【《物联网在智能家居的应用设计（论文）》6200字】.docx

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1、物联网在智能家居的应用设计目录第1章绪论1第2章物联网技术22.1 物联网应用平台架构22.2 物联网网关分层架构32.2.7 构建网关系统32.2.8 构建网关分层架构.4第3章物联网在智能家居的应用53.1 网络通信协议53.2 CoAP可靠传输机制63.3 设备数据上传和更新63.3.1 数据操作流程63.3.2 数据上传与更新消息定义63.4 物联网通信系统数据采集73.5 智能家居平台数据推送83.5.1 智能家居平台推送流程83.5.2 推送消息定义9结论10参考文献11第1章绪论依据传统电信网以及互联网络等消息承载体，可以使得具备独立寻址的普通物体去实现相互连通的网络就是物联网(

2、IntenIetofthings,IOT)o物联网是根据一定的互联网协议，将项目、物体等对象设置输入输出等硬件，然后利用软件系统和硬件信号去实现信息之间的交互以达到可以智能控制的目的。20世纪以后人们对于信息技术的应用进行拓展的主要核心，就是在计算机。在2019年，我国对物联网的连接环境更是进行了进一步的优化，推动了5G、IPV6、NB-IOP等多种网络建设，促进了物联网的实质性发展。物联网的概念提出始于1999年，并且随着IBM的加入，更是得到了美国政府的支持，在全球引起了广泛关注，许多国家更是将物联网当成该国家的发展战略，也是因此物联网的发展得到了进一步的推广。在中国，起步相对较早的物联网

3、也得到了广泛的兴起，新世纪以后新的信息化技术的具体体现主要在物联网的发展上面。更会成为我国战略性的一些新兴产业链的重要一员，产业发展一定会带动我们国家整个国民经济的蓬勃发展，并且我国国家领导人在政府报告里也提到要加快物联网的研究，因此，物联网的潜力是巨大无比的。随着其产业的迅速发展，目前物联网被应用在多个领域，包括智能物流、智能家居、智能交通、医疗保健等各个领域。物联网网关可以被分为由协议适配层、数据模型同步层、感知接口层和平台通信层组成的，其中协议适配层主要负责对搜集的数据进行封装并完成上传工作；数据模型同步层主要负责对数据进行传输和更新；感知接口层负责提供设备接入的接口；平台通信层负责和云

4、平台之间的对接。在物联网系统内，物联网网关是作为连接网络设备以及传统网络的桥梁，将各自分散到不同应用、不同地域的感知网络的信息孤岛通过网络进行连接，并且实现异构网络间的通信和信息交换，推动了物联网的应用。为了解决物联网智能家居系统数据传输的问题和需求，本文在研究物联网在智能家居的实际应用中，设计了基于多通信协议的物联网网关与平台之间双向通信系统。首先，设计了基于Node.js+Socket.IO+Redis的通信系统模块化的设计与实现，采用一致的资源描述方式，安全高效的完成底层传感设备的接入、数据上传和数据模型的实时更新。其次，为了满足物联网系统的可拓展性，实现更多类型设备资源的加入，因此CO

5、AP协议就出现了，在对于完成客户端与服务器双方都可以主动进行沟通，同时也能够实时分享数据的双向传输，CoAP协议对此功能有了很好的表现方式。因此，完成了基于CoAP通信协议的物联网智能家居系统的设计，从而更好地实现多种智能家居设备的接入、管理和数据交互的功能。第2章物联网技术2.1 物联网应用平台架构物联网系统架构，使用基于平台+网关的开放设备体系，完成对底层传感设备数据的接入、传输和处理等，最终通过前端界面展现给个人电脑用户(persona1computer,PC)或着移动端用户。服务器选用NOde.js,用javascript语言来进行程序的实现，完成平台对于底层设备的接入和数据的传输等功

