， CHEN Ying

（School of Physics and Electronic Engineering，Guangzhou University， Guangzhou 510006， China）

Abstract： Experimental platform for Internet of Things composed of Sensor nodes and Android Intelligence things connection platform，implements a collaboration between curriculum system， key technologies and IoT applications，supports the new technologies study on sensor network such as WSN OS and 6LoWPAN， provides a good guidance on construction of IoT lab， Specialty and curriculum system.

Key words： Internet of Things； Wireless Sensor Network； Radio Frequency Identification； Android

物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后世界信息产业的第三次浪潮。从美国的“智慧地球”、日本的“i-Japan”、韩国的“U-Korea”、欧洲的“i2010”，到我国提出的“感知中国”，物联网已成为世界各国未来信息化的战略[1]。据Forrester 预测，到2020年，物联网带来的产业价值比互联网大30倍[2]，将会形成下一个万亿美元的产业。目前，物联网已写入我国的“十二五”规划中战略性新兴产业规划。

为应对国内物联网人才奇缺问题，抢占物联网产业的先机，自2010年起，教育部相继批准多间高校设立“物联网工程”、“传感网技术”和“智能电网”等物联网专业。物联网专业是一个多学科多技术交叉融合、工程实践性强、直接面向行业应用的综合性新学科群，面临着“师资、教材、实验平台”三缺位的办学难题。而物联网实验平台建设是探索实验教学、师资培养、课程建设及专业学科建设的基础，是物联网专业人才培养的关键所在。

1 物联网实验平台需求分析

1.1 物联网体系结构及技术架构

物联网[3，4，5]（IoT，Internet of Things）是运用传感器、射频识别（RFID）、GPS、二维码、嵌入式等感知处理技术获取任何需要的各种信息，借助可能的网络（如Wi-Fi无线局域网、GPRS/3G移动通信网）接入互联网的方式和标准的协议，实现世界上任意事物之间的互联互通，完成信息共享、定位追踪、智能识别、智能监测、智能控制等功能的泛在网络。物联网在智能电网、智能交通、绿色农业、智能家居、工业监控、公共安全、城市管理、智能医疗、环境监测等领域具有广阔的应用前景。由于物联网以互联网为基础，实现全面感知、可靠传递、智能处理的三大核心功能，因此物联网普遍采用三层次的体系结构表示：感知层、网络层、应用层，各层次所涉及技术架构如图1所示。在感知层，由传感器、RFID、二维码、条形码、IC卡、智能标签等技术构成；在网络层，由ZigBee/6LowPAN无线组网、Wi-Fi、GPRS/3G、 IPv4/IPv6、智能网关等互联网接入技术构成；在应用层，由Web2.0/Web3.0、云计算、云服务、智能终端等技术构成。

1.2 物联网实验平台建设的重要性

物联网专业是以计算机、电子信息、通信及自动化控制等多个学科为专业基础，涵盖传感器、计算机、射频识别、互联网、通信、云计算、信息安全等多种技术，是一个知识领域覆盖面广、多技术高度集成、多学科交叉融合、综合应用广泛的新兴学科群。多学科、多技术聚合的特点，使得物联网专业学科建设面临专业设置、师资培养、教材建设、实验实践平台建设等诸多困难：一是专业设置跨越多个学科，工程实践性强，授课师资难以保证；二是综合性知识多，技术架构复杂，实践实验性内容多，而现成的物联网专业教材少，课程设置和教师授课缺乏参考依据；三是物联网实验实践平台技术复杂、综合实践强，几乎没有现成实验教材可用的情况下，急需解决如何开展实验实践的问题。由于物联网专业特点要求授课教师必须积累丰富的工程实践经验，从而完成授课模式、教材编写、实验指导、应用研究等人才培养工作，而物联网专业及产业都处于起步阶段，实验实践平台是教师结合专业教学与科研的核心平台，是教师积累物联网工程实践经验、开展物联网示范性项目研究的关键设施。

2 物联网实验平台的设计

2.1 设计思路

物联网相关专业是以应用为导向、多学科多技术聚合学科群，涉及传感技术、计算机网络技术、通信技术、自动控制技术、互联网技术、及它们之间的相互融合，实验平台设计首先要理清所涉及的关键技术的关系。通过深入分析物联网体系结构和技术架构，物联网实验平台可采取“注重体系结构，突出关键技术，关注新兴技术”的思路来设计。

