物联网信息管理系统研究

无线物联网信息管理系统研究目 录摘要I第1章绪论111研究背景112国内外发展现状2121国内发展现状2122国外发展现状313论文的内容安排4第2章系统相关技术分析621电子标签系统6211电子标签系统概述6212电子标签的分类及其工作原理722 ZigBee技术概述9221ZigBee产生背景9222 ZigBee协议9223ZigBee技术的优势1123 J2EE技术简介12231 J2EE技术12232 J2EE概念介绍12233J2EE体系结构13234 J2EE核心技术16235 J2EE的优越性1824 AJAX技术概述18241 Ajax技术18242Ajax工作原理19243Ajax的优缺点2025本章小结20第3章物联网信息管理系统设计2l31物联网信息管理系统设计的基本原则2132物联网信息管理系统的总体功能2133物联网系统的总体结构2234无线物联网信息管理系统功能模块设计23341终端模块设计23342中继模块设计25343信息中心处理模块的设计2635本章小结28第4章物联网信息管理系统关键技术研究2941基于ZigBee模块的无线自组网研究29411 ZigBee的拓扑结构30412 Zigbee组网的流程3142通信协议规范研究32421设备的数据发送过程33422设备接收数据的过程3543通信数据的安全研究37第5章 无线物联网信息管理系统功能实现3851开发与运行环境38511开发环境38512运行环境3852系统终端设备实现3952系统中继设备实现4254信息中心处理模块43541系统数据库设计43542系统的登录界面45543系统的管理界面46544传感器管理操作47545串口管理5055本章小结51第6章 总结与展望5261总结5362展望52参考文献53摘 要物联网是一门新兴技术，它以现有的互联网为基础把各类实体通过传感器联系起来从而形成一个庞大网络。它的飞速发展一方面使人们的生活和生存方式发生巨大改变，另一方面不断推动经济和社会发展，改变着社会的生产方式。物联网技术的广泛应用和持续发展不仅成为解决社会经济问题的一项重要战略举措，也是经济全球化发展的一个新的方向，必将把我们带入个信息与物质结合的崭新时代。为加快物联网时代的到来，更好地适应物联网时代，充分利用物联网为我国社会主义现代化建设服务，我们必须全心投入到物联网建设中去。本课题重点研究一种能够对无线传感器进行管理的无线物联网信息管理平台，从而通过使用该平台达到对资源的优化管理。本文分析了无线物联网发展的现状，对课题相关技术做了深入研究：给出了无线物联网信息管理平台的总体结构与功能，描述了系统功能模块的详细设计方案；对系统实现中涉及的关键技术做了研究；利用可视化编程工具MyEclipse开发了基于WEB的无线物联网信息管理平台。本人设计的无线物联网信息管理平台的特点包括：建立无线传感器的信息管理系统，对传感器进行高效管理，为用户提供了良好的人机界面，增强了系统的可用性；对系统的各个模块进行设计研究，实现了资源的有效利用。关键词：物联网；ZigBee；信息管理；无线通信；J2EE第1章绪论11研究背景2009年起，物联网作为下一代信息技术的代表，不断得到世界各国的关注。从IBM提出的智能地球，到奥巴马提升到国家战略以及温总理提出的物联网的概念，正是这些事件的发生让大家感觉到物联网真的来了。此外，物联网还被誉为“将是未来改变人们生活的十大技术之首，并且其发展并没有被其它国家占有先机，大家对物联网的研究都处于初级阶段，因此我们必须尽力抢占物联网这一具有潜力的新兴技术的制高点，在物联网的发展过程中占有主导作用。物联网作为具有高附加值，高技术含量的高新科技产业的代表，在促进经济的发展，以及帮助我们脱离这场金融危机，都能起到不可想象的作用。面对世界金融危机，物联网不但可以提高经济的增长率，大大节约开发成本，而且可以给世界经济复苏提供技术动力。既然物联网有如此的魅力，那搭建一种控制管理物联网的信息平台就迫在眉睫瞳。标准一直是一门技术的一个统一规范，如果没有一个统一的标准对技术进行规范，会使整个产业混乱、市场混乱，更多时候的会让用户存在不知如何去选择应用。“物联网在我国的发展可能还面临着完整的标准体系，而且也没有任何一个标准体系出台。而在“物联网技术方面，因其牵扯到的技术是多种多样的，导致标准也非常多，所以，当前应进快明确一个统一合理的标准，已经成为“物联网发展的一个关键因素。物联网作为战略性新兴产业，大力发展物联网技术和产业，能够在经济和产业发展上得到以下几点的优势：(1)首先对于其它科技产业技术的发展有推动作用，并且作为一种新型的科学技术，它还是具有比较大的发展空间，能够极大的推动经济的持续增长。(2)对我国产业技术的升级起到积极作用。(3)能够不断改善我们的生活环境，使资源利用智能化、高效化。但是要想发挥物联网巨大作用，必须搭建一种能够有效管理和控制物联网的信息管理平台，本论文对如何搭建物联网信息管理平台进行了初步探讨，并提出了一种设计方案。12国内外发展现状121国内发展现状目前，作为实现物联网的必不可少的无线网络的覆盖率已经非常大。我国对于物联网技术的研发水平也处于世界前列，在技术和物联网标准的研究上与国际基本同步，具有重大的影响了。