物联网系统设计开发方法与应用

郭忠文，男，教授，博士生导师，中国海洋大学信息科学与工程学院副院长，中国计算机学会物联网专业委员会委员。长期从事物联网及相关领域的研究，主持和承担国家863项目、国家973项目、国家自然科学重点基金和面上基金、国家海洋公益专项等10余项课题，在国内外重要学术期刊和会议上发表论文100余篇，SCI／EI检索论文80余篇，拥有授权发明专利4项。以在IEEE Transactions on Instrumentation＆Measurement学术期刊发表的IMA：An Integrated MonilonaArchtecture with Sensor Networks等论文成果为基础，于2012年制定完成IEEE 1851国际标准，2016年制定完成GB/T 33137—2016国家标准，2017年制定完成IEEE2402国际标准。其中IEEE 1851国际标准在我国多个大型企业集团的工业物联网建设中得到应用，累计互联的传感设备一千余台，传感器数量一万余个，对促进我国工业物联网的快速发展发挥了重要作用。

第1章 概述

1．1 背景及趋势

1．2 主要挑战

1．3 关键问题

1．4 策略及方法

1．5 组成结构

1．6 内容及结构

1．7 阅读方法

本章小结

第2章 IoT参考模型

2．1 模型建立过程

2．2 IoT七层模型

2．3 IoT仪器模型

2．4 互联模型

2．4．1 IoT串联模型

2．4．2 同构互联

2．4．3 异构互联

2．5 云服务模型

2．6 数据流模型

2．7 概念及术语

本章小结

第3章 传感设备层

3．1 物理模型

3．1．1 模拟量接口

3．1．2 开关量接口

3．1．3 数字量接口

3．1．4 数据采集器

3．2 应用模型

3．2．1 监测应用模型

3．2．2 智能仪表结构模型

3．3 电器产品测试

3．3．1 数字功率计

3．3．2 多通道数据采集器

3．3．3 数控仪

3．3．4 射频识别阅读器

3．4 室内安全监测

3．4．1 温湿度传感器

3．4．2 明火探测器

3．4．3 烟雾探测器

3．4．4 视频监控

3．4．5 数据采集器

3．5 海洋测量设备

3．5．1 温盐深测量仪

3．5．2 流速测量仪

3．5．3 海洋多参数水质仪

3．5．4 海上数字气象仪

本章小结

第4章 数据传输和采集层

4．1 硬件连接

4．1．1 串行接口

4．1．2 GPIB接口

4．1．3 有线网络

4．1．4 无线网络

4．1．5 接口转换

4．1．6 通信终端

4．2 软件交互

4．2．1 串行口通信

4．2．2 GPIB通信

4．2．3 网络通信

4．3 数据采集层设计

4．3．1 设计策略及结构

4．3．2 数据交换方式

4．3．3 数据结构与算法

4．4 模块结构及流程

本章小结

第5章 单机应用层

5．1 硬件环境

5．2 硬件控制模块

5．3 索引管理模块

5．4 传感器管理模块

5．5 导航模块

5．5．1 名称列表

5．5．2 树形结构

5．5．3 地图标识

5．5．4 组合方式

5．6 数据列表模块

5．7 数据管理模块

5．7．1 模块结构

5．7．2 数据类型

5．7．3 模块接口

5．7．4 数据管理方法

5．8 曲线显示

5．8．1 曲线界面

5．8．2 界面操作

5．9 查询与输出

5．9．1 信息查询模块

5．9．2 数据导出

5．9．3 曲线打印

5．10 数据分析

5．10．1 常用特征分析

5．10．2 格点数据分析

5．11 模块功能定制

5．11．1 系统信息定制

5．11．2 索引管理模块定制

5．11．3 导航模块一定制

5．11．4 传感参数设置

本章小结

第6章 互联与集成

6．1 互联参考模型

6．1．1 互联接口模型

6．1．2 理论互联模型

6．1．3 互联应用模型1

6．1．4 互联应用模型2

6．2 接口标准化模型

6．2．1 传感层接口

6．2．2 采集层接口

6．2．3 数据库转换

6．2．4 互联接口

6．3 国际标准案例

6．3．1 标准背景

6．3．2 标准框架

6．3．3 服务接口

6．4 国家标准案例

6．4．1 标准背景

6．4．2 标准框架

6．4．3 标准接口

6．5 集成客户端

6．5．1 软件结构

6．5．2 运行过程

本章小结

第7章 自动监测应用

7．1 智能农业大棚

7．1．1 监控设备

7．1．2 大棚监控

7．1．3 传感参数传递

7．1．4 软件界面

7．2 机房安全监控

7．2．1 机房环境

7．2．2 监控设备

7．2．3 机房监控

7．2．4 传感参数传递

7．2．5 主要软件界面

7．3 海洋环境观测

7．3．1 需求概述

7．3．2 监测原理及设备

7．3．3 海洋观测

7．3．4 传感参数传递

7．3．5 软件界面

本章小结

第8章 工业测试应用

8．1 需求概述

8．2 电冰箱测试

8．2．1 测试原理

8．2．2 电冰箱测试IoT仪器

8．2．3 传感参数传递

8．2．4 软件界面

8．3 热水器测试

8．3．1 测试原理

8．3．2 热水器测试IoT仪器

8．3．3 参数传递关系

8．3．4 软件界面

8．4 空调测试

8．4．1 测试原理

8．4．2 空调测试IoT仪器

8．4．3 传感参数传递

8．4．4 软件界面

