摘 要： 探索了目前方興未艾的物聯網技術，以一個智能化車間為基礎，實現了“物”的互聯網接入、信息的流通、遠程控制、信息的安全管理等。使用一個工控PC作為網關，接入因特網，使用在全世界范圍內接入因特網的個人電腦、手機等手持式終端設備作為遠程控制端，啟動瀏覽器，輸入一個固定的網址，經過安全認證，登錄成功后就可以在網頁上很直觀、方便、安全地操作車間內的被控設備，并實時接收、查看各傳感器所采集到的信息。
關鍵詞： 物聯網；網關；Web；傳感器
物聯網IOT（Internet of Things）是新一代信息技術的重要組成部分。顧名思義，物聯網就是物物相連的互聯網。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。因此，物聯網的定義是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。
目前，構建物聯網平臺的技術方案[1-3]比較典型的有兩種基本體系結構，一種是基于分布式計算的，各物品獨立接入互聯網。這要求每個物品都具有完善的網絡接入與數據交換功能，在成本、安全性、使用的方便性等很多方面存在不足，特別是在目前實際使用的IPv4協議中的IP地址資源面臨枯竭的情況下，只能少量用于某些特別的場合。另一種是基于網關的體系結構。在一個合適的地域范圍內，使用一個專用的網關設備接入互聯網，而物品則只直接連接到網關，各種信息都通過網關中轉。這種方式無疑有很多優越性，大量的設備只需要一個公共點接入互聯網，節約IP地址，甚至可以通過NAT 等方式接入互聯網，無需獨立的IP地址，通過公共的訪問接口訪問、控制各個設備，容易進行完善的安全管理。所以本文探索的是這種基于網關的體系結構。
1 體系結構
本物聯網實驗平臺的體系結構如圖1所示。網關是其關鍵性設備，一方面，網關與互聯網相連，實現與終端設備的互聯互訪；另一方面，網關與被控設備（聯入物聯網的物品）相連，物品發出與接收的信息都通過網關中轉。遠程端設備是能接入互聯網的手機、PAD、PC等。
2 硬件系統的設計與制作
2.1 網關的設計
網關的硬件有多種，其核心CPU常用的有兩種大的類別：基于ARM和基于Intel X86兼容芯片。目前ARM系列的CPU不支持Windows系列的操作系統，所使用的指令系統也不同，開發難度相對較大，功能的拓展等也都不便。本技術方案采用基于Intel X86兼容CPU的工控PC作為網關，外型小巧、功耗低，無風扇設計，可長期穩定運行，支持Windows操作系統，技術成熟，軟硬件支持性好，有大量現有的軟硬件資源可以利用，所以整個系統的開發比ARM平臺更為簡單方便。
2.2 控制電路的設計與制作
如果每個“物品”都與網關直接相連、通信，在被控“物品”較多時，網關PC的通信接口勢必不夠，因此整個控制電路使用了多個單片機系統，使用其中的一個單片機作為中央節點與網關通信，通信方式選用最簡單實用的RS-232串口通信。中央節點還實現溫濕度的檢測、入侵報警信息檢測功能。單片機都使用AT89S52，它是一種低功耗、高性能CMOS 8 bit微控制器，具有8 KB在系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 bit CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。
（1）門的開關控制
單片機通過驅動芯片驅動直流電機的正反轉，通過齒輪結構減速，絲桿螺母機構將旋轉運動轉變為直線驅動，實現門的開關控制。安裝兩個行程開關，當門運動到極限位置時，行程開關動作，單片機控制電機停止運轉。
（2）換氣風扇和水閥門的控制
單片機工作電壓是5 V，如承受過高的電壓，將受到不可恢復的嚴重損害。風扇的工作電壓是交流220 V，必需實現強弱電隔離。選用直流驅動形式的小型電磁式繼電器，絕緣介質耐壓能達到1 000 V以上，保證人員和設備的安全。
（3）外景燈的控制
本實驗平臺為了達到美觀的效果，設計了一套外觀裝飾燈，每一個燈都使用一個紅綠雙色LED，能發出紅、綠、黃3種顏色，使用單片機控制，有多種非常美觀的組合、動態效果。
（4）入侵檢測
使用熱釋電紅外線傳感器，檢測非法入侵的人員，由單片機對檢測到的信號進行處理，通過網關發送到終端設備。