首先，从技术角度把物联网3层次体系结构对应划分为三个部分：传感网、网关、终端，便于学习者容易把握物联网的整体结构和特点，也便于学习者分步分层次掌握物联网的关键技术；其次，对物联网个模块的关键技术细节深入研究，有所侧重，在应用中关注其它新技术。在无线传感网侧重于ZigBee的无线自组网技术，同时关注以6LowPAN为代表的可与互联网无缝连接的IP化无线自组网新技术；网关部分侧重于GPRS/3G移动网关、Wi-Fi网关等接入互联网的嵌入式网关技术，并关注对IPv6等新技术的支持；终端部分侧重于Android智能移动终端的应用，同时关注云服务及WebOS新技术。

2.2 实验平台的设计

实验平台的设计既要满足教学实验、实践创新、示范研发的功能，也要适应不同实验课程在授课过程中的独立性，又要突出物联网的体系结构的层次性，并覆盖涉及的关键技术，同时便于学生和教师构建各类应用，保证课程体系、关键技术、软硬件架构的一致性，满足各类实验实践以及物联应用研究的需求。因此，首先把物联网实验平台分为两个部分独立设计：各类传感节点的设计、Android嵌入式智能物联平台设计，两个部分可通过丰富的通信接口相互连接，实现“课程体系—关键技术—物联应用”的协同。

图2 各类传感节点的构成

2.2.1 各类传感节点的设计及其关键技术

传感节点由各种不同功能的传感器、处理器、各类通信接口构成。本设计以ARM Cortex-M3系列处理器STM32F1xx为处理核心、ZigBee/Wi-Fi/Bluetooth/IPv6/RFID等无线通信接口构成温湿度、火焰、烟雾、RFID等各类传感器节点，如图2所示。同类别的传感节点间可实现简单组网，使传感节点的设计与课程内容紧密对应：RFID节点对应《RFID原理与应用》、《EPC与RFID技术》；ZigBee/Bluetooth/Wi-Fi/IPv6节点对应《无线传感网络技术》、《ZigBee无线传感网设计与应用》、《基于IPv6传感网设计》、《Cortex-M3处理器应用》、《传感器原理与应用》等课程。本设计以市场主流的、性能优越的Cortex-M3系列处理器为核心，可轻松处理各类传感器信号和控制各类节点通信，从而保证在软硬件设计的一致性，实现传感节点设计的结构化，便于学校根据课程体系来选择不同的传感节点完成实验室建设，方便开展实验教学。

2.2.2 Android智能物联平台的设计

Android智能物联平台是由多协议互联接入的网关和Android终端通过嵌入式技术嵌合构成。本设计以ARM Cortex-A8系列处理器SSPV210为核心，并提供IPv6、ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、GPRS/3G等无线传感通信接口、Ethernet以太网接口、USB/Video/UART/LCD等标准接口，支持Linux/Android操作系统应用，如图3所示。因此，本设计既可实现多协议互联的嵌入式网关或用作Android智能移动终端，也可接入互联网与服务器/云端连接，构建移动物联网的应用，并可开设丰富的实验课程，包括《ARM嵌入式系统应用》、《嵌入式网关技术》、《Anroid应用编程》、《无线组网技术》、《中间件技术》、《云计算技术》。此外，由于提供了丰富的传感节点通信接口，可根据需求使用不同的传感节点构建各类创新实践应用或进行示范项目研究，如基于Bluetooth节点可研究当前业界最热门的的智能穿戴应用，基于ZigBee/Wi-Fi节点可研究智能家居、智能交通、工业物联网等应用，基于GPRS/3G节点可研究远程监控、智能安防等应用，基于RFID节点可研究智能物流等应用，灵活支持开展课程实验和各类应用研究。