国家自然科学基金、“863、“973等科研计划都对物联网产业的发展给予了较多的支持，此外无线传感器网络还在重大专项、优先主题以及前沿技术三个层面被列入了国家中长期科技发展规划纲要(20062020)的主要内容，目前正在进行中的国家科技重大项目也在与无线传感器网络相关的关键技术领域和应用领域给予有力的支持。国内先后有近百单位开展了传感研究和应用，并建立起了中科院上海微系统所、电子十三所、北京大学等研发和生产基地，取得了一定的成果。其中，中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心作为我国物联网研究的主要单位，起到了良好的行业带头作用，此单位研发的传感器安全防护设备在上海浦东机场和上海世博会上得到了成功应用口。国内在物联网的各个不同方面拥有众多自主知识产权和专利，与国外发展基本处于同一起点。在十年多的时间里中科院上海微系统所，在“无线传感网、“微型传感器、“芯片设计等许多方面获得了重大创新科技成果。在传感网的盲源分离、多目标协同识别、跟踪定位等领域的部分关键技术居世界先进水平，在机场防入侵系统、智能交通等领域已有若干成功案例。中科院上海微系统所积极联合行业力量，在上海组建了传感网产学研联盟，另外，在国内以北京邮电大学和南京邮电大学为代表的众多高校也较早开展了对传感网和物联网技术的研究，华为技、中兴、普天通信、中电集团、中电科技等大型知名企业也加入了研究行列。总体看来，我国物联网的研究发展并没有盲目跟从国外，而是按照我国战略发展和实际应用的需求上，对物联网标准体系、核心技术、开发应用、系统集成以及测试评估技术等众多方面进行深入研究，形成了以应用为引导的具有我国特色发展路线，在标准、产业、技术及应用与服务等方面，与世界接轨，使我国在该领域占领价值链高端成为可能。虽然我国物联网产业发展有一定进展，但也存在许多问题。我国物联网的发展处于初级阶段，其中存在一系列的发展瓶颈和制约。首先是产业化问题。我国物联网产业跟世界上仍然存在较大差距，虽然目前有许多企业开始涉足物联网领域，但是企业规模普遍偏小，企业资金实力相对薄弱，大大影响物联网的发展。物联网应用领域广泛，出现产业交叉性，需要加强各个产业之间的联系与合作。运营与服务环节中，运营商也是初步进入该领域，市场仍处于探索阶段，拉动效应不明显船。二是技术标准缺乏。我国在传感网国际标准制定中具备一定话语权，处于较为领先的位置。但总的来说，标准发展仍相当滞后于应用发展。在核心的器件和软件方面，我们还做不到自主可控，致使物联网相关芯片成本就好，不利于物联网的扩展，并且至今没有一个明确的物联网标准。三是创新体系不完善。虽然我国有不少企业和高校踊跃参加物联网技术研究，但是一直没有形成一个合理的创新体制。四是没有形成一个有效的商业模式嘲。任何技术的发展都需要资金的支持，现在我国出现了一些物联网的应用，但是数量相对较少，规模相当较小，不足以引领行业的发展。122国外发展现状1、日本日本是一个制造业强国，它在电子标签研究领域起步比较早，政府也将电子标签作为一项关键的技术来发展。2004年7月，日本经济产业省选择了消费电子，书籍等7个产业做电子标签的应用试验，取得了阶段性的成果。日本信息通信产业的主管机关总务省提出了物联网(泛在网)战略。目标是到2010年能够使本地居民能够更加积极的参入到社会活动中，特别是行动不便的残疾人，通过物联网技术，创建一个新的信息社会。物联网战略的理念是以人为本，实现所有人与人、物与物、人与物之间的联接。为了实现物联网战略，日本进一步加强官、产、学、研的有机联合。在具体政策实施上，将以民、产、学为主，政府的主要职责就是统筹和整合。2、美国奥巴马总统就职后，将物联网作为振兴经济的两大武器之一，投入巨资深入研究物联网相关技术。无论基础设施、技术水平还是产业链发展程度，美国都走在世界各国的前列，已经趋于完善的通信互联网络为物联网的发展创造了良好的先机。美国经济复苏和再投资法提出，从能源、科技、医疗、教育等方面着手，通过政府投资、减税等措施来改善经济、增加就业机会，推动美国长期发展。其中鼓励物联网技术发展政策主要体现在推动能源、宽带与医疗三大领域上。3、欧盟欧盟围绕物联网技术和应用做了不少创新性工作。在2009年11月的全球物联网会议上，欧盟专家介绍了欧盟物联网行动计划，意在引领世界物联网发展。从目前的发展看，欧盟已推出的物联网应用主要包括以下几方面：各成员国在药品中越来越多地使用专用序列码，确保了药品在到达病人手中之前就可得到认证，减少了制假、赔偿、欺诈现象的发生和药品分发中出现的错误。序列码能够方便地追踪用户的医药产品，确保欧洲在对抗不安全药品和打击药品制假中取得成效。一些能源领域的公共性公司已开始设计智能电子材料系统，为用户提供实时的消费信息。这样一来，电力供应商也可以对电力的使用情况进行远程监控。在一些传统领域，比如物流、制造、零售等行业，智能目标推动了信息交换，缩短了生产周期。为了加强政府对物联网的管理，消除物联网发展的障碍，欧盟制定了一系列物联网的管理规则，并建立了一个有效的分布式管理架构，使全球管理机构可以公开、公平地履行管理职责。