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云平台分布式智能感知物联网应用开发

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资料介绍

为克服使用传统嵌入式模式开发物联网应用的复杂性,以实现将千差万别的设备使用标准的方式进行连接和访问,能将各种设备按统一的接口和协议进行访问,并构建分布式物联网架构,最终实现物联网与云平台的融合,通过云平台任何终端均可访问物联网的所有设备;研究使用基于Node.js[1]的Zetta[2]框架将所有设备发布为统一的REST API接口,通过Zetta提供的Link机制并使用协议WebSocket实现与云平台上Zetta服务器的实时数据通讯,保持云平台与物联网设备的同步;实现了全新的物联网应用开发模式和架构,构建了一个高效实时同步、开发快捷、维护简便的分布式物联网应用;使用统一的模型化方法和高效Node.js平台实现快速开发基于云平台的物联网应用,克服了传统开发使用C语言开发物联网的弊病.

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中图分类号：TP399

文献标识码：B

文章编号：1671—4598(2016)07—0212—03

DOI：10．16526／j．cnki．11—4762／tp．2016．07．057

云平台分布式智能感知物联网应用开发

吕海东，葛日波

(大连理工大学城市学院，辽宁大连

116600)

摘要：为克服使用传统嵌入式模式开发物联网应用的复杂性，以实现将千差万别的设备使用标准的方式进行连接和访问，能将各种

设备按统一的接口和协议进行访问，并构建分布式物联网架构，最终实现物联网与云平台的融合，通过云平台任何终端均可访问物联网

的所有设备；研究使用基于Node．js[1

3的Zetta[23框架将所有设备发布为统一的REST API接VI，通过Zetta提供的Link机制并使用协议

WebSocket实现与云平台上Zetta服务器的实时数据通讯，保持云平台与物联网设备的同步；实现了全新的物联网应用开发模式和架构，

构建了一个高效实时同步、开发快捷、维护简便的分布式物联网应用；使用统一的模型化方法和高效Node．jS平台实现快速开发基于云

平台的物联网应用，克服了传统开发使用C语言开发物联网的弊病。

关键词：云计算；物联网；服务接口；分布式；传感器

Platform

Cloud

Distributed

loT

Intelligent Application

Development

Ribo

Haidong．Ge

Institute of Dalian

116600，China)

