基于WebSocket的物联网实时通信技术应用Word格式.doc
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摘要
物联网技术是当代信息技术的重要组成之一，与名同义，物联网就是连接物品的网络。
物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、广泛应用于网络的融合中，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能的网络[1]。
物联网用途广泛，遍及医院护理、照明管控、智能交通等多个领域。
本文将物联网技术和WebSocket技术相结合，设计并实现了一个小型的远程心率检测及报警系统的上位机，以求减少医院在人力物力方面的投入，方便医生在远程通过客户端浏览器实时查看病人的心率。
为了扩大使用范围和便于日后的升级维护工作，系统结构采用B/S模式，在后台利用传感器采集患者的心率信息并将其发送到服务器端，服务器在接收心率信息的同时利用WebSocket技术实时推送心率信息到客户端浏览器，供医生查看和分析。
最后的测试结果显示本系统操作简便，具有良好的可扩展性，在效率方面也符合心率检测在实时性方面的要求。
关键字：
物联网、传感器、WebSocket
ABSTRACT
ThetechnologyoftheInternetofthingsisoneoftheimportantcomponentsofmoderninformationtechnology,andthenameofInternetofthingsissynonymous,connectingarticlesnetwork.Internetofthingsthroughintegrationofintelligentperception,recognitiontechnologyandpervasivecomputing,iswidelyusedinnetwork,formaconnectedpeopleandthings,thingsandthings,torealizetheinformationmanagement,remotecontrolandintelligentnetwork.TheInternetofthingsiswidelyusedinmanyfields,hospitalcare,lightingcontrol,intelligenttransportation.
Inthispaper,thenetworktechnologyandWebSockettechnology,thedesignandimplementationofaremotecomputerheartratedetectingsmallandalarmsystem,inordertoreducehospitalinhumanandmaterialresources,convenientforthedoctortotheclientbrowserviewreal-timeheartrateinpatientswithremote.Inordertoexpandthescopeofuseandwhichisconvenientforfuturemaintenancework,thesystemusestheB/Smode,inthebackgroundusingheartratesensorwerecollectedandsenttotheserver,theserverinthereceivingrateinformationandatthesametime,usingthetechnologyofWebSocketreal-timepushheartrateinformationtotheclientbrowser,forthedoctortoviewandanalyze.Thefinaltestresultsshowthatthesystemissimple,hasgoodscalability,intermsofefficiencybutalsomeettherequirementsofheartratedetectioninreal-time.
Keywords:
Internetofthings,Sensor,WebSocket
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外现状 1
1.2.1国外物联网现状 1
1.2.2国内物联网现状 3
1.3论文组织结构 4
第二章相关技术介绍 5
2.1物联网技术简介 5
2.2Nodejs技术 5
2.3jQueryFlot 6
2.4HTML5WebSocket 7
2.4.1WebSocket简述 7
2.4.2WebSocket的优势 7
2.4.3WebSocket握手协议 10
2.4.4WebSocket接口 11
2.4.5浏览器和服务器支持情况 13
2.4.6WebSocket的局限性 14
2.5本章小结 14
第三章系统分析与设计 15
3.1心率检测系统分析 15
3.2系统需求分析 15
3.3系统架构 16
3.4服务器推送技术可行性分析 16
3.5服务器端设计 17
3.6客户端设计 20
3.7本章小结 26
第四章系统性能测试及结果 27
4.1服务器端测试 27
4.2客户端测试 27
4.3本章小结 30
第五章总结与展望 31
5.1论文工作总结 31