13论文的内容安排本文在查阅大量无线物联网相关资料的基础上，设计了一种智能化的无线物联网信息管理系统。利用J2EE框架结合AJAX技术，根据自己对无线物联网的认识，采用JaVa和JaVa s面pt等语言开发了无线物联网信息管理系统。系统的主要功能包括：前端传感器数据采集，传感器信息的可视化管理，传感器设备的查询、添加、删除等控制操作，设备的回示信息查看等。第2章系统相关技术分析21电子标签系统211电子标签系统概述RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。它是通过发射射频信号到目标设备，然后读取目标设备的相关信息。电子标签技术是从20世纪80年代开始走向成熟的一项自动识别技术，近年来发展十分迅速。电子标签技术可以用来识别和跟踪几乎所有物理对象，并由此可以构建一个容纳和连接世界上所有物品的广泛的智能网络。一套完整的电子标签系统一般包含读写器、电子标签也就是通常所说的应答器以及应用软件系统三个部份，它的工作流程通常是读写器按照某一特定频率发射无线电信号给电子标签，电子标签使用内部耦合模块把无线电信号转化为能量，用以驱动电子标签电路进行数据查询并将查询的数据发射出去，与此同时读写器便按照顺序接收并解析收到的数据，最后把解析后的数据转送给应用程序做相应的处理。RFID系统主要硬件组成部分：(1)射频标签：射频标签是电子标签系统真正的数据载体。一般情况下，射频标签有标签天线和标签专用芯片组成。 (2)读写器(Reade价nter)：读取或者写入标签信息的设备，并可以根据实际应用需要将其设计为手持式读写器或者固定式读写器。(3)天线(Antenna)：天线是标签和读写器的空间接口。根据射频识别系统的基本工作原理，射频标签与读写器之间的天线耦合分为两种模式，即电感耦合模式又称电压器模式和反向散射耦合模式又称雷达模式，这两种模式分别适合于不同的应用场景。212电子标签的分类及其工作原理电子标签根据其实际应用的频率的不同可以分为低频电子标签(频率范围为300z以下通常为125z和133z)、中高频电子标签(频率范围为73MHz30MHz，典型的为1356MHz)、超高频(频率范围为392MHz，862(902卜928MHz)以及微波电子标签(典型频率为24G、58G)。上文已经对电子标签进行简单介绍，已经知道电子标签按照能源的供给方式不同可以分为无源电子标签，有源电子标签，在此补充一种工作方式即半有源电子标签。无源电子标签读写距离比较近，因此价格也相对比较低；有源电子标签由于配有电池的缘故，其可以提供更远的读写距离，但是成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。电子标签技术的基本工作原理为：当电子标签进入磁场覆盖范围以后，存储在电子标签内部产品信息便被编码到射频信号内，通过装在电子标签内的射频发射器发送出去，对于无源标签或被动标签发送所需要的能量是由读写器发送的电磁能量转换而来，或者在一个特定频率内主动发送的射频信号对于有源标签或主动标签；读写器接受到相关信号后对其进行解码处理，最后把解码后的数据送至信息处理模块进行相关处理。常见的电子标签系统结构如下图21所示：22 Z i gBee技术概述221 Zi gBee产生背景目前为止，虽然已经提出了许多关于高数据处理中的语音、局域网以及视频标准，但是并没有提出一个符合传感器和控制设备的独特需求的无线网络标准。传感器和控制器不需要高带宽，但它们确实需要低延时和极低能源消耗的电池组和设备阵列。虽然现在有许多无线方案，也解决了很多问题，但是这些方案的并不要如此高的数据传输速率，它们需要的是更低的成本以及更低的损耗，并且由于没有一个统一的相关标准，使得遗留的无线网络之间和对新技术和特性的支持都受到了阻碍，ZigBee便被人们提出来解决现在遇到的问题。ZigBee是一种精心设计并非常有用的技术，它包括小型的低功率的数字无线电，基于无线局域网的IEEE 802154标准，例如通过短距离无线电连接到手机的无线耳机。222 Z i gBee协议ZIGBEE协议架构如图22所示：223 Zi gBee技术的优势除了ZigBee技术，常见的无线传输协议有蓝牙、WiFi等。与这些标准相比，ZigBee更能满足电子元器件之间无线连接的需求。以下是这些无线标准之间的一个对照表21。除此之外还一下优点：(1)成本低：根据自己的需求，可以选择不同性能的设备，协议较简单并且免收专利费用，因此部署更加简单。(2)时延短：常见工作时延一般都在15ms至30ms之间。(3)网络的组建简单，并且如出现故障节点，能够及时的排除故障，易于维护，通信可靠。(4)数据安全：采用AES一128加密算法(目前最好的加密算法之一)对传输数据的进行加密，保证数据的安全性和完整性。23 J2EE技术简介231 J2EE技术J2EE是SUN公司为了满足市场的需要，基于java技术上提出的一种企业级应用解决方案，它是一套与传统应用开发截然不同的技术架构，包含众多应用组件，该架构可简化并且规范应用系统的开发与部署，提高应用系统的可移植性、安全性以及重用价值。232 J2EE概念介绍J2EE就是在J2SE的基础上进行一定的扩充，以满足在企业级应用的Java 2平台。