(City

overcome the

University

Technology，Dalian

of of embedded

development

of traditional

complexity

different device

order tO achieve

Abstract：To

pattern

standard

networking applications，in

andaccess between

is accessed a unified interface and

connectivity

vastly

architecture．and

way。a variety

equipment

andcloud

proto—

col，and build distributed

the

devices

access the Inter—

Things

terminal cloud

ultimately

integration

Things

platforms，all

net of

of Zetta framework based

howtO

all devices into a unified REST

Things through any

platform．Study

Zetta and

Node．jS

publish

API interfaces，Link mechanism

WebSocket

to achieve

protocol

cloud

real—time data communication Zetta server

provided by

platform，cloud platforms keep pace

with

new

model andinfrastructure has been

imple—

networking equipment．A

application development

and an real—time

efficient

maintenance of distributed

mented

wasbuilt．

networking applications Using

synchronization．develop quick，easy

the unified

methodsandefficient cloud—based

Node．jS platform

for

networking applications，and

O—

modeling

platform

rapid development

vercame

of the traditional

language development．

disadvantage

developed using

API；distribution；sensor

Keywords：cloud computing；loT；REST

为解决以上问题，在物联网的设备端和云端使用相同的编

程技术是最佳的选择，这其中在IoT平台使用Node．jS是最佳

的选择。Node．jS是一个基于Chrome V8引擎的JavaScript运

行环境。Node．jS使用了一个事件驱动、非阻塞式I／0的模

型，其轻量和高效，已经成为开发高并发请求处理的互联网应

用的最佳平台。

引言

在国家提出互联网+政策推动下，物联网(Internet

Things--IoT)[31成为互联网领域发展最迅猛的产业领域，尤其

是在大众创业一万众创新的创新项目中绝大部分都是基于IoT

的应用。根据IDC公司的分析报告，IoT技术及服务到2020

年在全球的开支将达到8．9万亿。

为简化IoT应用开发，各大软件公司都开始了基于

Node．jS的loT项目开发，如三星电子正在进行基于JavaScript

和Node．jS的IoT．jS项目的研究，微软宣布将为Windowsl0

然而由于各种物联网设备千差万别，使用的通讯协议不尽

相同，常用的通讯方式有串口、WIFI、3G、4G、并VI等，导

致物联网应用开发异常复杂，使用的编程语言和技术纷繁多

样，导致loT应用难以实现传统软件所具有的可维护性和可伸

缩性。如何能将IoT开发变得简单而高效，并能以标准化统一

的模型表达各种不同的loT设备，屏蔽其内部的区别，将它们

以统一API模式与互联网连接，实现分布式loT应用，并使

系统能自动感知联网设备的启动和停止，自动传输设备的监测

数据以及传递执行动作，以上特点是简化物联网应用开发的

核心。

IoT Core

Insider提供Node．jS支持。

本文以Node．jS服务器平台为基础，结合loT开源框架

Zetta开发了全新模式的云平台分布式物联网应用，通过使用

创新的物联网设备抽象模型，将所有的设备包括各种传感器和

执行器实现为Node智能对象，实现所有IoT设备标准的

JavaScript编程模型，通过实时WebSocket[4】协议能使云平台

智能感知设备的在线或断线，实现设备与云平台之间双向高速

的数据通讯，解决了传统物联网使用HTTP请求／响应模式实

现数据传输时的低速度、大延时的弊病。

收稿日期：2015—12—29；修回日期：2016—01—28。

作者简介：吕海东(1964一)，男，内蒙古兴安盟人。副教授，主要从事

物联网、云计算、应用架构方向的研究。

系统总体架构设计

Zetta是基于Node．jS的物联网开发开源框架，其通过

Node．jS的模块和中间件机制，在物联网平台如树莓派

葛日波(1968一)，男，山东高密人，教授，主要从事物联网、工业控

制、云计算方向的研究。

BlackE“，Intel

Edison[“，Spark

(RaspherryPi)[“，BeagleBone

万方数据

第7期

吕海东，等：云平台分布式智能感知物联网应用开发

· 213

Core上运行Node．jS和Zetta框架，并创建发布Zetta服务器，

将所有连接到物联网平台的各种设备抽象为统一的Node．jS

Zetta状态机模型对象。

的命名规范为zetta一{device}一{platform)一driver，其中

Edi—

device为设备名，platform为平台名，如edison表示Inter

son，bonescrip表示BeagleBone Black，raspberrypi表示树莓

派驱动。如下为LED信号灯驱动的示意实现代码。

／*LED驱动文件名：led．js目录：divers*／

Device=require(’zetta—device')。

util—require(’util')；

Zetta服务器将连接的每个设备通过Zetta对象发布为一个

API[8]，此API发

使用JavaScript编写的基于微服务的REST

布了每个设备的数据读取方法和动作执行方法。通过这种统一

的API模型，极大简化了物联网应用的编程。

LED—module．exports=function(){

Device．call(this)；

同时在云平台主机上部署Zetta服务，与分布loT平台上

的Zetta服务器进行互联，将每个本地的IoT平台上的设备

API发布为云端的REST API。如此其他客户端如PC、手机、

平板或其他IoT设备可以通过云上发布的API实现对设备的

操作和监测，可构建如图1所示的大规模的分布式物联网应

用，而且本地的设备的在线和离线状态都可以通过WebSocket

实时协议在云平台的Zetta服务器上实现智能感知，实现对各

处loT设备的控制和监测。

)；

util．inherits(LED。Device)；

LED．prototype．init=function(config){

config

．state(，关’)．type(。led')．name(信号灯7)

．when(‘开。．{allow：[’关闭。，切换，]))

．when(，关’，{allow：[7打开’，切换刁})

．map(’打开’，this．turnOn)．map(关闭7，this．turnOff)