2.3 終端設備
終端設備可以是能接入互聯網的手機、PAD或PC等，終端硬件平臺類型非常繁多，但目前這些設備一般都安裝有Web瀏覽器軟件，運行瀏覽器，輸入一個固定的網址，登錄后就能實現與物聯網平臺的通信、控制。
3 軟件系統的設計
3.1 總體結構
軟件系統的總體結構如圖2所示。其中，網關是一個Web服務器，Web服務器連接實時數據庫，制作一實時監控軟件用于監控數據庫的變化，并將這種變化發送給單片機中央節點，由中央節點單片機作出判斷處理，直接作出反應，或控制外圍單片機系統操作其他的電子裝置。
3.2 Web服務器
遠程端的軟硬件條件千差萬別，一般都互不兼容。如果采用傳統的CS（客戶機-服務器）模式，需要為每種軟硬件平臺開發客戶端程序，非常不便。本實驗平臺采用BS（瀏覽器-服務器）模式，使用遠程端自帶的瀏覽器，免除了開發客戶端程序的負擔，而且平臺兼容性非常好。
網關接入互聯網，同時，在網關上安裝Web服務器軟件，網關就可以對外提供Web服務，接收遠程客戶端的訪問。
網關接入互聯網可以選擇多種方式。如果有固定IP，外部只需直接訪問該IP地址。如果是動態IP，如ADSL，每次撥號都可能獲得不同的IP，則需與動態域名解析配合使用，才能從固定的域名訪問到網關。如果是使用NAT等方式接入互聯網，需要從外部發起訪問，能訪問到位于內網的網關，則必須使用端口映射、DMZ主機等技術。
Web服務器軟件選用APACHE，添加PHP的支持模塊。APACHE是一款廣泛使用、穩定、安全、高效的開源服務器軟件。PHP是一種HTML內嵌式的語言，是一種在服務器端執行的嵌入HTML文檔的腳本語言，語言的風格類似于C語言，安全、高效，被廣泛地運用。使用PHP進行安全認證處理，操作數據庫，為遠程端提供信息，接收遠程端發出的操控信息，將遠程端的操作寫入數據庫等。
3.3 監控、服務、通信程序
該程序運行在網關上，使用Borland C++ Builder 6.0開發，隨網關開機自動運行。一方面，該程序負責監控實時數據庫的變化，如有變化，則將這種變化發送到單片機中央節點，再轉發到其他的單片機具體執行，實現各種控制功能。另一方面，該程序負責接收單片機中央節點發送給網關的信息，如燈的開關狀態、溫度、濕度、紅外報警信息等，寫入數據庫，遠程端通過訪問PHP程序，就能得知這種變化或狀態。
3.4 單片機程序的開發
開發工具使用Keil C51，它是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（uVision）將這些部分組合在一起。
開發過程中，還使用Proteus軟件進行硬件電路的仿真[4]，Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司出版的EDA工具軟件。它能仿真單片機及外圍器件，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺。在編程時，使用Proteus軟件進行仿真運行，可以直接驗證運行效果，根據電路原理圖[5]、PCB設計圖制作電路，大幅度提高了開發效率。中央節點單片機系統電路仿真圖如圖3所示。
經過長時間地運行和測試，本實驗平臺已經基本完善，適合于研究探索物聯網新技術，適合于學生了解和體驗物聯網的概念，學習軟硬件的開發設計與制作等。本實驗平臺具有實用、穩定、安全的特點，有良好的應用前景。
參考文獻
[1] 黃玉蘭.物聯網體系結構的探究[J].物聯網技術，2011（2）：58-62.
[2]韓騰.物聯網體系結構[EB/OL].Http：//wenku.baidu.com/view/6331f4c75fbfc77da269b1da.html，2009.
[3] 杜江.PHP5完全攻略[M].北京：電子工業出版社，2010.
[4] 周潤景.基于PROTEUS的電路及單片機設計與仿真（第2版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.
[5] 高衛東.51單片機原理與實踐（C語言版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.