但是，只是这样简单解释并不能够完整地揭示J2EE的内涵。下面将对这些概念进一步探讨。业务逻辑，业务逻辑是在J2EE中一个十分重要的概念，可以将业务逻辑理解成是一个业务过程。例如银行用户在提款机上取款就是一个比较复杂的业务过程，实现这个业务过程可能要包括许多的步骤，例如读取用户的账号和密码并进到银行的数据库中核对、续取取款金额并到数据库中扣除等。如果需要通过软件来实现这些业务过程就必须把它们概括成业务逻辑。业务逻辑抽象了这些过程，方便了人们通过软件来实现这些业务过程。业务逻辑是一个商务软件的核心内容，要想高效地实现商务软件的功能就必须设计好它的业务逻辑内容。企业级应用，J2EE是JaVa 2平台企业版的意思，企业版绝不是指它只适合于企业使用，而是代表了一种规模，这种规模的应用为企业级应用。必须强调的是，这并不是说只有企业级应用才可以使用J2EE，而是说J2EE适合于企业级应用。如果使用J2EE开发企业级应用，可以大幅度提高效率、节省时间以及开发成本。如果非要在一个简单的桌面系统中使用J2EE技术，也是没什么不行的，但是这样做就失去了J2EE的原本意义。简单来说，企业级应用就是大规模的应用。这种大规模的应用一般都是要对大量底层数据进行处理的，因此对数据库进行维护和访问是必不可少的。除此之外，企业级应用一般还具有以下几点特征：(1)系统运行的健壮性和可靠性。(2)由于组件往往分布在异构的计算环境中，因此系统应该具有良好的跨平台性。(3)系统应该具有高度的可维护性、可扩展性以及可重用性。(4)系统应该具有事务管理、安全管理以及线程管理等功能。但是我们应该理解，典型的企业级应用往往并不是从空白开始，而是在企业原有的系统的基础上进行升级更新。在实际的系统开发过程中，企业往往已经拥有一个旧的企业应用级系统，但随着技术的不断更新和新的业务需求的出现，原有的系统已经不能满足现在企业应用的一些要求，因此企业就可能希望升级现有的系统，使其满足现在企业发展需要。再者就是企业早期只是部分地实现了企业管理与业务流程的信息化，而现在又希望在原来的基础上加入新的业务内容。例如，一家书店，可能早期使用关系数据库对书店里书目的进行管理，用户购买图书时便可以使用这个系统对店内的书目进行搜索查询，因此要在此基础上要实现网上购书系统，我们就可以利用到原有的图书管理系统，若只是使用新技术而将原有的系统完全废除，则将造成极大的浪费，同时效率也不高n明。使用J2EE就能完全解决这些问题，它采用多层的结构，能从EIS中读取数据并进行处理，这种多层的结构将在下一节中进行介绍。233 J2旺体系结构J2EE的体系结构是多层的分布式体系结构，按实际功能可以将应用逻辑划分为各种不同的组件，组件再根据其所在的层次分别分布在不同的设备上。事实上，13青岛理工大学工学硕士学位论文SUN公司设计J2EE的初衷正是为了解决早期两层模式的弊端。现在J2EE的多层企业级应用模型将两层化模型中的各层面又分别切分成许多层。一个多层化应用模型应该能够为每种不同的服务提供一个独立的层，下面便是J2EE典型的四层结构图171。图23 J2EE四层结构图J2EE层次模型所包含的四层分别是：客户层、W曲层、业务逻辑层以及EIS(Ente印riseinfomationsystem)层。各个层次中都包含不同的J2EE组件，并且我们所说的J2EE应用程序便是由各种功能不同的组件构成的。J2EE组件是具有独立功能的软件单元，它们使用各自的类以及相关文件组装成J2EE应用程序，并与其它组件发生数据交互。在J2EE说明书中定义了以下几种J2EE组件：客户层组件包括应用客户端程序和Applets；Wreb层组件【19】包括Servlet和JavaServer Pages；业务层组件，典型代表为Enter面Se JavaBeaIls(EJB)。(1)客户层组件，位于在J2EE客户层，其实现已经变得相当比较简单。它的功能主要是负责客户数据的提交等简单操作。因此客户层的应用程序一般是一14青岛理工大学工学硕士学位论文个浏览器软件既采用网页的形式进行开发，当然也可以采用基于桌面的形式的进行开发。(2)W|eb层组件，Web层组件最常见的是以JSP页面或是以Servlet的形式进行开发的，它们在本质上是一样的，因为JSP最终要翻译成一个Servlet文件才能在服务器上运行。它的主要功能是处理客户端发送过来的请求，并根据传来的参数进行业务处理，最后把处理结果以动态网页的形式返回到客户端。如图2-4所示的处理流程，在处理过程中，Web层经常使用某些由用户自定义的对象来处理用户请求，或是把请求的内容发送给业务层上的业务对象来进行处理，最后把处理结果返回给Wreb层组件或是直接反馈到客户端。WEB层Web浏览器，Web页面应用程序客户端和i选的JAVA Bean类JSP页面、Servlet3酬KBean类(可选)业务层J2EE服务器图24 web层数据处理流程(3)业务层组件，业务层组件是指那些位于业务层的企业Bean(EJB)执行的逻辑，它们主要处理与其相关的业务逻辑或者与数据库发生数据交互。EJB定义了以下3种不同类型的组件，它们分别是会话Bean、实体Beall和消息驱动Beall。