图3 Android智能物联平台

2.2.3 无线传感网操作系统

无线传感网是多个具有感知、通信和计算能力的小型无线传感器网络节点自组织而成的新型网，是物联网感知层的核心单元。为适应无线传感网应用的复杂化、实时性、联网等要求，降低软件开发难度，从而引入支持低功耗、IEEE802.15.4标准、多任务、TCP/IP联网的无线传感网络操作系统，常见的有TinyOS、Contiki等。TinyOS[6，7]是UC Berkeley采用NesC编写的一种非抢占式的无线传感器网络节点的开源操作系统。它基于组件化的架构、事件驱动的执行模式，适应了高并发事件处理，减少了主动耗能。但其采用先到先服务的静态调度策略，导致较严重的系统短任务或实时性较强的任务无法优先执行，实时性响应不足[8，9]。目前，TinyOS联盟为其提供了完整的开发平台，TinyOS可运行于Telos、Mica、IRIS、Imote2等多种硬件平台。Contiki[10，11，12]是由瑞典计算机科学研究所、Adam Dunkels等人用C语言编写的一种可选抢占式多任务的无线传感器网络节点的开源的操作系统。它包括一个事件驱动的多任务调度内核、提供IPv4/IPv6协议栈（uIP）、低功耗的无线通讯栈Rime，具有可移植性高、实时性好等特点，可为硬件资源受限的嵌入式网络设备提供多任务和内建TCP/IP支持，目前已被成功运行于多种硬件平台，如ARM、AVR、MSP430、CC2430、CC2530、STM32W108、X86等。

传感节点的设计以ARM Cortex-M3系列处理器、cc2530、cc2540为核心，支持TinyOS、Contiki等无线传感操作系统的应用研究。

2.2.4 6LoWPAN无线传感网

无线传感网络如何接入互联网是构建物联网的关键要素。ZigBee等支持IEEE802.15.4标准低功耗传感组网协议，仅考虑网络内部节点之间的通信，无法实现与TCP/IP协议直接连接，IPv6因其具有海量地址空间、良好的移动性支持、地址自动配置等特点，已逐渐取代IPv4成为下一代互联网协议。IETF组织通过将IPv6引入以IEEE802.15.4标准为基础的无线传感网络形成6LoWPAN协议[12，13]，可为每个传感器节点分配独立的IP地址，并已成功运行于低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网等通信场合，有望从根本上解决物联网感知层传感器节点接入互联网的问题，实现各网络节点的IP化互联，真正实现端到端的控制与通信。而本实验平台可研究基于Contiki、TinyOS等无线操作系统基的6LoWPAN传感网络，以及6LoWPAN传感网与Internet通信等重要的物联网技术研究课题。

3 总结

本文在深入理解物联网体系结构及其技术架构的基础上，以“注重体系结构，突出关键技术，关注新兴技术”思路，设计了由STM32F1xx为处理核心的各类传感器节点和SSPV210为核心的Android嵌入式智能物联平台组成的物联网实验平台。本实验平台支持无线传感操作系统、6LoWPAN等无线传感网新技术的研究，实现了“课程体系—关键技术—物联应用”的协同，以“传感节点结构化（硬件化）—互联接入平台化（软硬件接口）—终端应用软件化”的平台模式，为感知与控制、传输与网络、软件与服务等物联网专业方向提供灵活的实验平台与行业应用支持，对今后高校物联网的实验平台建设、专业建设、课程体系建设有很好的指导作用。

参考文献：

[1] 李研，吴淼，吕延杰，赵蔚.国外物联网发展情况及对中国物联网发展的启示[A].两化融合与物联网发展学术研讨会论文集[C].北京：中国通信学会通信管理委员会，2010.4：12-16.

[2] 洪黎明.”两化”融合将成物联网发展主要动力[N].人民邮电报，2010.3.6，第7版.

[3] 刘亮.基于3G的物联网网关设计[D].大连理工大学硕士学位论文，2011.12：1-4.

[4] 雷震洲.解读智慧地球 [A].两化融合与物联网发展学术研讨会论文集[C].北京：中国通信学会通信管理委员会，2010.4：1-4.

[5] 广州飞瑞敖公司.物联网工程实验室建设案例应用[DB/OL].http：//success.rfidworld.com.cn/2013_09/6b6faa3434f2c42d.html，2013.9.25.

[6] 胡纯意.基于TinyOS的无线传感网络环境参数采集系统设计与实现[D].中南大学硕士学位论文，2010.6：8-14.

[7] 李丽娜，石高涛，廖明宏.传感器网络操作系统TinyOS 关键技术分析[J]. 哈尔滨商业大学学报（自然科学版），2005.12，21（6）：724-727.

[8] 王志强，刘建明，李宏周，彭智勇.基于TinyOS的非抢占双环周期协同调度策略[J]. 桂林电子科技大学学报，2014.2，34（1）：37-41.

