一个多维物联网实验系统:开发和评估

文摘

物联网的技术突破(物联网)驱动的出现大范围的智能物联网解决方案在不同领域。推进不同技术方面的这些解决方案需要有效的物联网的实现和实验。这是广泛的低成本和可伸缩的方法来解决,如分析建模与仿真。然而,这样的方法是有限的获取物理特性和网络条件以现实的方式。因此,本文提出一种创新的物联网实验系统,促进实际实验不同的物联网解决方案的一个有效的环境。试验台的设计是对开发一个通用的多维支持不同的物联网属性包括传感、通信、网关、能源管理、数据处理和安全性。实验的实施实现了基于集成一组健壮的硬件组件和开发一个软件模块的数量。为了说明其有效性,能源效率的实验是利用实验选定的物联网通信技术。这导致了较低的能源消耗使用蓝牙低能量(bie)技术相比,无线个域网和6 lowpan技术。进一步评估的研究进行了系统的技术接受模型(TAM)。 As the study results indicated, the system provides a simple yet efficient platform for conducting practical IoT experiments. It also had positive impact on users’ behavior and attitude toward IoT experimentation.

1。介绍

物联网技术走向(物联网)是一个有效的物理世界和数字世界的融合。它开始显著影响我们的日常生活,因为它发现在不同的政府、工业和商业领域。如今,越来越多的兴趣,考虑不同的应用,如智能家居物联网发展,e-healthcare,智能交通系统。物联网系统的实际部署变得普遍在世界的不同地区。IoT-enabled对象的数量正在增加,达到一个很高的数字在不久的将来。

随着物联网技术的快速发展,各种各样的物联网解决方案出现了。另一方面,推进物联网成为趋势的不同技术方面的研究方向。不同的研究问题提出了物联网的广泛应用。这些相关的不同等方面,应该如何设置,物联网通信技术和物联网数据应该如何收集和处理,以及物联网节点应该定位。然而,这种考虑极度需要有效的测试和实验。

有很多方法可以采用这一过程。最常见的是分析建模、仿真和实验的实验。分析依赖于数学建模和统计方法,而模拟广泛采用低成本和灵活的实验方法。然而,这些方法有著名的限制,因为他们依赖于物理特性建模和反映物理现象使用近似和简化。这使它复杂的捕获所有的自然硬件特点和现实的网络条件。是具有挑战性的仿真软件有效地处理好缺陷在无线电通信,硬件交互、传感、和网络流量。因此,物联网实现的必要性和评价自然和真实的环境中是显而易见的。有实验物联网设置使用物理物联网开发组件与真正的物联网数据流量是一个更有效的实验方法。虽然有金钱和时间成本,构建物联网实验系统将允许增加测试环境的现实主义和提高评估过程的可信度。

另一方面,构建激励学术和研究环境是重要的推进过程进一步限制。这是一个主要的战略目标向卡西姆大学的计算机学院的努力。因此,大量的学术资源可用和各种研究活动的支持。然而,仍然有任何定制的设施用于支持物联网研究和教育的大学。研究人员通常需要建立自己的实验物联网设置执行特定的实现和测试程序。教育者们有限的资源获取实践经验和交互式学习时实际物联网的概念。物联网技术的日益增长的兴趣,有一个通用的、开放的物联网实验提供合作研究环境和互动的学习平台。例如,它可以用来研究物联网通信技术,研究物联网网络性能,测试物联网安全技术、物联网应用程序原型,分析物联网数据。开发一个物联网实验设想是不同的机会包括多学科合作打开大门。这是一个具有成本效益和节省时间的方法来有效地促进物联网研究和教育。

这样的挑战是解决本文中提出了一个实际的设计和实现试验台系统物联网实验。它代表了进步向移动物联网实验更现实的和实际水平。该实验系统的主要贡献是小说多维支持提供以下:(我)一个物联网实验设施有效测试不同的物联网方面的一个现实的和控制环境。它几乎可以用来试验物联网网络考虑物联网的通信协议。它还支持物联网实验针对物联网数据处理、网关操作,云集成,节点部署和安全(2)一个教育实践和互动平台物联网教学过程。它可以很容易地实现不同物联网概念和技术的实践教学除了使交互式和基于实践物联网教育

的实验还有一个小说结合的特征包括以下:(我)多维支持不同的物联网通用属性(传感、通信、网关、能源管理、数据处理、和安全)(2)可伸缩、可移植和简单的系统架构(3)具有成本效益的设计和实现使用商用现货(COTS)组件(iv)有效的支持范围广泛的物联网通信技术(BLE无线个域网6 lowpan,和LoRaWAN)(v)轻松集成不同的传感器设备(vi)云集成(七)有效的物联网数据可视化(八)灵活的访问试验台使用web接口和API调用(第九)容易实现物联网的广泛应用(x)支持节点移动性