会话Be锄是一个应用逻辑组件，表示客户要完成的任务。根据容器对会话状态管理的不同，会话Beall又可以分为无状态会话Bean和有状态会话BeaIl。无状态会话Be锄不存储与客户进行会话过程中的信息，有状态会话Be姐则能保持客户状态的变化。但是有状态会话BeaIl对状态的保存也只是一种暂时的保存，当服务器或容器发生意外崩溃时，状态一样会丢失。当客户执行完成后，不管哪种会话BeaIl，它所包含的数据都会随Beall的消失而消失。实体Bean是一个持久数据组件，表示底层数据的对象模式，即存储在数据库表中的一行记录，即使15青岛理工大学工学硕士学位论文客户终止或者服务器关闭，实体Beall的数据也会被J2EE的底层服务保存下来。消息Be锄是用于听取java消息服务的输入消息的。该层数据处理流程如图2-5所示：1EB层EIS层数据库和原有系统企业基础和其它的业信息系构是如何件接收了调组件中用信息剥后有可能在处理结以HTML，EJB组青岛理工大学工学硕士学位论文件又调用数据库来返回数据信息。所以Wreb组件和E旧组件在J2EE中足至关重要的。但是，除了这两个组件以外，还必须要使用一些其他的辅助技术才能完成整个业务流程。例如，W曲组件中调用肥组件就是通过RMIIIOP技术和扑DI技术来完成的，而远程访问数据库则是通过mBC完成的。这些都是J2EE中十分重要的技术。下面将介绍J2EE中的一些相关技术。)aL(EXt锄sible Mal【eup Language)是一种可以用来定义其他标记语言的语言，通常称为扩展标记语言。它一般被用来在不同的商务过程中共享数据，但在这里介绍它是因为J2EE中所有的描述文件都是由L语言编写的。不仅如此，在JSP页面标记中，有许多也是)(1】一风格的。如果不了解)aL语言就很难理解它们的含义，在学习时也会感到比较吃力。I己MI(Reml咖Me也od iIoke)是远程方法调用的意思，它实现了从一个M中调用另一个M中的对象的方法。蹦I采用咖b与skeleton屏蔽了底层实现细节，使得客户端程序在调用远程对象上的方法时就像调用本地方法一样方便。对于客户端程序来说，EJB组件有两种类型，一种是远程E腰，另一种则是是本地EJB。其中，远程E旧就是通过蹦I技术来实现的，最终运行在服务器上的EJB对象是一个远程对象，可以通过I蝴I机制远程调用。snlb与skeleton之间的通信协议可以是脚(Java R锄ote Metllod Protoc01)，也可以是以是IIOP(Intemethter-0Im Protoc01)。J砌纠P是J a_va远程方法协议，而110P则是来源于CORBA的通信协议。所以IWIIIOP就是采用了IIOP通信协议的RMI技术，是远程EJB。下面介绍的JDBC、Em、Servlet和JSP技术，便是J2EE的核心技术。要学习和应用J2EE，则必须要掌握这些技术。下面便对它们进行简单介绍。mBC(JaVaDatab嬲e CoIlIlectivit)r)API提供了访问关系数据库的应用程序接口，对开发者屏敝了异构数据源的问题。JDBC API实际上包括两个部分，一部分包含在jaVasqlt中，称为核心JDBC API，另一部分则包含在jaVaXsql宰中，称为扩展JDBCAPI，这一部分在开发EJB时十分有用。在企业级的应用中，系统基本上都要与数据库打交道，因此掌握JDBC，并能熟练地从数据库中查找和修改数据是十分重要的【20】。EJB(Ente删se JavaBeall)技术提供了一个开发和实施大型分介式比用系统的框架，并显著地简化了具有可伸缩性和高度复杂的企业级应用的开发【2。EJB通17青岛理工大学工学硕学位论文常分为三种，一种是会话Be锄，另一种是实体Beall，还有一种是消息Be肌。实体BeaIl通常表示的是底层数据模型，而会话Beall加则包含了业务逻辑内容。通常都是通过实体Be觚来对象化关系数据库中的数据，然后使用会话Bean调用实体BeIlIl，完成对底层数据的处理。Servlet是运行在服务器的小服务程序，它接收客户端发来的请求并对它们进行处理，然后生成响应，并将它们发送给客户端。Servlet技术是JSP的基础，JSP页面在运行前都必须要翻译成Servlet文件的形式【221。Servlet是一种WEB组件，所以必须要运行在W曲服务器上。Sen，1et与JSP_起共同实现了J2EE表述层的功能。JSP(JaVa Server Pages)页面由JSP标记、HnL标记和嵌入其个的Java代码所组成【231。服务器在页面被客户端所请求以后对这些Java代码进行处理，然后将生成的HTML页而返回给客户端的浏览器。随着JSP技术的进一步发展，JSP页面中嵌入的Java代码已经越来越少了，取代这些代码的是一些用户自定义的标记利JSP的板报标记(JSTL)。扩展标记的使用使得JSP页面变得越来越清晰，结构也越来越完整。235 J2旺的优越性1、基于java技术，平台无关性表现突出。2、 开放的标准，许多大型公司已经实现了对该规范支持的应用服务器。如BEA，IBM，ORACLE等。3、提供相当专业的通用软件服务。4、提供了一个优秀的企业级应用程序框架，对快速高质量开发打下基础【24】。