[9] 吴小娜，王 漫.无线传感器网络操作系统TinyOS综述[J]. 计算机与现代化，2011（2）：114-116.

[10] 冀宇鑫，杨冬，秦雅娟，郑涛，武尚青.基于WSNs平台的Contiki通用移植方法研究[J]. 计算机技术与发展，2012，22（11）：134-137.

[11] 盛李立.基于Contiki操作系统的无线传感器网络节点的设计与实现[D].武汉工程大学硕士学位论文，2012.5：23-25.

[12] 余国平.基于Contiki的IPv6自组织传感网络研究与设计[D].武汉科技大学硕士学位论文，2013.5：26-27.

[13] 朱晓荣 李凤国.基于Contiki的6LoWPAN适配层的研究与实现[J].信息通信技术，2013（3）：66-70.

2.2.4 6LoWPAN无线传感网

无线传感网络如何接入互联网是构建物联网的关键要素。ZigBee等支持IEEE802.15.4标准低功耗传感组网协议，仅考虑网络内部节点之间的通信，无法实现与TCP/IP协议直接连接，IPv6因其具有海量地址空间、良好的移动性支持、地址自动配置等特点，已逐渐取代IPv4成为下一代互联网协议。IETF组织通过将IPv6引入以IEEE802.15.4标准为基础的无线传感网络形成6LoWPAN协议[12，13]，可为每个传感器节点分配独立的IP地址，并已成功运行于低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网等通信场合，有望从根本上解决物联网感知层传感器节点接入互联网的问题，实现各网络节点的IP化互联，真正实现端到端的控制与通信。而本实验平台可研究基于Contiki、TinyOS等无线操作系统基的6LoWPAN传感网络，以及6LoWPAN传感网与Internet通信等重要的物联网技术研究课题。

3 总结

本文在深入理解物联网体系结构及其技术架构的基础上，以“注重体系结构，突出关键技术，关注新兴技术”思路，设计了由STM32F1xx为处理核心的各类传感器节点和SSPV210为核心的Android嵌入式智能物联平台组成的物联网实验平台。本实验平台支持无线传感操作系统、6LoWPAN等无线传感网新技术的研究，实现了“课程体系—关键技术—物联应用”的协同，以“传感节点结构化（硬件化）—互联接入平台化（软硬件接口）—终端应用软件化”的平台模式，为感知与控制、传输与网络、软件与服务等物联网专业方向提供灵活的实验平台与行业应用支持，对今后高校物联网的实验平台建设、专业建设、课程体系建设有很好的指导作用。

参考文献：

[1] 李研，吴淼，吕延杰，赵蔚.国外物联网发展情况及对中国物联网发展的启示[A].两化融合与物联网发展学术研讨会论文集[C].北京：中国通信学会通信管理委员会，2010.4：12-16.

[2] 洪黎明.”两化”融合将成物联网发展主要动力[N].人民邮电报，2010.3.6，第7版.

[3] 刘亮.基于3G的物联网网关设计[D].大连理工大学硕士学位论文，2011.12：1-4.

[4] 雷震洲.解读智慧地球 [A].两化融合与物联网发展学术研讨会论文集[C].北京：中国通信学会通信管理委员会，2010.4：1-4.

[5] 广州飞瑞敖公司.物联网工程实验室建设案例应用[DB/OL].http：//success.rfidworld.com.cn/2013_09/6b6faa3434f2c42d.html，2013.9.25.

[6] 胡纯意.基于TinyOS的无线传感网络环境参数采集系统设计与实现[D].中南大学硕士学位论文，2010.6：8-14.

[7] 李丽娜，石高涛，廖明宏.传感器网络操作系统TinyOS 关键技术分析[J]. 哈尔滨商业大学学报（自然科学版），2005.12，21（6）：724-727.

[8] 王志强，刘建明，李宏周，彭智勇.基于TinyOS的非抢占双环周期协同调度策略[J]. 桂林电子科技大学学报，2014.2，34（1）：37-41.

[9] 吴小娜，王 漫.无线传感器网络操作系统TinyOS综述[J]. 计算机与现代化，2011（2）：114-116.

[10] 冀宇鑫，杨冬，秦雅娟，郑涛，武尚青.基于WSNs平台的Contiki通用移植方法研究[J]. 计算机技术与发展，2012，22（11）：134-137.