试验台是基于有效的设计考虑到高水平的简单、可伸缩性、可用性、可移植性和成本效益。主要的重点是实现一个现成的和易于操作的多维试验台为节省时间和成本削减物联网实验。试验台实现实现了基于集成一组著名的硬件组件和开发一个软件模块的数量。试验台实现的效率和运行不同的物联网实验说明本文通过一个简单的物联网用例。系统的评估进行了使用技术接受模型(TAM)。结果表明,该系统提供了有效的物联网测试简单易用、高效的设备。它同样明显的是,系统成功地促进积极的态度实际物联网未来物联网测试实验和有吸引力的设施。

在下一节中,提供相关工作的总结。部分3提出了一种技术给出了物联网技术的概述。节4主要提出了试验台系统的需求进行了讨论。部分5和6目前的系统设计和实现提出物联网实验,分别。部分7说明了实验的一些示例用例。系统评价的描述和讨论的这项研究的结果发表在部分8。部分9是本文的结论。

2。相关工作

研究社区实现了物联网技术的发展和公认有效的物联网实验的必要性。显示在[1),它是一种常见的研究实践基于仿真的物联网研究与物理实验验证实验。已经有大量的研究努力开发和部署不同的物理物联网实验台。大多数这些台都是公开和公开可访问不同设施和功能可用。这导致了新概念的出现在物联网方面的实验。其中包括物联网Testbed-as-a-Service (taa) [2)和Experiment-as-a-Service (eaa) [3]。

在[4),一个小规模的实验成本和易于构建的设计。它部署在建设北德克萨斯大学的电子工程系。试验台的设计是基于一个基站和一组传感器节点运行无线个域网协议和不同的传感器。此外,传感器数据传输的软件组件,网关功能,实现了数据库管理和用户接口。

Twonet实践提出了在5大规模的设计。它部署在一个大学的四层的建筑。Twonet的主要目标是支持多通道无线传感器网络。Twonet是基于三层体系结构的设计。在一级,Linux PC服务器存在控制试验台通过一个定制的web接口访问和实验。它也有一组20覆盆子π节点,使用坡开关相互联系,如在二级代理收集调试日志和传感器节点数据。每个代理连接一组传感器节点(3级)使用蛋白石实现传感器设备。

另一个大规模的试验台是SmartCampus [6)位于通信系统研究中心(CCSR)建筑萨里大学、英国。这是欧洲的一部分开发SmartSantander实验装置(7]。它是部署到整个建筑的三层真实环境和现实的操作条件。实验有一个以用户为中心的设计使有效的物联网环境中用户行为的研究和许多解决方案的效率。试验台设计三层模型连接后的物联网节点不同的网关连接到云。TelosB每个物联网节点实现使用一个传感器微粒与不同的传感器和IEEE 802.1 - 5.4无线模块。试验台还包含30 Android智能手机的用户和连接到网关。试验台依赖于管理框架配置和控制功能。它提供了一个用户界面使资源发现和预订,拓扑显示,实验配置和执行和数据分析。

在[8),建立了试验台的小规模的设置和设计不同的物联网应用领域。实验的主要目的是提供一个低成本、可靠和可定制的试验台。它使低功耗、测试重复性和代码的可移植性。试验台的设计是基于数量的传感器节点无线连接专用的网关使用nRF24L01 +芯片低功耗。传感器节点和网关使用Arduino UNO和Arduino实现,分别。网关是连接到一个服务器运行三个软件组件:Python服务器适配器,Apache web服务器和MySQL数据库服务器。

Supersensors提出了在9)作为格拉斯哥大学的校园范围内的试验台。它是基于一个分布式数据采集系统具有灵活、可伸缩的微型元件设计架构。试验台可以实现不同的用例用于智能校园的发展。实验体系结构是由大量的传感器节点与一组传感器(覆盆子π)连接到一个中央服务器上。传感器节点运行不同的守护进程实时传感器数据收集和建立网络连接。在服务器端,发布/订阅模型的排队系统实现有效的实时数据处理和存储在数据库中。Protocol Buffers语言(proto3)也用于序列化和解析数据。此外,心跳机制实现在服务器启用远程医疗和可用性监控以及重组和传感器节点的配置。服务器提供了一个用户界面允许用户使用REST api访问节点和传感器数据。

在[10),另一个物联网实验部署在日本冈山大学开设学术建设提出了科学。试验台是构造使用一组注意电脑和覆盆子π设备。一个分布式网络流量发生器软件实现生成不同类型的网络数据流量试验台。它也被用来获得不同指标在数据传输方面的信息。试验台能够有效评估物联网协议和算法考虑不同的现实的网络场景和参数。

在[11),一个物联网实验开发可靠性竞争定量测试低功耗无线传感系统在高无线电干扰的环境中。TelosB试验台是使用大量的部署传感器设备低功耗无线收音机在奥地利格拉茨大学的建筑技术。覆盆子πTelosB运行控制软件界面上的每个传感器设备使用一个开放硬件接口板能耗监测的能力。用户可以他们的二进制映像加载到董事会运行物联网实验确定时间。系统提供不同的性能措施如延迟、消耗能量,和可靠性。