6、能。利用Nodejs的非阻塞机制、事件循环机制特性，使得平台在处理大量并发I/O请求，在向客户端发出响应之前，不需要进行复杂的计算的时候，可以进行快速的传输，不会产生数据高并发的问题。物联网系统架构如图3.1所示。图2-1物联网开放平台架构图2-1中，利用底层设备、物联网网关、物联网云平台以及浏览器组成物联网系统架构。其中物联网云平台又把可以解决不同需求的部分划分出来，物联网事件平台和资源平台便是其中的两部分。事件平台主要针对事件进行操作处理，资源平台则将物联网网关设备的一些操作例如模型的创建以及管理作为一部分功能来实现。在需要将底层设备的实时数据和图片数据通过建立连接进行传输时，则可以通过对

7、于物联网系统中的网关和平台之间建立一个连接，完成这些数据到平台的一个传输过程，并加入数据库中，实现平台对底层设备数据的接入、管理和存储等。在此基础上，平台可也对于底层设备有一个操作和管理的过程实现，主要是为了完成在物联网平台已经注册好的虚拟的实体数据的模型与上传到物联网网关的实时的数据模型的一个同步更新的过程；与此同时，可以通过对于物联网平台创建接口来实现与用户浏览器的连接，将数据传输到前端进行显示，供用户去查看和访问。2.2 物联网网关分层架构物联网系统中为了完成底层设备的认证、数据上传、数据更新等管理以及应用，对于连接云平台和底层设备的桥梁采用物联网网关完成。为了实现网关对设备的协议的转换

8、、管理与广泛接入，因此我们对网关进行分层架构和系统模块设计。2.2.1 构建网关系统网关系统用来完成传感设备数据快速存取、加快事件处理速度，减轻平台压力，实现网关对设备的管理，网关系统模块如图2-2所示。图2-2网关系统模块图2.2中，网关系统模块主要由SoCket.IO通信模块、网关和设备模型模块、网关和设备管理与事件处理模块、设备通信模块以及网关心跳、加密处理5部分组成。Socket1O通信模块实现物联网平台和物联网网关的双向通信系统的建立，用于实现设备的接入等一系列操作；网关和设备模型模块在网关上电后自动与平台通信，按平台注册模型建立网关和设备物理模型，并维持与平台实时同步更新；网关和设

9、备管理与事件处理模块完成对网关和设备的状态管理、网关的配置管理和设备的位置及操作管理，同时实现对网关设备模型事件处理模块和事件监测模块的处理；设备通信模块通过Tcp通信来实现底层设备的接入，完成传感设备数据和物理网关设备模型数据的转换；网关心跳管理模块需要定时上传心跳信息到机器服务器，否则机器服务器认为网关关机，并上传状态到平台数据库；加密处理模块采用MD5加密方式对网关接入认证时分配的userkey和网关ID进行认证授权网关。2.2.2 构建网关分层架构在网关分层架构中，可将其分为由平台通信层和数据模型管理同步层组成的网关内部模块，由协议适配层和感知接口层组成的设备接入模块两部分组成，并且在

10、两个模块之间采用TCP进行通信，来完成我们对于设备的接入认证，设备的管理以及设备数据的协议转化。网关分层架构如图2-3所示。数据模型管理同步层平台通信层TCP服务器设备接入模块TCP客户端r协议适配层感知接口层设备图2-3网关分层架构图图2.3中，感知接口层、协议适配层、数据模型同步与处理层以及平台通信层是被分层了的网关的架构。感知接口层主要是用来连接底层传感设备，并且接收来自设备的消息先经过协议适配层的通用协议进行转化以后再将其上传到平台去，对于大多数通用设备，提供通用适配程序；对于非标）隹的设备来说，可以通过专门开发程序来实现。协议适配层用来实现对来自下层接口的的各种协议类型的数据的转化，