[11] 盛李立.基于Contiki操作系统的无线传感器网络节点的设计与实现[D].武汉工程大学硕士学位论文，2012.5：23-25.

[12] 余国平.基于Contiki的IPv6自组织传感网络研究与设计[D].武汉科技大学硕士学位论文，2013.5：26-27.

[13] 朱晓荣 李凤国.基于Contiki的6LoWPAN适配层的研究与实现[J].信息通信技术，2013（3）：66-70.

2.2.4 6LoWPAN无线传感网

无线传感网络如何接入互联网是构建物联网的关键要素。ZigBee等支持IEEE802.15.4标准低功耗传感组网协议，仅考虑网络内部节点之间的通信，无法实现与TCP/IP协议直接连接，IPv6因其具有海量地址空间、良好的移动性支持、地址自动配置等特点，已逐渐取代IPv4成为下一代互联网协议。IETF组织通过将IPv6引入以IEEE802.15.4标准为基础的无线传感网络形成6LoWPAN协议[12，13]，可为每个传感器节点分配独立的IP地址，并已成功运行于低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网等通信场合，有望从根本上解决物联网感知层传感器节点接入互联网的问题，实现各网络节点的IP化互联，真正实现端到端的控制与通信。而本实验平台可研究基于Contiki、TinyOS等无线操作系统基的6LoWPAN传感网络，以及6LoWPAN传感网与Internet通信等重要的物联网技术研究课题。

3 总结

本文在深入理解物联网体系结构及其技术架构的基础上，以“注重体系结构，突出关键技术，关注新兴技术”思路，设计了由STM32F1xx为处理核心的各类传感器节点和SSPV210为核心的Android嵌入式智能物联平台组成的物联网实验平台。本实验平台支持无线传感操作系统、6LoWPAN等无线传感网新技术的研究，实现了“课程体系—关键技术—物联应用”的协同，以“传感节点结构化（硬件化）—互联接入平台化（软硬件接口）—终端应用软件化”的平台模式，为感知与控制、传输与网络、软件与服务等物联网专业方向提供灵活的实验平台与行业应用支持，对今后高校物联网的实验平台建设、专业建设、课程体系建设有很好的指导作用。

参考文献：

[1] 李研，吴淼，吕延杰，赵蔚.国外物联网发展情况及对中国物联网发展的启示[A].两化融合与物联网发展学术研讨会论文集[C].北京：中国通信学会通信管理委员会，2010.4：12-16.

[2] 洪黎明.”两化”融合将成物联网发展主要动力[N].人民邮电报，2010.3.6，第7版.

[3] 刘亮.基于3G的物联网网关设计[D].大连理工大学硕士学位论文，2011.12：1-4.

[4] 雷震洲.解读智慧地球 [A].两化融合与物联网发展学术研讨会论文集[C].北京：中国通信学会通信管理委员会，2010.4：1-4.

[5] 广州飞瑞敖公司.物联网工程实验室建设案例应用[DB/OL].http：//success.rfidworld.com.cn/2013_09/6b6faa3434f2c42d.html，2013.9.25.

[6] 胡纯意.基于TinyOS的无线传感网络环境参数采集系统设计与实现[D].中南大学硕士学位论文，2010.6：8-14.

[7] 李丽娜，石高涛，廖明宏.传感器网络操作系统TinyOS 关键技术分析[J]. 哈尔滨商业大学学报（自然科学版），2005.12，21（6）：724-727.

[8] 王志强，刘建明，李宏周，彭智勇.基于TinyOS的非抢占双环周期协同调度策略[J]. 桂林电子科技大学学报，2014.2，34（1）：37-41.

[9] 吴小娜，王 漫.无线传感器网络操作系统TinyOS综述[J]. 计算机与现代化，2011（2）：114-116.

[10] 冀宇鑫，杨冬，秦雅娟，郑涛，武尚青.基于WSNs平台的Contiki通用移植方法研究[J]. 计算机技术与发展，2012，22（11）：134-137.

[11] 盛李立.基于Contiki操作系统的无线传感器网络节点的设计与实现[D].武汉工程大学硕士学位论文，2012.5：23-25.

[12] 余国平.基于Contiki的IPv6自组织传感网络研究与设计[D].武汉科技大学硕士学位论文，2013.5：26-27.

[13] 朱晓荣 李凤国.基于Contiki的6LoWPAN适配层的研究与实现[J].信息通信技术，2013（3）：66-70.