24 AJ舣技术概述241 Ajax技术匀aX虽然当前一个比较流行的新名词，但它并不是一门全新的技术。因为AjaX中核心技术如Javascript，CSS以及DOM等在它出现之前已经存在并被广泛使用。Aja)【通过使用这些传统的对象改善用户的交互体验，让用户能异步发18青岛理工大学工学硕士学位论文a自自簟冒_sE目|=自g目=目=_目g自=!=盲目奄自E!E=目!=!自211=!j目目E自!=!j=目|自目=!自=_自目=-送请求即在浏览页面的同时能够向服务器发送请求或者响应服务器的处理结果f25】OJavaS丽pt，CSS和DOM【261这几个技术都是相当成熟的技术，它们以前被称为DHTML，即动态HTML。DHTML可以为客户创建交互性很强的页面，但它有一个致命缺点便是不能与服务器通信，不能异步发送请求。因此，即使DHTML能够创造出良好的用户界面，但其频繁的页面刷新限制了它的使用。匀aX技术使用了一个LH郇Request对象，该对象不用抢占用户在页面上执行的操作，便实现了与服务器交互的能力，并且可以发送异步请求，以及具有与服务器进行异步通信的能力。因而，使用Aja)(技术，将给用户带来一种全新的体验。242 Ajax工作原理Ajax的基本工作流程图：图26 Ajax工作流程图一个AjaX交互总是从创建LHttpRequest的JaVaS嘶pt对象开始。就像它字面上的意思一样，它允许客户端调用JavaScript脚本来创建一个服务请求，服务器接受到该请求以后，便会对此做出处理，该对象封装很多属性和方法对服务器返回的数据进行处理。AjaX处理过程中首先是实例化一个XILH卸Request对象。然后调用该对象的getRequest方法来获得一个请求对象，可以使用该对象设置请求地址，并且发送请求。当客户端发送HTTP请求，用户并不希望看到页面一片空白来等待服务器返19青岛理工大学工学硕士学位论文回的数据，与此相反，用户希望有一个能够继续跟他们进行交互的页面，并且该页面能够接收并处理他们刚才提交的请求。要完成这个过程，我们可以向LHnpRequest对象注册一个回调函数，使用LHtfpRequest对象发送一个HTTP请求，控制权马上就被返回到浏览器，当服务器响应到达时，回调函数会根据返回的不同状态进行处理。在服务器上，可以对简单参数进行处理，也可以使用不同的处理类对复杂请求进行处理，然后根据处理后的参数，服务器执行与此对应的业务逻辑，将处理结果直接返回或者生产，并将它写回HttpSeletReSponse【27】。243 Ajax的优缺点匀ax的优点：青岛理工大学工学硕士学位论文第3章物联网信息管理系统设计31物联网信息管理系统设计的基本原则物联信息管理系统的主要工作是通过有线或者无线网络，把各个传感器转达回来的信息进行综合分析处理，然后把分析结果反馈到计算机等终端设备，从而达到高效利用各种资源的目的。要设计好一个良好的控制系统需要满足一下几点要求：首先应该满足简单性，在达到预定的目标和要求的前提下，系统应该尽可能的简单，这样可以降低开发费用，提高系统效益，并且能够简化实现和管理。其次应该是灵活性和适应性，以便适应使用环境变化啪3。系统的可变性是指允许系统被修改和维护的难易程度啪1。再次便是一致性和完整性，一致性是指系统中信息编码、采集、信息通信要具备一致性设计规范应标准；完整性是指系统作为一个统一的整体而存在，系统功能应尽量完整。最后也是最重要的便是可靠性口羽。只有可靠的系统，才能保证系统的质量并得到用户的信任，否则就是没有使用价值。32物联网信息管理系统的总体功能华东葡萄酒庄园位于青岛崂山南龙口九龙坡，严格按照欧洲葡萄酒庄园模式建造的中国第一座欧式葡萄酒庄园，占地1000余亩，庄园引进了莎当妮、薏丝琳、赤霞珠、佳美等数万株13种欧洲名贵酿酒葡萄品种，并在大泽山、蓬莱等地建立了数万亩葡萄基地，其独特的”华东单干双臂”栽培模式，加青岛得天独厚的自然条件，保证了”华东”产品与众不同的高品位。以管理华东葡萄酒庄园为例，该物联网管理系统主要功能分三个主要部分，首先是前段数据的采集，再次便是中间数据的传输口引，以及最后把收集到的数据进行处理，并反馈到用户瞰3。由于系统庞大，本论文主要对中间数据的传输，以及数据处理进行研究。前端的数据采集包括对电子标签数据的维护，对红外传感器状态的维护，包212具有路由器功能的中继模块：此模块除了具有终端模块的所有功能外，还增加了数据的路由功能，只要是对不能直接与中心节点进行数据交换的终端进行数据的转发。中继节点能够根据目的ID判断数据是否需要转发。3信息中心处理模块：此模块为数据中心处理模块，能够对各级终端传回来的数据就行分析，并做出相关处理。客户也可以根据自己的需求通过信息中心把数据发送到终端节点，总体结构如图31所示：青岛理工大学工学硕士学位论文图31系统结构图(以上终端都跟传感器和单片机或者PC机相连，具有简单的数据处理功能)34无线物联网信息管理系统功能模块设计341终端模块设计终端模块主要由单片机和不同的传感器以及ZigBee模块组成。在本论文中采用的为红外热释传感器LHl778和温度传感器DSl8820。