11、利用已经定义好的格式，完成设备数据模型与实际设备间的数据转换，实现物联网平台对各类设备的接入。数据模型管理同步层主要的功能是对于不管是平台下发还是设备上传的数据进行一个解析和处理的过程。其中对于来自设备的数据，要进行上传和更新；而对于平台下发的需要对设备进行操作的消息，要按照一定的协议方式来下发处理给设备；模型同步则是需要实时完成的一个动作，只要有更新，便必须进行平台中的模型与网关中的模型的一个同步更新，并发送同步消息。平台通信层的功能是既要完成下层即数据模型管理同步层发来的同步消息的接收，进行同步操作，同时也要给网关下发数据模型同步更新的消息。通过构建SOCket.IO客户端，以及在机器服务

12、器中构建服务器端，来完成物联网平台双向通信系统的实现。第3章物联网在智能家居的应用3.1 网络通信协议为可以实现比较远距离的访问，智能家居系统连接到Internet网络，在Inten1et上交换客户端和服务器数据，在物理网络和互连层之间接收和发送IP数据包，实现设备的公共网络。为了实现网络通信的功能，必须通过TCP/IP协议栈进行干预，形成对网络数据的交互功能。系统的TCP协议采用了一系列简化机制，在系统功能的前提下，大大提高了利用率。3.2 CoAP可靠传输机制物联网智能家居系统中，服务器的作用就是为了完成所有设备的连接，这时的平台压力很大，因此减少平台服务器的连接量是主要目的，COAP协议

13、的连接与传输可以通过不可靠的协议(UDP)来实现。所以消息会有很多可能，也许乱序到达、也许没有回应、或也许数据丢失、重复接收等等。这些现象如果通过TCP协议进行消息传输的话，是不会出现以上情况的。可以通过模仿模仿TCP协议的办法，使作为应用层协议的COAP协议对于数据的传输质量有保证，在内部就可以实现轻量级的传输机制可靠，避免了上述现象的发生，以便提供可靠的智能家居设备传输的服务。CoAP协议可靠性有以下特点：(1)通过使用停等协议来完成对于一个需要确认的消息进行响应，一直等到第一条消息有回应时在发送下一条。(2)通过采取对于通信双方的待处理消息的限制，来预防通信拥堵的现象的产生。(3)不管一

14、条消息是否需要进行确认，都要通过对于消息的反复排查来阻止消息的反复发送。3.3 设备数据上传和更新3.3.1 数据操作流程智能家居设备需要而且必须要与物联网智能家居系统建立连接，在设备认证成功以后。对于底层设备数据的模型同步需要与设备数据传输到平台端的过程同步进行。底层设备的数据先由TCP协议传送至网关端，然后完成模型的一个同步过程。也就是说需要保持物理的数据模型与平台的数据模型一致，也就是说，每当平台模型发生更改时，相应的物理模型就必须更改。然后完成智能家居设备实际数据与设备数据模型的同步转换，其中包括状态更新数据和设备的实际数据等。开始数据上传流程前，我们首先要进行初始化工作，智能家居网关

15、中的SocketIO客户端要先开始监听智能家居设备上传的数据，然后对于数据的类型要做出判断和处理。若监听到的为设备认证消息，则通过智能家居设备认证流程对设备完成认证过程的实现并且将物理网关设备模型返回；若监听到的消息为需要对设备数据更新，则需通过数据上传流程同步更新数据至平台端，完成底层设备数据的实时更新过程。3.3.2 数据上传与更新消息定义(1)上传实际数据实际数据指的是底层传感设备传输给网关的数据，包括来自温湿度传感器的数据以及摄像机采集到的图片数据，具体消息定义如下：msgType:deviceData”;gwid:“gwid”;devid:devid;dataType:dataType”;据等dataTime:dataTime”;binaryData:binaryData;设备数据消息网关标识符设备标识符数据类型，如温湿度传感数据、图片数数据获取时间点图片数据的格式为二进制)(2)更新状态数据包设备可能存在被使用和不被使用的情况，因此，要将设备现在的实时状态更新情况传输给平台端，平台则会根据收到的数据包进行一个同步更新的过程。具体状态更新消息定义如下：msgType:devstateUpdate;进行状态更新的消息gwid:“gwid”；网关标识符devid:devid;设备标识符devState:devState;设备状态