．map(切换’，this．toggle)；

}；

LED．prototype．turnOn—function(cb){

self—this；self．state一’开’；

cb()；}；

LED．prototype．turnOff—function(cb){

self=this；self．state一7关’；

ch()；}；

◆

絮

LED．prototype．toggle—function(cb){

if(this．state==一’开’){

this．call(。关闭7)；cb()；

}else{

囊j撇。，b平扳

‘鑫}s黜c帮1

this．call(钉开’)；cb()；

}}；

通过继承Device类，并实现init方法，定义设备的state，

并定义JavaScript的原型方法prototype实现对设备的操作，

可实现任何设备的驱动编程。在Zetta的modules网址新的驱

动在不断地更新和增加。

2物联网设备端设计与实现

设备端负责与各种loT传感器和执行器相连，实现对监控

对象的监测和控制。此层采用常用的物联网主机如树莓派、

BeagleBone Black、Intel Edison、Arduino等。这些主机可以采

用任何支持Node．jS的操作系统，如Linux、WindowlO IoT版

等，它们使用各种接口与传感器和执行器连接。在这些微主机

上安装Node．jS和Zetta模块，执行Zetta Server实例，将连接

设备使用Zetta机制抽象为设备对象，并发布为REsT API接

口，通过与云主机Zetta Server连接后，发布为面向Internet

的API，供外部应用调用。

2．2本地端Zetta Server的编程

在本地loT主机连接各种设备，并准备设备驱动模块后，

需要编写本地Zetta Server。在其中使用设备驱动，将每个设

备发布为API。本地Server再与云端的Zetta Server互联，通

过云的Server将设备发布到互联网上实现全局访问和调用。

下面代码简要示意了一个本地Server的实现。

*本地Zetta Server实现*／

zetta—require(’zettg)：

LED—require(’．／devices／led．js，)；

2．1设备的抽象编程

ledapp=require(1y．／apps／led．jS”)；

在Zetta中使用Zetta Driver将loT设备进行抽象模型化，

在Driver内部封装其不同的数据访问、通讯协议和操作方法。

car=require(”zetta—car—mock—driver”)：

mic=require(”zetta—microphone--edison--driver”)：

zetta()

API接口。

每个设备再通过Node．jS发布为REST

Zetta已经为近70多种设备编写了Driver，可在Node．jS

中直接引用，如直接访问连接到Intel麦克风的zetta—micro—

phone—edison—driver，其引用的语句如下。

．name(’CitylOT')

．use(LED)

．use(car)

mic—require r”zetta—microphone—edison—driv—

er”)；

．use(mic)

．10ad(1edapp)

如果没有现成的驱动，可以使用Zetta提供的设备Device

类继承机制实现定制的设备驱动。在Zetta中推荐的设备驱动

．1ink(”http：／／eity--iot．herokuapp．corn／”)

．1isten(9001)；

万方数据

· 214

计算机测量与控制

第24卷

代码中先引入各种设备驱动，再调用zetta实例对象的use

方法，将设备作为中间件嵌入到Zetta Server，通过link方法

与云端的Zetta服务器相连，将本地API发布为互联网API，

内部使用WebSocket协议实现本地设备与云端API数据的实

时传输，这样在云中API中可实时监测各种设备的状态和数

据，也可以使用API调用对在线的设备发送控制指令和参数。

2．3本地端IoT应用编程

提供的Git工具将Zetta服务器项目部署到Heroku，选择应用

类型为node．js即可。

假如部署的应用名称为city—lot，则Zetta服务的请求地

址为https：／／city—iot．heroku．com．

每个连接的设备都有一个唯一的请求地址，其格式为：

https：／／city—iot．heroku．com：3000／servers／CitylOT／

devices／e6f5b480一e96e一4fdc一8718—9laeb0234c99

其中CityIOT是本地的Server名称，最后的数字编码是

Zetta自动生成的设备ID，使用如下的JSON格式请求数据，

实现对设备的控制。

物联网本地端除了可以引用设备驱动外，还可以根据应用

功能需求，使用Node．jS的事件驱动、异步、非阻塞的响应式

编程模式编写设备间相互协作完成的功能模块，根据监测设备

的状态和数据以执行相关的动作，如发送报警信号，切断电路

开关和控制阀门流量大小等。如下简要示意代码展示了loT应

用的编程实现。

{

’’method”：”POST”，

”href”：”https：／／city—iot．heroku．corn：3000／servers／Cityl0T／de—

vices／e6f5b480—e96e一4fdc一8718—9laeb0234c99”．

module．exports=function(server){

”fields”：[{

varIedquery=server．where({type：”led”。name：”LED灯”))；

micquery=server．where(type：”mic”，name：”内置麦克”)；

server．observe([1edquery，micquery]，function(1ed，mic){

led．state．on(”开”，function(){

’’name”：”action”，

”value”：”开”

}])