一个物联网实验开发后提出了一种简约的方法维护成本效益的实现(12]。它部署在法国巴黎跨两个多层建筑。建立了试验台使用一组节点;每个组件有许多包含在一个OtBox。这些包括覆盆子π,多个OpenMote设备,和一个屏幕。每个OtBox有试验台控制软件运行在覆盆子π和连接到MQTT代理使用WiFi连接。用户可以使用mote配置和OtBox管理api。他们还可以使用屏幕使用一个基于web的用户界面与系统交互与仪表板在IBM Cloud上运行服务。试验台是一个开源和开放硬件系统提供开放和远程访问。

在[13],MakeSense试验台使现实社会研究和大规模物联网实验。它使实时室内活动监控和situation-aware应用程序。试验台的设计是基于一个可伸缩的和灵活的客户机-服务器模型。一组传感器节点被部署为使用轻量级客户端和连接到一个服务器机器对机器通过宽带互联网协议。更好的服务器托管在云物联网数据分析和可视化。传感器节点的试验台提供了API访问远程管理和配置可用的资源。试验台的特性不同的安全实现,包括数据报传输层安全性(迪泰),预共享密钥身份验证和数据加密使用高级加密标准(AES)。

在线试验台对大规模罗拉实验部署多个公寓和建筑提出了(14]。它有一个三层体系结构设计。这些节点、网关和云服务器层。在节点层,一组覆盆子π实施和使用权力银行和太阳能供电。网关节点在下一层负责数据包的转发节点服务器。服务器层提供了不同的功能包括用户管理、系统控制、和工作安排。试验台提供了基于web的用户界面让用户配置节点和接收实时实验显示。

在[15),一个物联网实验针对物联网技术和web技术的有效结合。部署在一个家庭环境监测和控制不同的物理参数。它有一个三层建筑设计包括传感、中间件和应用程序层。一组传感器节点被使用在传感层Arduino设备实现的。这些节点收集和发送物联网数据网关电脑使用无线个域网(在中间件层)协议。在应用程序层,web服务器实现让用户访问使用HTTP和系统配置。

表1总结和比较这些试验台系统提出的。它可以注意到,大多数的展示物联网台目标特定的物联网通信技术,传感器,和应用程序。这项工作因素的多样性物联网技术和物联网的各种设置和属性。重点是促进通用和多维支持物联网实验,同时考虑不同的物联网应用程序。它还设想开发一个物联网的重要性试验台平台推进研究活动在卡西姆大学计算机学院。重点是建立一个系统,将为研究人员提供一个有效的物联网设备,促进物联网实验更有效。

3所示。物联网概述

物联网技术使合并物理和虚拟世界的连接最周围的物理对象网络。每天它扩展计算能力和网络连接对象和使他们能够生成和传播数据。这些对象可能包括家用电器、可穿戴设备、医疗设备和车辆。

物联网系统是基于不同的技术领域的结合传感器技术等网络协议、嵌入式系统、云集成、数据处理和通信技术。物联网技术使一个伟大的推动数字智能和智能控制和自动化与人工干预少。

物联网技术打开了视野宽范围的智能应用程序在不同领域如交通、医疗、农业、公用事业、和监控。智能城市是物联网的一个示例应用程序,可用于实现更好的管理等不同方面的路灯、交通和日常服务。另一个示例应用程序是车队管理使舰队资产的实时跟踪。此外,物联网也可以申请医疗应用程序开发远程病人监控和报警系统。

大部分的物联网应用程序需要大型互联物联网节点的部署图1。这些节点通常用小型计算设备有限,实现内存和能源资源。无线传感器网络通常是建立在这些节点然后使用ip网关连接到互联网。每个节点能够感知并收集物联网数据针对特定的应用程序。对象之间的数据通信可以建立物联网和互联网以及对象本身。

为此,物联网依赖不同的必要的硬件和软件组件。这些包括传感器设备对于阅读是重要的不同参数的物理世界。这可能是环境、气象、生态、和医学参数。也必须有一个处理单元,每个节点可以使用单片机/微处理器和内存数据处理和存储的支持。通信模块是另一个重要的组件的任何物联网系统,使数据传输网络。很明显,无线和低功率的沟通是非常需要在这种情况下,大多数的物联网节点是电池驱动的。例子技术无线和低功率无线个域网连接,蓝牙低能量(祝福),6 lowpan, LoRaWAN。所有这些节点组件需要使用一个电源供电单位可能是电池或太阳能电池。

在物联网系统中,传感器节点协同某些参数和通信网关的数据,然后将数据转发到互联网。在这个过程中,网关也可以用来执行本地物联网数据预处理在物联网网络的边缘。物联网数据通常是在互联网发送到云系统有效的数据存储和管理。物联网应用程序生成大数据,需要进一步的特定于应用程序的数据处理和分析。

