物联网测试平台中Wi-Fi移动节点的集成

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）96www.elsevier.com/locate/icte物联网测试平台中Wi-Fi移动节点的集成Luca Davoli，Laura Belli，Antonio Cilfone，Gianluigi Ferrari意大利帕尔马大学信息工程系无线自组网与传感器网络实验室接收日期：2016年4月30日;接受日期：2016年2016年8月5日在线发布摘要物联网（IoT）应该通过基于IP的通信将数十亿设备连接到互联网。主要目标是促进快速部署支持Web的日常对象，允许最终用户通过使用Web浏览器以简单的方式管理和控制智能事物。本文重点介绍Wi-Fi节点，托管HTTP资源，到物联网测试床（WoTT）的集成所提出的方法的主要新颖性在于，WoTT仅使用标准机制来集成新节点，允许最终用户与所有智能对象进行交互，而无需担心特定于协议的细节。c2016韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：Wi-Fi;物联网;IoT;物联网;受限设备; IP摄像机1. 介绍Wi-Fi技术在现代场景中的普遍存在及其与广泛使用的应用协议（例如，HTTP）使其成为未来有前途的技术。Wi-Fi保证了大面积覆盖、高带宽、健壮性和成本效益。一个正在获得重大动力的有趣范例是物联网（IoT），即，这是一种技术方案，其中数十亿台设备可以通过基于IP的通信连接到Internet。因此，物联网可能面临与互联网历史上面临的挑战类似的挑战。物联网系统的实施具有双重目标，即降低将事物相互连接和连接到Web的进入门槛，促进Web支持对象的快速部署，并为最终用户提供访问事物的简单方法为了实现这一目标，人们可以利用现有的基于HTTP和Wi-Fi的基础设施，遵循两种不同的方法将事物连接到Web：（i）通过将物联网连接到物理对象来使其智能*通讯作者。电子邮件地址：luca. studenti.unipr.it（L. Davoli），laura. unipr.it（L. 贝利），安东尼奥studenti.unipr.it。Cilfone），gianluigi.ferrari @unipr.it（G. 法拉利）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为《互联网中的ICT融合》特刊的一部分。由Yacine Ghamri-Doubang，Yeong Min Jang，Daeye-Kim，HossamHassanein和JaeSeung Song客座编辑。节点，然后利用其内置的传感器和执行器（例如，安装在窗户上的温度传感器）;（ii）通过电连接IoT节点来修改物理对象本身，从而提供到物理对象的致动器的连接（例如，将灯连接到Wi-Fi节点以创建经由HTTP可远程管理的智能此外，物联网领域的研究首先集中在如何在无线传感器网络（WSN）中构建基于IP的架构，通常涉及改编IP以使资源受限的事物能够通过有损网络无缝连接到互联网。Wi-Fi技术的采用在某些物联网场景中似乎是一个很好的解决方案（例如，视频监控）。这一观察激发了这项工作，它描述了Wi- 现有和已经部署的测试床中的Fi节点，表示为物联网测试床（WoTT）[1]，由托管可通过约束应用协议（CoAP）访问的资源的异构节点组成[2]。集成托管HTTP资源的新Wi-Fi节点，仅使用标准机制，动态节点和资源发现范例，代表了所提出方法的主要新颖性，该方法允许最终用户轻松地与所有智能对象（SO）进行交互，而无需担心特定的协议转换需求。本文的其余部分组织如下。在第2节中，概述了物联网场景中基于Wi-Fi的无线传感器网络集成的相关工作。在第3节中，详细介绍了所提出的方法的所有部署模块。最后，在第四节中，得出了一些结论http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.07.0012405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。2. 相关作品L. Davoli等人/ ICT Express 2（2016）96-9997近年来，在物联网场景中集成Wi-Fi技术的主题已被广泛分析，通常以相对于其他现有RF技术的比较方式进行。在[3]中，广泛用于WSNs的ZigBee协议[4]与物联网和智能电网中基于Wi-Fi的系统进行了比较ZigBee是一种低功耗、低速率和短距离的技术，其底层依赖于IEEE802.15.4标准。然而，后者受到一些限制，例如低数据传输速率。相反，基于Wi-Fi的WSN提供了一些显著的优点：（i）高带宽，支持实时和低延迟通信;（ii）大覆盖（例如，ZigBee节点的50米范围，Wi-Fi技术的室内100米到室外300米）;（iii）鲁棒性，具有快速安装和可靠的故障恢复;（iv）成本效益，因为使用预先存在的Wi-Fi基础设施降低了硬件成本。在[5]中进行了具有6LoWPAN适配层和低功耗Wi-Fi的IEEE 802.15.4系统之间的比较。最近开发的高能效Wi-Fi组件具有易于与现有基础设施集成和内置IP网络兼容性的优势，从而实现关键的成本节约和更快的部署。这些特性促使所有具有实时要求的应用采用Wi-Fi技术，响应时间和可靠性变得至关重要。在[6]中，它表明，考虑到高OSI层，Wi-Fi模块可以实现长电池寿命，尽管使用TCP/IP上的HTTP出于这个原因，可以利用已经在Web上使用的标准和范例来管理SO的资源，并且不需要协议翻译。这促进了完全支持Web的设备的创建[7]，通过为受限设备采用Internet协议（例如，CoAP）。然而，HTTP请求获得作为响应的具有资源的图形表示的HTML文档这一证据激发了这项工作中提出的新方法，其中使用了更轻的资源表示范式，并部署了节点和资源发现的外部实体。