本章小结

第9章 系统互联应用

9．1 软件复用

9．2 软件云服务

9．2．1 同构云互联

9．2．2 转接云互联

9．2．3 异构云互联

9．2．4 综合云互联

9．3 同构云互联应用

9．3．1 案例背景

9．3．2 互联架构

9．3．3 集成客户端

9．4 转接云互联应用

9．4．1 案例背景

9．4．2 互联架构

9．4．3 集成客户端

9．5 综合云互联应用

9．5．1 案例背景

9．5．2 系统互联

9．5．3 软件界面

本章小结

参考文献

《物联网系统设计开发方法与应用/物联网工程专业系列教材》：

2.数据传输层

为实现传感设备与计算机之间的信息传输，两者之间需要有硬件连接。这些硬件连接可以是点对点的通信线路，如串行口通信线路、USB通信连接线路等；也可以是网络连接线路，包括有线网络连接和无线网络连接，如有线以太网、无线WiFi等。数据传输层，是指传感设备与计算机之间连接硬件和通信协议软件的总和。在物联网构建过程中数据传输层主要采用目前成熟的产品和基础网络，对于物联网系统的研发通常是透明的，无需关心其内部的实现细节。

3.数据采集层

数据采集层是指运行在计算机中获取与该计算机相连接传感设备数据的采集软件。此层需要开发人员通过阅读传感设备的通信说明书，理解传感设备预留的接口和通信协议。将计算机与传感设备通过约定通信线路连接后，该采集软件通过向接口发送传感设备约定的命令，获得传感设备返回数据。此层的设立，实现了单机应用层与传感设备层的逻辑隔离，当传感设备硬件发生改变时，只需更改数据采集层软件，对单机应用层没有影响。为了完成上述数据采集、设备控制和故障诊断任务，数据采集层除了包括用来与传感设备进行通信的类和函数的集合外，还应包含对单机应用层发送的命令进行解析，将其转换为相应传感设备能够识别的通信命令，再转发至对应传感设备的功能。

4.单机应用层

单机应用层是物联网系统中单机应用子系统集合的总称。每个单机应用子系统由一台计算机和运行在该计算机上的单机应用层客户端组成，实现物联网系统中局部范围传感器的信息获取及处理，负责与相对应的数据采集层软件和用户之间进行信息交互，满足与该部分传感器相关用户的软件功能需求。单机应用层客户端软件根据用户操作要求，向数据采集层发送交互命令，从数据采集层获取根据传感设备数据格式解析后的传感数据，负责根据用户需求，实现计算机内存与数据存储层之间的数据调度、数据显示、分析计算或曲线显示等功能。单机应用层又分为数据管理子层和数据应用子层。数据管理子层负责接收来自采集层的实时数据，并通过数据存储层实现数据存储查询，同时还负责处理数据应用子层对数据的请求和访问。数据管理子层的建立，实现了数据应用子层与数据存储层的逻辑隔离。当数据存储结构变化时，只要数据管理子层与数据应用子层之间的接口不发生改变，就不会对数据应用子层产生影响。

5.数据存储层

数据存储层是指独立于单机应用层之外，实现单机应用层数据存储的软硬件系统总和。数据存储层的软件主要包括各种类别的网络型数据库，如常用的Oracle、SQLServer，以及支持FTP协议的文件系统等。数据存储层通常情况下对应单机应用层中的数据库，不仅包含传感设备数据，而且包含单机应用层软件本身特有的数据，不同的单机应用层软件，这些数据库的格式各不相同。为实现从数据存储层进行互联，需制定针对特定领域需求的数据库存储规范。

6.互联服务层

互联服务层是指实现单机应用层客户端软件所管理数据的外部数据访问接口。由于传统软件大多数不提供这样的接口，从而形成信息孤岛。因此增加互联服务层，是传统软件消除信息孤岛的关键技术路径，该层也是物联网系统设计与开发的关键内容之一。互联服务层提供的接口功能主要包括服务接口的注册、数据索引访问，以及单机应用层数据访问接口。数据访问接口主要提供监控对象信息、传感设备信息、传感器管理信息、时间序列传感器数据，以及与客户端应用需求相关统计分析结果的请求接收和数据响应。对于大规模物联网系统的设计，该层不仅需要提供以上所述的各种接口，还应针对不同应用领域，实现这些按口的标准化。

7.集成应用层

集成应用层与单机应用层的主要区别在于，单机应用层的每个客户端软件主要负责局部范围传感器的信息采集和相关数据处理，而集成应用层完成全局互联的信息访问，提供各种数据、曲线显示和全局的数据统计、分析及预测功能。

该层通过互联服务层，获取单机应用客户端的名称索引列表并显示给用户，用户选择相应的单机应用层客户端，集成应用软件通过互联服务层获得对应的接口信息，并从该接口获得用户所选择单机应用层软件的相关数据，供用户进行查看和分析，从而实现用户可根据自己的权限要求，访问全局各物联网节点的数据。

集成应用层还可利用互联服务层，实现物联网全局大数据的汇聚，在此基础上，利用各种机器学习算法，建立数据的分析预测模型，实现更高层次的数据应用，更好地为用户服务。

……

《物联网系统设计开发方法与应用/物联网工程专业系列教材》系统阐述了利用现有的传感设备高效构建物联网系统的思路和方法。

以《物联网系统设计开发方法与应用/物联网工程专业系列教材》提出的IOT七层参考模型为基础，对其中的传感设备层、数据传输层、数据采集层、单机应用层、数据存储层、互联服务层和集成应用层有重点和针对性地进行介绍，以IOT仪器模型为核心，阐述了系统的互联原理和方法。最后通过实际应用案例帮助读者深入理解和掌握书中的主要内容。

《物联网系统设计开发方法与应用/物联网工程专业系列教材》适合高等学校物联网工程、计算机和自动化专业作为教材使用，也适合其他相关专业作为选修课教材使用，还可供对物联网感兴趣的读者参考阅读。