然而,物联网带来了不同的挑战,需要解决不同的物联网解决方案。这些包括安全有效的支持和高水平的保护潜在的物联网的攻击。隐私和收集数据的所有权也成为关键问题,除了需要建立明确的隐私保护政策。另一个挑战是关心合法化和拥有一个全球物联网管理系统。这也是挑战保持同质性的可解释性和支持物联网系统。物联网解决方案还需要高水平的网络可用性与有效成本管理特别是对大规模物联网部署。

4所示。系统需求分析

物联网是一个跨学科的概念,包含了各种计算学科,如网络、通信、嵌入式系统、云计算和数据科学。物联网系统具有不同的网络需求的低功耗通信和轻量级计算。它还依赖于easy-to-setup物联网网络,云集成和数据处理。这使得物联网系统具有挑战性的开发和实施。有效地尝试不同方面的物联网技术,物联网试验台的设计应考虑不同的特征。这些包括效率、实用性、简单,可用性和交互性。

物联网体系结构由不同层呈现在图2。这些传感、网络、数据和应用程序层。试验台应考虑该建筑模型设计的模块化设计。在传感层,重要的是有各种各样的传感器可以获取广泛的物联网数据的设备。网络层,应结合不同的物联网通信技术包括无线个域网、祝福,6 lowpan, LoRaWAN。此外,支持不同的网络等方面数据类型、网络拓扑、节点移动,网络密度,节点分布应考虑。在数据层,系统应该与一个云系统集成,使物联网数据的有效管理和处理。的设计也需要方便容易使用试验台建立特定的物联网应用。

其他关键需求包括简单控制系统的操作。用户应该能够轻松地配置不同的物联网场景的实验和应用程序。系统应该允许用户控制,传感器,通信技术,和应用程序构建。同样重要的是,允许用户配置每个设置的不同方面,如传感器读数间隔和实验时间。同样重要的是,使实验不同的物联网网络负载平衡等问题、故障恢复、QoS、流动性和安全性。

这也包括定义每个节点应该应用的场景。例如,可以配置设置来模拟一个简单的智能家居应用程序30分钟使用5物联网节点通过无线个域网网络互联。每个节点配置为读取数据从一个温度,压力,光,运动传感器每10秒,并发送数据到云上。一个实验性的网络场景可以应用到这个设置多次反射网络拓扑。在实验中,可以触发节点故障段为了检查网络性能。

此外,简单的可访问性实验需要意识到的不同类型的潜在用户。同样重要的是在这种情况下,允许远程和网络访问试验台。另一方面,安全系统的设计应该意识到至少防止未经身份验证的系统的访问和未经授权使用。

有很多需要满足非功能需求的系统。这些主要包括可扩展性、可移植性、灵活性和成本效益。系统需要很容易扩大在硬件和软件水平。有效地使系统容易携带和可部署的是另一个重要的考虑因素。不同的用户可以有不同的要求,因此设计需要维护的通用和灵活。重要的是要保持开发成本最低的前提下其功能和质量。

5。系统设计

提出了物联网测试平台系统的设计是基于模块化和可扩展的架构,和描述分段提供了概述5.1。一组硬件和软件组件被纳入系统设计提出了分段5.2。在分段5.3一个详细的操作提出了试验台的功能的概述。

5.1。功能设计架构

图3概述了试验台设计架构。试验台的模块化设计实现与不同的功能模块包含在不同的建筑实体的试验台。这些实体包括中央服务器和试验台物联网节点。当前设计的试验台由6个主要模块结构以系统化的方式如下。

5.1.1。访问模块

访问模块的主要前端层试验台。它方便简单,通过一个基于web的远程访问系统图形用户界面(web gui)。它还允许用户访问使用预定义的应用程序编程接口(API)调用。在这两种情况下,模块管理系统安全访问与可靠的用户身份验证和授权。

5.1.2中。控制模块

控制模块提供了试验台系统的集中控制和管理。它负责监控的健康状况和可用性实验资源包括物联网节点。它包括一个节点注册单元实时管理节点的状态。该模块还负责管理系统功能和控制用户实验。它接收用户请求通过web gui访问模块一旦提交。用户也可以直接收到来自用户的请求。在这两种情况下,命令和API调用发送。然后,控制模块管理实验配置,与节点启动实验,控制实验装置。登录当前系统状态除了收集实验数据输入和输出的模块然后发送到数据永久存储模块。

5.1.3。节点模块

节点的节点模块管理不同业务实体。适用要求的实验配置为从控制模块接收或直接从用户使用系统的api。然后节点模块负责运行和控制实验装置。实验也实时数据通信与控制和数据输出模块。

5.1.4。实验模块

实验模块包含传感、通信、和能源单元节点的实体。这些是主要的元素建立物联网实验测试平台和应用程序。实验模块根据命令控制这些单位的业务从节点接收模块。一旦运行一个实验,该模块收集传感器读数,沟通措施,能源消耗信息。然后这些输出发送到节点模块以实时的方式。

