摘 要：在物聯(lián)網應用開發(fā)中，其軟件系統(tǒng)的開發(fā)往往受制于硬件節(jié)點的開發(fā)進度和完善程度，造成開發(fā)進度緩慢，需求不斷變更，軟件測試維護困難等問題。如果能在開發(fā)初期迅速搭建一個物聯(lián)網節(jié)點的模擬單元則能夠極大促進系統(tǒng)的開發(fā)和完善。Arduino提供了一個開源的、通用的、簡單易用的硬件平臺，非常適合模擬物聯(lián)網的硬件節(jié)點功能。本論文基于Arduino及其開發(fā)框架，提出了一個通用的物聯(lián)網節(jié)點的模擬單元模型，基于該模型開發(fā)了智能靶的虛擬節(jié)點用于智能靶網管控系統(tǒng)的開發(fā)，開發(fā)實踐表明該模型和方法可以快速實現(xiàn)物聯(lián)網節(jié)點功能和數(shù)據(jù)的模擬，提高物聯(lián)網系統(tǒng)的開發(fā)質量。

　　關鍵詞：物聯(lián)網;Arduino;軟件框架

　　1 引言(Introduction)

　　物聯(lián)網(IoT， Internet of Things)的繁榮帶動了大量的物聯(lián)網應用的開發(fā)需求，一個完整的物聯(lián)網應用開發(fā)包括基于智能硬件的節(jié)點開發(fā)，以及移動端、PC端的網絡應用開發(fā)，即使是一個小規(guī)模的物聯(lián)網應用也是如此。由于硬件開發(fā)的周期較長，網絡應用軟件的開發(fā)則相對較快，造成了軟件測試受制于硬件開發(fā)進度的矛盾，特別是對于那些依賴于快速迭代的軟件開發(fā)技術的項目，會因此而受到很大的制約。此外，由于軟硬件開發(fā)通常由不同的團隊完成，測試帶來的人力和協(xié)調方面的成本也會很高[1]。

　　為了解決上述問題，在軟件工程實踐中，通常是采用標準化的物聯(lián)網通訊協(xié)議或者數(shù)據(jù)封裝來解耦硬件和軟件系統(tǒng)之間的依賴。例如在物聯(lián)網應用開發(fā)中廣泛使用的MQTT協(xié)議[2，3]，以及基于TLV的數(shù)據(jù)封裝格式[4]等。但由于具體應用千變萬化，物聯(lián)網絡結構復雜，感知層網絡類型不統(tǒng)一等問題的存在，這種方法并不能很好地解決開發(fā)中的問題。半物理仿真的概念是在仿真回路中引入部分實物，即硬件在環(huán)的方法，進行控制系統(tǒng)的仿真[5]，同樣，在軟件開發(fā)和測試過程中，借鑒半物理仿真的思想，引入通用硬件技術，對物聯(lián)網節(jié)點進行模擬，可以很好地解決物聯(lián)網應用開發(fā)過程中的矛盾。

　　Arduino是一種開源的通用硬件平臺，具有開發(fā)簡單，接口豐富，成本低廉等優(yōu)點，非常適合作為物聯(lián)網節(jié)點的模擬設備[6]。本論文將基于Arduino硬件平臺，通過設計實現(xiàn)面向物聯(lián)網應用的節(jié)點模擬軟件框架和模型，并以靶網管理系統(tǒng)軟件開發(fā)為應用背景，探討如何實現(xiàn)智能靶節(jié)點的模擬，以降低軟件開發(fā)的周期和成本。

　　2 軟件系統(tǒng)建模(Software modeling)

　　2.1 框架設計

　　對于物聯(lián)網應用來說，本質上是物聯(lián)網智能節(jié)點與服務器之間的數(shù)據(jù)交換。由于物聯(lián)網底層和互聯(lián)網通常采用的協(xié)議不同，數(shù)據(jù)交換通常是基于一個物聯(lián)網關實現(xiàn)[2，7]。物聯(lián)網應用系統(tǒng)的典型結構模型如圖1所示。

　　物聯(lián)網傳輸協(xié)議有很多種，例如Zigbee、工業(yè)以太網、工業(yè)總線、NB-IoT等。對于Arduino而言，都有專門的模塊和轉接板對應于這些網絡。通常Arduino與這些模塊之間是通過串口進行通訊的，因此在設計基于Arduino的物聯(lián)網節(jié)點模擬軟件框架如圖2所示。

　　該軟件框架是從基于時間的嵌入式多任務框架[8]中擴展而來，其中方框表示軟件模塊/任務，而箭頭表示調用關系。該框架包括以下內容：

　　(1)“定時器”模塊提供了多任務的運行時間片參考。該定時器使用了Arduino板上單片機的硬件定時器，并利用定時器的中斷服務來運行任務調度模塊。

　　(2)“任務調度模塊”實現(xiàn)了對任務的管理和執(zhí)行。任務調度模塊會在定時器產生的時間間隔內依次調用系統(tǒng)內的任務模塊，這些任務模塊實現(xiàn)了對輸入的協(xié)議數(shù)據(jù)的解析，數(shù)據(jù)處理，模擬設備模型的執(zhí)行，以及生成返回給服務器的數(shù)據(jù)。這些任務模塊包括數(shù)據(jù)解析任務模塊、協(xié)議處理任務模塊、模擬設備任務模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送任務模塊。其中模擬設備任務模塊是為了模擬節(jié)點的功能，例如和執(zhí)行控制、狀態(tài)更新等。

　　(3)“數(shù)據(jù)通訊模塊”實現(xiàn)了基于串口的與通訊設備的數(shù)據(jù)交換機制，針對不同的通訊設備，該模塊的實現(xiàn)不同，主要封裝了針對不同設備的通訊細節(jié);“設備實體/狀態(tài)模擬模塊”實現(xiàn)了節(jié)點功能和狀態(tài)的仿真，通常情況下是存儲與被模擬節(jié)點相關的數(shù)據(jù)。

　　5 結論(Conclusion)

　　本文提出了一種以Arduino作為硬件載體模擬物聯(lián)網系統(tǒng)的節(jié)點功能及其通訊的模型，用于物聯(lián)網應用軟件的測試，采用半實物仿真的思想，讓軟件測試過程更接近真實場景，從而加速軟件開發(fā)的進程，提高物聯(lián)網應用軟件系統(tǒng)的開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。所開發(fā)的模擬節(jié)點獲得的經驗更可以用于指導真實物聯(lián)網智能硬件節(jié)點的設計和開發(fā)。本文提出了基于Arduino的物聯(lián)網節(jié)點的模擬軟件框架和實現(xiàn)方法，該軟件框架和實現(xiàn)在智能靶網控制軟件中進行了應用，所獲得的模擬靶機硬件能夠真實地模擬靶機的功能和交互，為靶網控制軟件的快速迭代發(fā)揮了重要作用。

　　目前該軟件框架以源碼的方式應用在開發(fā)中，在將來可以將其封裝成Arduino的庫，以庫的形式集成在應用中，這樣可以進一步簡化開發(fā)，實現(xiàn)代碼分離。

　　參考文獻(References)

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　　[4] 朱江彥，呂霖，向晉祥，等.基于BER-TLV報文格式的航標與水位動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術[J].中國水運，2017(7)：81-87.

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