此控制数据可以使用任何客户端发送HTTP POST请求

给联网的10T设备。

mic．speek(100)；})；

})；)；

4物联网客户端设计编程

loT应用编程使用Node．jS的模块机制，通过Zetta ^Serv—

er的where方法定位IoT设备和observe方法智能感知设备是

分布式物联网实现云服务与各个端点的loT设备连接后，

就可以通过互联网，在任何PC、手机或平板上使用Web方式

控制所有的连接设备，包括实时接收监测的数据，以及发送对

IoT设备的控制指令。

否启动、停止或在线，在JavaScript回调方法中取得在线设

备。最后监控设备的状态变化事件，以异步响应式编程模式实

现需要的执行的动作和功能。

Web客户端可以使用任何MAX框架如jQuery，Angular—

JS，Dojo等请求云端设备API实现对loT设备的访问和控制。

如下是演示了使用jQuery的异步AJAx请求方法．post控制

LED灯点亮的实现代码。

3云端服务器实现

通过Zetta实例对象的link方法可以连接多个Zetta服务

器，由Zetta自身完成连接时使用的协议、请求握手、防火墙

穿越等复杂的工作细节，极大减轻了开发者的编程负担，使开

发者集中精力专注于业务功能实现。

．post(”https：／／city—iot．heroku．eom：3000／servers／CitylOT／de—

vices／e6f5b480—e96e一4fdc一8718—91aeb0234e99”，{action：”开”}，

function(){

将本地Zetta服务器与云中Zetta的服务器互联，实现本

地服务器连接设备的API公布在互联网上。任何连接互联网

的应用客户端都可以通过此API访问所有分别各地的loT设

备，实现分布式物联网。

／／回调处理代码

})

Zetta设备最引人注目的特点是支持实时WebSoeket协议，

支持设备数据的高速、实时传输，客户端使用此协议可以实时

接收设备的监控数据，不再需要定时的HTTP请求，由IoT

设备采用推方式自动发送给客户端。

云端Zetta服务器与本地服务器实现基本相同，为连接众

多本地的本地Zetta服务器，并集中发布每个联网Device的

API，Zetta提供了最简单的方法expose(*)，可以发布每个

通过link方法连接的本地Device的API。云端服务器的简化

的示意代码如下所示。

5系统的实际应用

使用此云平台分布式loT应用模式对传统的供热监控系统

进行改造，在系统的投资上大大节省。原来使用昂贵的工业控

制计算机，现在下位机全部采用微型树莓派。在每个供热锅炉

房设置一个Zetta Server端点，将多个供热站的Server与云

Zetta进行互联，加大简化了系统的应用开发。使得项目的开

发进度成倍提高，系统的可维护性和可伸缩性得到巨大改善，

新增换热站时，通过部署一个Zetta Server可立即进行入网

监测。

zetta=require(’zetta')：

3000；

PORT=process．env．PORT

zetta()

．name(’cloud')

．expose(’*’)

．1isten(PORT)；

创建Node．jS项目，并将此服务器启动代码保存为serv—

er．js，在项目的配置文件package．json中指定依赖的Node．js

模块，包括zetta和其他模块。在百度云、阿里云或开源云平

台Heroku上申请云主机，推荐使用Linux操作系统，并安装

Node．jS的最新版。

结论

将新的服务器平台Node．jS和Zetta开源框架应用于基于

云的loT应用开发，简化了loT应用开发的复杂性，加快了物

联网应用的开发效率，提高了应用的可维护性、可升级性和可

(下转第218页)

本文使用Heroku免费云平台作为测试目的，生产环境要

使用商业化平台以保证系统的可靠运行和售后服务。使用平台

万方数据

· 218·

计算机测量与控制

第24卷

在同一A值下，不同的Pico基站数对应不同的卢值，12

个Pico基站下需要的卢值小于3个Pico基站下的卢值，这是因

为Pico基站越多，但是高干扰用户数反而更少，所以需要分

配的ABS会少。

动态确定几乎空白子帧比例的算法。新算法通过增强小区用户

数与总用户数的比例来确定的几乎空白子帧比率，改善了信道

资源的利用。仿真结果表明，新算法不仅提高了系统总容量，

同时也实现了下行信道资源的合理利用。

参考文献：

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图5为固定ABS比例和动态分配ABS比例情况下的系统

容量对比。表明在3个微基站下，固定的几乎空白子帧比例值

下的系统容量基本没有明显变化，动态的几乎空白子帧比例值

下系统容量在一定范围内有所增加，且动态的几乎空白子帧比

例值下系统容量高于固定的几乎空白子帧比例值下的系统

容量。

B，et a1．A

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Heterogeneous^Net—

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works with

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与固定的ABS子帧比例值为卢=0．5情形相比，新算法增

加了系统容量，不仅提高了信道资源利用率，同时提高了增强

小区用户的数据传输率。

Interference Coordination．

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[13]Roy

结论

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淳i埘啵淖啦社i埘雌淖i埘韭鹕’舭9淖蚪孚哆溥i埘出水非孚蜉乎i咐啦孚i埘啵淖啦矗m宇i蹿韭字蜉孚蚌淳哆淖哆社炉d出孚哆渺孚哆串蚪净嶝搏哆串略萨i}浮哆d啦孚哆净哆乎牡沪社哆守眵淖i蜡出d2丛

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