是5.1.5。数据模块

数据维护模块所需的数据存储和管理功能。这是负责任的永久存储系统的日志,实验输入,并在数据库中收集的实验数据单元。它也负责管理用户数据,使系统安全访问。数据模块还提供了有效的与基于网络的云系统的集成。用户实验的输出数据可以为进一步转发到云数据管理和处理。

5.1.6。网络模块

网络模块提供底层通信基础设施互连的大多数系统模块。它使系统通过无线和有线和无线连接以太网,分别。网络模块负责建立系统中控制网络实验实体,用户和云系统集成。

5.2。主要设计组件

试验台的设计架构是由两个主要建筑实体的试验台。这是中央服务器和测试平台物联网节点。这两个实体通过无线控制网络互联提供永久的互联网接入。

服务器实体由一组功能组件,如图4。其中包括系统控制器、web服务器和数据库:(我)控制器的功能控制模块运行在服务器上的实体。它促进有效的实验管理和实验控制在主后端系统的层。它维护了一个节点注册服务的可用性和管理监控的性能试验台节点(2)web服务器提供的功能访问模块在服务器实体。它使网络访问试验台系统除了促进容易配置和设置不同的实验资源。它还提供了足够的支持以防止未经身份验证和授权的用户访问(3)服务器管理数据库,提供本地数据存储的数据模块。主要保留用户访问信息、系统日志和实验数据

物联网节点的实体实验节点表示一组设备。每个节点有很多硬件和软件组件,如图5。硬件组件是传感器、通讯设备、电源:(我)物联网传感器装置的传感器包括一组测量一组参数,比如环境、生化、生理、行为、视觉的(2)通讯设备使建立无线物联网网络在物联网中节点。目前主要的物联网通信技术支持由试验台LoRaWAN, 6 lowpan,无线个域网和祝福(3)试验台的设计也依赖于便携式和可持续的动力装置,允许监控能耗和控制剩余能量

这些组件的物联网节点支持简单的重新配置,轻量级的可移植性,具有成本效益的实现和轻松部署。实验模块完全运行在节点实体来管理硬件组件的操作。它使每个组件能够有效地应用相关用户配置运行请求的实验装置。

还包括一个中央节点实体节点管理器软件组件。它运行节点的功能模块来控制节点的操作。这些操作包括初始节点注册和频繁的状态报告与系统控制器。此外,根据请求的节点管理器控制用户实验设置和组件的配置。例如,它管理打开/关闭特定的通信模块,初始化传感器阅读,和物联网通信数据。节点管理器也进行实验数据的实时采集和传输到系统控制器在服务器上。节点管理器发送的数据也可以到云用户如果需要。

更好的系统可用性,通过交互式web gui设计便于操作简便访问,使以下:(我)资源发现和预订:系统允许保留一定数量的节点,目前,对于每一个实验的设置(2)实验配置和执行:用户可以选择通信模块和传感器设备运行为每个选定的节点。也有条目设置实验时间和传感区间。用户还可以提供实验脚本应用某些实验场景中选中的资源。这使得设置网络拓扑结构,设置模式下,数据流量类型和数据包的大小(3)拓扑显示:该接口包含一个实验表征显示当前运行的实时可视化设置。的流动可视化物联网在每次运行数据的实验资源(iv)数据仪表盘:接口提供了视觉显示的收集物联网实验数据以实时的方式

该系统还包括其他软件组件,如API服务器和客户端在服务器和节点的实体。用户请求和实验配置服务器和客户端之间进行交换使用预定义的API调用。在最初的启动时间,每个节点运行一个API服务器等待实验从API客户端调用。用户输入通过web gui首先解析成API调用,然后通过API客户机API服务器。然后处理和转发节点管理器运行请求的实验设置。API服务器还接受API调用直接从用户的情况没有功能控制模块。

不同实体之间的通信API调用的使用网络维护模块。这是通过无线控制网络进行了使用私人无线访问点。还支持使用有线以太网连接作为替代选择。在这两种情况下,实体提供互联网接入。

5.3。操作系统的概述

序列图呈现在图6试验台的概述的主要操作系统。在启动阶段,每个节点发现其现有实验模块和硬件组件。在节点的实体,节点模块发送一个状态检查消息响应的实验模块和可用的实验资源的状态信息。然后,节点模块发送注册请求消息发送到控制模块。此消息包含不同的节点信息,包括其ID、IP地址,可用实验组件和剩余的力量。消息处理节点注册单位维护测试平台的可用性和性能监控节点。然后回复节点模块的响应消息。节点信息也发送到数据模块的永久存储数据的数据库。

用户进入系统管理的访问模块在登录阶段。新用户需要首先注册到系统。注册信息转发到数据永久存储模块。在收到访问请求,用户数据从本地数据库进行安全获得用户身份验证和授权。用户获得访问令牌当且仅当访问是合法的。