红外传感器的主要功能是判断当前是否有人靠近设备，从而保证葡萄种植园是否的安全。当人在非法时间内靠近红外传感器的时候，红外传感器会发送一个信号到单片机，该信号经过单片机的处理以后，按照通信协议进行相应的编码，通过ZigBee模块传送到23青岛理工大学工学硕士学位论文信息中心模块，然后由信息中心对数据进行处理，把处理结果传送到终端采取相应的措施。温度传感器则是用来测量各个葡萄的环境温度，当环境温度出现异常温度后控制终端发出报警信息，并将此信息通过无线网络反馈到信息中心【41】进行进一步处理。终端模块的整体结构如图32所示：囤肖叵肖圈肖图32终端流程图对各个传感器进行控制和状态监测，当出现不正常状态的时候通过无线模块发送的信息处理中心进行处理。其中数据采集前端可以根据实际需要进行增加或者删除相应的传感器。在本系统中主要使用的是温度和红外传感器。终端CPU信息处理系统也可以根据自己的需求选择不同的处理芯片，比如使用DSP、单片机或者FPGA来实现。此外无线模块也可以根据自己的需要进行特殊的选择。终端设备的工作流程如图33所示：叁 发令恢二 据二 笮青岛理工大学工学硕士学位论文34，2中继模块设计图33终端操作流程图中继模块负责数据的转发，在本模块中主要使用的是ZigBee模块，本系统采用Sz05ZBEE无线通信模块，SZ05系列嵌入式无线通信模块，集成了符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、青岛理工大学工学硕士学位论文组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性；可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构【4引。该无线通信模块数据接口包括：TTL电平收发接口、标准串口RS232数据接口，可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯，串口通信使用方法简单便利，可以大大简短模块的嵌入匹配时间进程。并且该无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点，这三类设备具备不同的网络功能，中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能；路由器负责数据的路由中继转发，终端节点只进行本节点数据的发送和接收。中心协调器、路由器和终端节点这三种类型的设备在硬件结构上完全一致，只是设备嵌入软件不同，只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能。本模块便是采用路由器功能，它对不能直接到达目标节点的数据进行转发。下面给出本模块收发数据的部分连接图3-4。图34 ZigBee模块电路图343信息中心处理模块的设计RXTX该模块是本系统的核心管理模块，它把由无线(经过Zigbee模块)或者有线网络收集到的数据进行综合处理，然后把分析处理的结果反馈给用户，使用户可以通过PC对整个葡萄园的情况有更好的了解。信息处理中心可以发送相关的指令26青岛理工大学工学硕士学位论文对各个终端进行控制处理【431。该模块又分为以下属几个子模块(1)系统用户管理模块物联网信息管理系统需要有严格的安全保密要求，对用户的权限管理有着严格的限制管理，防止非法用户入侵系统。(2)传感器管理模块在此子模块中，能对温度、红外传感器进行相关的操作，可以显示当前传感器的状态，可以添加或者删除传感器，可以对不同的传感器设置不同的工作状态。(3)系统地图显示模块本模块能够把传感器的安装位置，显示在系统中，点击各个不同的图标，可以显示此传感器的相关信息，可以放大缩小地图，查看卫星云图等功能。(4)串口模块在此模块中主要对串口进行设计，可以选择不同的串口，设置不同的波特率以满足通信的要求。该模块的整体设计如图35所示。图35系统功能流程图27青岛理工大学工学硕士学位论文35本章小结本章着重从系统的设计方面进行系统整体功能的规划设计，对系统的设计规则从系统的灵活性、简单性、应用性等几个方面进行初步探讨，并具体给出了本系统设计的几个功能模块，其中包括终端模块，中继模块和中心模块。并对系统的不同模块的具体功能进行了简要分析设计。要达到系统的设计的功能目标，还需要解决诸多技术问题。下一章就实现系统的所需要的关键技术问题进行初步探讨。青岛理工大学工学硕士学位论文第4章物联网信息管理系统关键技术研究41基于ZigBee模块的无线自组网研究随着社会的不断发展，低延迟，低功率的应用系统的需求越来越强烈，而ZigBee的出现却恰恰满足了这一需求【451。ZigBee具有低延迟，低功率，通信距离远，组网灵活等诸多优点。如果ZigBee和传感器网络进行整合，那么对当前应用系统所面对的问题提出了一种解决方案。下面对于本系统所使用的SZ05系列无线ZigBee通信模块的技术指标进行简单介绍：表41 ZigBee功能传输距离 100米一2000米网络拓扑 星型、树型、链型、网状网k 一 ，。 +， ， ，寻址方式 IEEE802154ZIGBEE标准地址P 。网络ID 255 4。