在[8]中，WebPlug被提出来表示HTTP资源，引入了一些与本体相关的概念。然而，该解决方案似乎与统一资源标识符（URI）表示的已知公理相冲突，并且要求HTTP节点处理另一种类似REST的范例，而不是重用CoRE WG [9]采用的那些范例。3. 执行3.1. 架构所提出的架构的主要组成模块如图1所示，其目标是利用物联网的基本概念，将基于Wi-Fi的设备集成到WoTT测试床中，主要由支持CoAP的IEEE 802.15.4节点组成。Fig. 1. 建议的体系结构概述。3.1.1. 资源目录模块资源目录（RD）模块[10]充当由IoT网络中的端点托管的资源的信息存储库。端点是与地址和端口相关联的启用IP的实体：因此，物理节点可以托管一个或多个端点，每个端点拥有一个或多个资源。RD还能够结合代理模块来处理通过不同应用协议（例如，HTTP和CoAP）。在所提出的架构中，所有端点都通过JmDNS库[11]（一种基于Java的mDNS发现协议实现）来通告自己，而不管支持的应用协议是什么，以便将端点托管的资源自动添加到RD。3.1.2. 节点管理器模块节点管理器模块是一个基于Java的实体，管理与WoTT中集成的所有节点的通信。它由几个子模块组成。(i)使用Jetty库实现的HTTP轮询器从RD检索可用 HTTP资源的列表，从而相应地使用CoRE接口（if）和资源类型（rt）属性来查找期望的一旦检索到资源地址，HTTP Poller就开始与它们进行交互。因为HTTP不原生地支持CoAP定义的观察选项，所以模块必须向可用的HTTP资源发送周期性HTTP GET请求。（ii）与加利福尼亚州（Cf）库一起实现的CoAP提取器负责与基于CoAP的端点交互(iii)执行器模块处理由其他模块接收的响应（以JSON格式编码以允许轻数据交换），并且如果响应满足某些标准（例如，将所获得的数据转发到云[12]或远程处理基础设施[13，14]，或者向WoTT中的执行器发出新请求）。3.1.3. Wi-Fi节点在 众 多 选 项 中 ， WoTT 中 集 成 的 Wi-Fi 节 点 是 TISimpleLink Wi-Fi CC 3200 LaunchPad [15]。该板配备了两个处理器，用于控制集成的Web服务器和TCP/IP堆栈进行联网操作，以及通过IEEE 802.11×98L. Davoli等/ ICT Express 2（2016）96-99表1测量时间。操作平均持续时间[s]标准差[s]入侵传感器轮询（步骤30.910.24快照请求（步骤61.70.47图二.基于物联网的监控基础设施。b/g/n协议。该板还配备了温度和三轴加速度传感器：可以通过内部优先级任务提取感测值。之所以选择LaunchPad板，是因为它是可用于物联网应用开发的最完整的设备之一，并且可以由电池供电。这些功能使其移动，从而增加了WoTT的异质性。为了智能地管理新的Wi-Fi节点，所提出的网络架构遵循以下原则：资源列表的内部表示和每个传感器的值的表示必须在LaunchPad板上维护。前一个方面已经通过“重新设 计 ” 电 路 板 并 且 使 得 能 够 在 启 动 时 创 建 在 /.well-known/core URI处可到达的新HTTP资源来解决此外，与资 源值 的 表 示相 关 的关 键 性 是因 为 ，默 认 情 况下 ，LaunchPad节点响应HTTP GET请求，该请求将最后检索到的值封装到HTML页面中，这是难以读取和解析的。考虑到这种观察，在所提出的方法中，通过使用JSON格式将测量值写入文本文件中。这个解决方案比TI提供的解决方案更可读、更轻量级、更容易解释。3.2. 用例所提出的架构已经通过实施图2所示的基于Wi-Fi节点的物联网监控系统进行了测试：如果传感器检测到意外存在，则安全摄像头会拍摄被监控环境的快照。该系统由Raspberry Pi 1 Model B上运行的节点管理器模块管理，该模块开始查询RD以发现运动传感器和监视摄像头。前者由TI LaunchPad Wi-Fi板上的加速度传感器处理，该板安装在受监督环境中的门上。电路板开始通告自己，以便被RD模块发现相机实体由另一个Raspberry Pi 1Model B代表，已经集成在WoTT测试平台，并配备了PiNoIR摄像头模块（能够在黑暗中使用红外照明），运行内置的HTTP服务器（用Python语言编写）和CoAP服务器（用Cf库编写）。这两个服务器都允许在请求特定URI时捕获图片首先，节点管理器发现Wi-Fi节点上的移动资源，由CoRE属性if=core.s和rt=accl标识，以及监控摄像机，其中if=core.s和rt=camera。HTTP Poller然后开始定期使用HTTP GET请求轮询LaunchPad板，其响应最终由Executor模块处理。然后将从Wi-Fi节点接收的当前值与两个阈值进行比较，并且如果检测到移动（即，加速度强度高于预设阈值），则执行器要求CoAP获取器模块向处理监控摄像机的树莓派板发送同步CoAP GET请求，该监控摄像机捕获新的快照（以320 - 240 px的分辨率）并将其转发回执行器模块。在表1中，参考图1中突出显示的不同步骤，实验测量的时间（以平均值和标准偏差表示）。 2，显示。选择发送CoAP请求而不是HTTP请求是为了突出所分析的用例和所提出的架构的异构性，其中Wi-Fi板和摄像机之间没有物理连接，因为它们仅由于RD的存在而相互作用。4. 结论在本文中，我们介绍了一种新的方法来集成Wi-Fi节点到物联网测试床（表示为WoTT），其中使用的资源目录模块，端点和资源发现机制，结合一个核心链路格式的资源表示，使所提出的架构可扩展和轻量级，因为HTTP和CoAP资源异构设备上的管理以类似的方式。未来的发展将涉及采用Webhooks方法[17]。引用[1] L. 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