用户请求对物联网实验可以通过web接口或API调用。在前一种情况中,实验中配置和设置脚本用户输入的请求消息转发到控制模块。复制请求数据到数据库后,控制模块将消息转发到节点模块使用内部API调用。处理请求的节点管理器软件在实验节点选择对当前实验。然后回复和响应消息转发的显示装置的控制模块用于用户通知。时,节点管理器发送用户配置实验模块配置传感、通信、和能源组件。之后,确认消息发送回节点模块以信号实验资源的准备。节点管理器可以运行命令并开始实验。它还适用于设置相应的脚本控制实验的场景。

实验时间、实验模块发送收集到的物联网数据和节点模块以实时的方式的措施。然后转发到控制模块将其转发到访问模块实时可视化显示在web界面。结果数据也发送到本地存储和云备份的数据模块。

在其它情况下,用户问题实验直接请求试验台使用API调用节点。这支持在故障服务器的系统可用性的实体。接收并处理请求消息的节点模块在每个选定的物联网节点。节点管理器问题响应给用户,将请求数据复制到云存储的数据模块,然后发送用户配置实验模块。它还启动的实验在收到确认消息设置实验模块。实验开始后,收集到的物联网实验数据转发节点管理器以实时的方式。数据然后转发到数据模块上传到云系统进行进一步的数据处理和可视化。然后用户可以随时自由地访问数据在云数据模块使用给定的云API调用。

6。系统实现

提出的物联网实验系统实现了基于集成一套硬件组件和开发不同的软件模块。提出了一种表征实验实现的概述图7。第二部分,6.1和6.2,提供一个全面的描述当前的硬件和软件实现,分别。

6.1。硬件实现概述

开源的和具有成本效益的硬件组件的集合是用来开发的当前实现试验台。这些包括一个强大的PC笔记本电脑暂时设置为实验服务器。是无线连接的一个私人无线接入点(AP)提供访问互联网和云计算服务。试验台的物联网节点实现了使用多个模型3和覆盆子π的董事会版本b . AP的节点是无线连接与服务器建立一个控制网络和获得上网。

每个覆盆子π董事会运行稳定和开源类linux操作系统,即Raspbian。采用覆盆子π董事会的决定是考虑其功能而言,CPU、内存和连通性。它也有一个内置WiFi和蓝牙低能量(bie)模块是试验台的基本要素。此外,它支持轻松集成各种物联网传感器和通讯模块等对其I / O接口的通用输入/输出(GPIO)针和串行端口。这些都是用在当前实现中附上以下外部硬件模块每个覆盆子π板:

但是。XBee S2C

XBee S2C是一个射频模块开发的数码网络国际支持短距离无线无线个域网的通信。

6.1.2。6 lowpan芯片

内部一个小小的802.15.4无线芯片提供服务是由OpenLabs提供支持6内部lowpan / 802.15.4的覆盆子π董事会提供服务。这个射频模块设计为董事会的别针。

6.1.3。Arduino电路板

Arduino是一个单片机板,提供了一个开源的开发环境。它有一个数量的数字和模拟I / O引脚,可以用于进一步的扩展,如传感器设备和通信模块。有不同版本的Arduino, Arduino UNO版本是在当前实现中使用。

6.1.4。LoRaWAN Arduino盾

LoRaWAN盾是由Dragino Arduino UNO董事会。它提供了一个远程收发器基于开源库。盾牌有一组I / O引脚,用于直接附件Arduino电路板。

6.1.5。GrovePi +

GrovePi +一个附加传感器板由德克斯特产业为传感器提供一个简单的解决方案附件。它提供了7个数字,3模拟,和3 I2C接口。试验台GrovePi +板安装在每个覆盆子π。

6.1.6。收集的传感器设备兼容

这是连接到不同的港口GrovePi +板。这些包括温度、湿度、气压计、灰尘、空气质量、气、光、声音和运动传感器。然而,用户提供的灵活性来取代这些传感器的选择传感器支持不同的物联网应用。

6.1.7。外部电源模块

电池的实验提供了两种不同的驱动选项模块。这些是一个便携式电力银行和UPS帽子电池适配器电源扩展板。的实验也支持集成任何其他能源如太阳能电池集成。

每个覆盆子π板在当前实现中有GrovePi +板连接使用的针。传感器设备直接连接到端口GrovePi +委员会。6 lowpan模块也连接到扩展GrovePi +董事会GPIO管脚。另一方面,XBee S2C模块是连接到一个定制的电子狗相连接的覆盆子π董事会通过串行端口。建立了董事会和芯片之间的通信通过一个串行连接。

此外,另一个串行端口是用于连接每一个覆盆子π董事会Arduino电路板用于安装和操作LoRaWAN模块。这也可以作为进一步发展委员会支持系统的可伸缩性和灵活性。然而,Arduino董事会和LoRaWAN模块完全控制的实验模块实现的覆盆子π。这是保持在一个永久的串行连接。