r L一 ， 。# ， ， ， ”# ， ，+最大数据包 256串口速率 120038400bps调制方式 DSSS直序扩频 一4“。f 74 ，。7“一。频率范围 2405Gfz2钙OG珏z、 ，。，。r-。一+，。t，r -t* 二一无线信道 16#4二：，。j一，4一”。“。+一”。14。：“1+。”+：-接收灵敏度 一94 dbm珞- *I、-，呲*，。 !。t，。 ，z。r。?*。，二 ，。，。 。， P发射功率 一27dBm25dBm耻? ，”?一! 。；”。一 ：?!。一。、j：天线连接外置 SMA天线或PCB天线昧， ，。1。#；、1，一。t* 一 ； 一，j防止冲突 CSMACA和GTS的CSMA-CA， 1一。4“+。“+ ， 1“一。”!待机电流 10皿A。节电模式 110 uA# _P j? 。4 、n、1”睡眠模式 30 uA青岛理工大学工学硕士学位论文411 Z i gBee的拓扑结构zigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网，我们可以根据实际项目需要来选择不同的网络结构，其中MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，该网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；并且具备自组织、自愈功能，星型和簇状型网络适合点多多点、距离相对较近的应用【删。拓扑结构图如下： ，砖一7b星型Q彳媳一。眨毛图41 Zi邸ee网络拓扑上图中标号1、2、3的解释如下1：精简功能设备。2：全功能设备(FFD，Router)：可以支持任何一种拓扑结构。3：网络协调器：ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以转交网络信标，进行网络节点管理，存储网络节点的信息，并且配对节点之间的消息路由，并且负责网络正常工作以及保持同网络其他设备的通信。30型删觥： 、蓼， ，q、一，八殴青岛理工大学工学硕士学位论文412 Zi gbee组网的流程任何一个ZigBee网络只允许有一个协调器M。组网过程如下：首先，由协调器建立一个新的自定义的无线网络。初始阶段，该协调器会在其约定的通道内搜索其它的网络协调器，并基于每个允许通道中所检测到的通道能量及网络号，选择唯一的16位PAN ID，建立自己的网络。一旦一个新网络被建立，网络中的Zi曲ee路由器、网桥以及终端设备便可以申请加入网络了。网络形成后，可能会出现网络重叠和PAN ID冲突的现象。这些现象可以调用PAN ID冲突解决程序来解决，首先改变自己的PAN ID和通信信道，由于同时PAN ID和通信信道的变更，使得与其链接的所有设备也进行了相应的更新操作。通常，Zi曲ee设备会将网络中其它关联的节点的信息存储在一个非易失性的存储空间中。加电后，若终端设备曾经是该网络的字设备，则该设备会执行向协调器发送一条关联请求。接收到关联请求的设备检查它的储存器，并确定该设备是否是子设备，若是，协调器会通知子设备它在网络中的位置，否则该设备将作为一个新设备来加入网络。而后，该设备将产生一个潜在关联表，并尽量以合适的深度加入到现存的网络中【48】。通常，设备检测通道能量所花费的时间与每个通道可利用的网络可通过ScarDumtion扫描持续参数来确定，一般设备要花费1分钟的时间来执行一个扫描请求，对于Zigbee路由器与终端设备来说，只需要执行一次扫描即可确定加入的网络。而协调器则需要扫描两次，一次采样通道能量，另一次则用于确定存在的网络f48】。在本论文中所使用的zigBee模块，在使用之前要进行相关的配置，首先使用超级终端进入到配置窗口(其中串口的配置如下：波特率38400、数据位8、校验NONE、停止位1、流控)。把模块的CoIlfig引脚设置为低电平进入到配置模式，其相关信息如图4-2所示：3l青岛理工大学工学硕士学位论文SHUNCOH ZBEE CONFI节点地址：D日5D节点名称：顺舟科技节点类型：终端节点网络类型：星型网网络ID：FF无线频点：自动地址编码：HEc发送模式：广播波特率： 9600校验： None数据位： 8+0+1串口超时：0日数据源址：不输出请选择设置参数：1节点地址 2节点名称 3节点类型 网络类型 5网络ID6无线频点 7地址编码 8发送模式 9波特率 n校验B数据位 C串口超时 D设备重启 E配置显示 F数据源址SHUNCOH一图42 ZigBee节点配置页面如图42所示，我们可以选择3进入到节点的类型选择，配置哪些节点是中网络协调器，哪些设备是FFD，哪些设备是精简设备。其中FFD最多支持13级联，并且我们可以选择不同的网络ID，但是在一个网络中的设备的网络ID必须一致，不然无法建立网络。42通信协议规范研究PC机上的管理软件将控制命令通过串口输出到发射的主机，由于PC机与发射主机之间为室内有线数据通讯，信道质量非常可靠，因此为了达到数据快速转发的目的，可以省略校验和加密操作，而发射主机与被控制终端的通信为无线数据通信，信道的质量难于保证，故采用一定的加密算法对数据进行加密。并使用