关于电源模块,它可以是一个权力银行连接的微型usb电源输入覆盆子π。它也可能是电池适配器电源扩展板,可以连着的别针。

每个物联网节点的所有硬件组件都包含在一个紧凑和轻盒为了支持系统的可移植性。用户提供放置和移动物联网节点的能力在一个灵活的方式。与12个物联网节点当前植入了。然而,系统的可伸缩的设计和灵活的实现允许轻松地集成附加在未来物联网节点。

6.2。软件实现概述

的主要模块的功能实现试验台设计开发不同的硬件组件的系统。这是使用一组软件开发工具完成如下:

6.2.1。访问模块

的web gui开发的前端系统使用HTML、CSS和JavaScript。

6.2.2。数据模块

使用MongoDB数据库实现。对于云服务,当前的实现是与ThingsBoard集成,一个公共云平台。它提供了一组api,用于管理云服务的通信。

6.2.3。控制模块

系统控制模块的功能是实现为后端使用Node JS。

6.2.4。节点模块

不同的节点模块的功能是使用Python和Flask-RESTful实现。

6.2.5。实验模块

通信、传感器、电池子也使用开源开发的Python类。附加到一个Arduino电路板,然而,发展LoRaWAN子Arduino c环境中进行。

当前实现试验台服务器包含一个web gui运行的访问模块。接口可以使实验用户输入一个描述的主要实验设置设置脚本一个实验。脚本形成根据用户选择的节点数量,通信模块,传感器,设置模式、场景类型和试验时间。各种各样的实验配置也可以进入配置的组件设置。这些包括传感间隔、传输间隔,数据包大小、电池级阈值,节点操作模式,通信信道和网络拓扑。

实验服务器还集成了一个节点JS系统控制器的实现提供了不同的控制模块的功能。它运行的节点注册依赖于发达的心跳机制有效的远程监控物联网节点的卫生和可用性。机制是实现经常检查服务器节点连接,以发现任何失败。

另一方面,系统控制器也实现接收设置脚本和实验配置在一个POST请求。然后请求数据被复制到数据库系统的实验表和转发到选定的节点。物联网的控制模块处理通信节点使用一组开发REST API调用。收到API请求的节点模块处理的Python实现节点控制软件。It过程相应地设置脚本控制实验。由实验获得的实验配置相应控制模块作为输入来配置其组件。一旦运行,实验数据获得和处理JSON数据的节点控制软件。然后发送回服务器的API请求。经常获得的数据访问模块实时显示在界面上。

7所示。用例

当前的实现提出了物联网实验系统能够有效运行实验研究物联网技术的不同方面。这些包括物联网通信的特点,对不同的参数,如链接质量,传输范围、功率消耗和数据率。这可以在实验场景中进行定义根据不同的因素包括设置大小、网络拓扑结构、硬件配置和交通类型。用户可以选择要运行的实验设置使用一个实现物联网通信技术,即无线个域网,6 lowpan LoRaWAN和祝福。这些也会促进学习不同的属性干扰和噪声等不同的物联网网络设置。此外,实验节点允许定制的节点定位的可移植性和允许灵活的移动设置和建立动态场景。它促进了研究网络性能在某些节点的移动性或考虑整个网络在现实条件下的运动。

实验也可以进行有效的物联网数据收集和处理。自从试验台提供了许多遥感选择使用不同的传感器设备,数据可以很容易地获得环境、气象、生态、和许多其他用途。与云计算系统集成使收集到的数据的有效处理和简单的可视化。因此,可以建立各种物联网应用程序使用试验台等不同目的的监测、控制、自动化。人类活动的例子包括室内环境质量测量、监控、智能校园,室内资产跟踪、智能教室管理。

提出使用试验台的例子,进行了一个实验来衡量能源消费的选择物联网通信技术。在这个实验中,实验使用API调用访问直接接收和处理的节点。输出数据是实验完成后获得的节点。表2列出了主要的实验设置和配置。它是一个简单的只有5个物联网节点的网络拓扑。三个网络设置了互连拓扑中的节点开始使用不同的物联网通信技术。这些都是祝福、无线个域网和6 lowpan。在所有情况下,然而,每个节点被配置为,每5秒发送温度传感器数据期间45分钟。每个设置重复10次,每个节点的电池完全充电为每个运行。数据显示为每个运行,消耗能量收集和平均消费为每个设置呈现在图8。它可以注意到低能耗保持所有的设置。然而,数据传输BLE相比相对消耗更少的电池电力无线个域网和6 lowpan设置。

试验台系统现在也被用于一个新的物联网实验需要整个试验台的部署节点建设卡大学计算机学院。实验的主要目的是通过实验研究物联网节点定位的影响对整个网络性能的室内环境。重点是两个不同的物联网无线个域网和LoRaWAN通信技术。十个节点目前利用运行与不同的拓扑设置不同的场景。在这些场景中,建筑内的节点被放置在不同的位置。在一些情况下,一些节点的移动用一个简单的运动模式。这将使建立不同的设置考虑不同的标准,如拓扑距离和障碍的存在。

8。评价

为有效评价,系统评估使用技术接受模型(TAM) [16]。一般是采用分析的方法技术和用户使用行为的态度。因此,基于TAM问卷是在这项研究中开发的共同TAM的因素。调查问卷是由共有46个参与者参与系统的使用。

基于TAM问卷成立,TAM的主要因素。这些如下:感知有用性、感知易用性、用法,态度和行为意向。调查问卷根据潜油电泵量表16项基本措施从“1:强烈反对”到“5:强烈同意”。图9介绍了TAM系统的模型。

参与者被分为不同组的2 - 3参与者,和一些单独的参与者使用系统。总共有16个不同的组和4个人。有充分的多样性中参与者的年龄、受教育水平和技术知识。参与者的年龄范围是19-48年。大约70%的参与者MSc和二元同步通信的学生,而其余的都是博士和硕士学位持有者。的技术知识,大多数参与者没有物联网经验,而其中的一些有一些物联网知识。

该试验台被所有的参与者来测试试验台的不同功能。这发生在一个实验室在卡西姆大学计算机学院。构建和运行所涉及的参与者三个物联网实验考虑物联网数据收集和处理,使用不同的通信技术,物联网网络和物联网应用程序的开发。这些实验的主要细节展示在表3。每个实验是为特定的用户开发的水平,从基础到高级,为特定的测试时间和配置。实验也不同的节点数量而言,通信技术和拓扑结构的设置。参与者还使用不同类型的传感器在每个实验不同传感区间。他们也经历了不同的模式来访问和配置系统。重要的是要注意,每一个参与者群体和个人参与了至少两个实验;每个只进行了一个运行。

评估是基于参与者的观察在他们使用试验台。单独TAM问卷也是由每一个参与者。在收集评价数据,TAM结果的可靠性首先评估。这是基于计算的克伦巴赫α系数的考虑因素。这是一个一致性系数代表TAM问卷的维度的问题。表中列出了系数值4。可以看到,高价值的克伦巴赫α系数是通过每一个因素。没有价值系数低于0.7的最低可接受值。

另一方面,表5显示了TAM问卷的评价结果。它列出了导致的价值观得分平均和标准偏差的计算考虑每个TAM的因素。可以看出,提出的物联网实验能够获得好的评价结果获得了高平均得分和低标准偏差的因素。很明显,实验成功地保持有效性和简单性在现实的物联网实验。此外,该试验台提供了一个吸引和激励实验物联网设备的不同用户,因为他们表现出积极的态度向试验台具有良好的意图在未来物联网实验中使用它。

此外,考虑TAM因素之间的相关性测量和分析的基础上,计算皮尔逊相关性(PC)。这是一个重要的统计指标分析如何之间的依赖关系形成的因素。皮尔森相关的计算结果列在表中6。它可以注意到有一个考虑TAM之间的正相关因素提出物联网实验。与易用性感知有用性因素密切相关的因素。这两个因素有良好的相关性与态度系统的使用。因此明显,试验台吸引了不同的用户利用其功能由于其简单性和效率有效物联网实验。此外,使用之间的关系态度和意图使用因素实现更高的价值相关性。这清楚地表明,该系统能够保持高水平的用户满意度,吸引用户关注未来物联网实验。

确定独立因素的方差 - - - - - -广场也计算表中列出6。它表示亲密的数据拟合回归曲线。图10显示了计算 - - - - - -平方值的TAM模型提出了物联网实验。很明显,这些结果统计当前有效的响应变量的变化。

9。结论

一个有效的物联网实验系统,需要物联网实验进一步的提出了简单性和实用性。系统提供了一种有效激励实验的实验环境物联网实验。它使研究人员开展物联网实验针对物联网的不同方面和应用技术。试验台的设计提供一个可用的、可伸缩的、可移植的、和灵活的系统。测试和试验物联网解决方案是鼓舞人心的简单实用的设计架构。当前实现的实验系统实现了使用高效和划算的组件的集合。基于tam评价结果表明该试验台进行实验系统是可用的和有用的物联网研究以现实的方式。试验台收到积极的态度关于物联网实验的效率。实验也发现是有效的在未来的物联网研究工作以备将来之用。

考虑到实验设计模块化和灵活性,可以扩展到更多定制的物联网实验目标。在未来的工作中,实验将利用开展一系列物联网实验研究物联网网络性能考虑动态和移动网络设置。还设想,系统可以部署智能教室应用需要整合和比较一些人工智能技术。

数据可用性

根据这项工作的资助政策,数据不能共享或公开融资合同。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由科研院长以来,卡西姆大学,根据资助项目的协议。阶跃恢复二极管- coc - 2018 - 1 - 14 - 5142。作者感谢赞助商的工作他们的支持。

引用

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