5.2展望 31
参考文献 32
致谢 33
III
榆林学院本科毕业设计（论文）
第一章绪论
1.1研究背景及意义
物联网技术的出现对社会的发展产生了深刻的影响，它在现有网络的基础上结合当代传感技术将一切智能的物体互相连接起来用以方便人们的衣食住行[2]。
物联网的强大之处在于它可以把你所能想象到的任何物品都连接到网络上，同时可以对它们进行管理、控制或者监控。
目前，物联网技术已广泛用在工业控制、环境保护、医疗护理、照明管控、智能交通、智能家居、智能消防、水系监测、食品安全和国防安全等多个领域。
物联网的应用前景非常广阔，它给人们带来的方便也是想象不尽的，本文尝试从物联网实时通信着手，构建一个供医院对病人心率进行实时检测的心率检测系统。
由于通过分析心率信号可以判断一个人的健康状况，所以对这类生理信息进行日常监护与检测对患有心血管疾病的患者和老年人的预防诊治有及其重要的意义。
尤其是对这些生理信息进行持久的跟踪记录，就可以依据这些记录的变化和走势大致了解患者的健康趋势。
1.2国内外现状
物联网的概念来自于麻省理工学院的Auto-ID研究中心，它是由KevinAsh-ton教授于1999年最早提出，起先，它的含义是指所有物品通过射频识别传感装置连接到Internet，实现智能化识别和控制。
2005年11月17日在在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟（ITU）对物联网的概念进行了扩展，提出了何时刻、任何地点、任意物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在的计算的新概念。
从此物联网的覆盖范围也得到了大大的拓展，它不再是单纯的基于射频识别的物联网，而是指包括射频识别、激光扫描、GPRS、气体感应等多种新技术的物联网。
1.2.1国外物联网现状
目前，国外对物联网的研究主要集中在欧洲各国、美国、日本和韩国等国家中，这些国家都对物联网的研究与应用给予高度重视，在政策上提供了大力支持，视物联网为提升综合国力和促进经济发展的重要动力，同时相继启动了以物联网为基础的国家性区域战略规划。
现阶段各国物联网的发展现状如下：
1.欧盟
33
针对物联网技术的研究和发展，欧盟专家们提出了基于物联网技术的“行动计划”，该计划详细描述了物联网技术的应用前景，并且强调了欧盟各成员国对物联网管理的决心，以努力确保欧盟在物联网研究进展中的话语权。
为了实现欧盟在物联网智能基础设施开发方面领先世界的目标，欧盟启动了超过90项的物联网项目研究，其中单独对ICT的研发投资就高达4亿欧元，此外欧盟还于2011到2013年期间每年新增2亿欧元进一步加强研究的进度，同时专项拨款3亿欧元用于帮助物联网公司的项目建设[3]。
在管理上欧盟制定了统一的物联网标准，同时还提供了一个有效的分布式管理架构，用于方便其各子管理机构公开、公平、尽职地履行管理职责。
欧盟的物联网研究领域囊括了汽车、能源、航空、航天等18个应用领域，以及架构、识别和数据处理等12个关键技术领域。
目前欧盟已经实施的物联网应用有药品公司使用专用序列码标识药品、电能公司向用户提供智能电子计费系统、各汽车公司开始生产智能汽车等。
与此同时，许多以物联网应用为目标的小公司的新创意、新产品也在不断的丰富着欧盟的物联网市场。
2.美国
2009年奥巴马就IBM公司首席执行官提出的“智慧地球”概念，将物联网列为振兴经济的两大重点之一，同时开启了大量的物联网技术研究。
奥巴马政府在鼓励物联网技术发展的政策方面主要体现在能源的推广，宽带和医学三个领域。
2009年《经济复苏和再投资法》的提出意在从医疗、科技、教育、能源等领域着手，通过增加政府的投资配合政策的便利促进物联网技术的研究和应用。
到2013年，美国已经完成了物联网平台的开发，开发者通过该平台可以利用无线网络进行物联网开发。
随后思科公司在物联网平台的基础上，实现了无线家庭安全控制面板，思科因此获得了2012年度物联网行业突出贡献奖的提名。
另据思科报告称，物联网将会是下一个万亿美元级别的新兴信息技术产业，而美国将会占据未来物联网市场份额的三分之一[4]。
3.日本
2004年日本提出了基于物联网的国家信息化战略U-Japan，策略的目的是为了促进新一代信息技术革命的诞生，使日本成为一个无处不在的便利社会。
日本政府从汽车产业、建筑行业、能源行业和远程监控等方面着手，在这些领域广泛推广物联网技术及其产品的应用。
在日本社会，物联网已经渗透到了人们生活的基本必需品中，日本最新推出的智能家电可供用户利用手机点餐、通过手机查看和管理任何连接到物理网的家用电器的运行状态，比如，通过远程网络调节空调的温度、控制电饭煲做饭、控制热水器烧水，不管人在什么地方，只要通过物联网就可方便的监控和管理自己的住宅。
据2012年的数据显示，日本已有约317万多的物联网用户，这些物联网用户主要遍及在电子商务、监控、交通、物流等9个领域[5]。
从日本物联网技术发展的趋势可以预见，在未来通信行业将会是日本物联网发展的重点，并且这一行业的发展会冲击日本已达饱和状态的手机放号市场，给日本的经济发展带来新的动力。
4.韩国
和日本一样，韩国同样重视物联网在本国信息产业中的发展和应用。
早在97年韩国就曾提出在2011年之前完成韩国物理网普及的短程规划，期间韩国政府就物理网的研究制定了8项专项计划。
2010年韩国效仿美国将物联网列为促进韩国社会经济增长的重点，积极推进韩国物联网社会的建设和发展。
到目前韩国基本上完成了基于IPV6的物联网基础设施的建设，这一建设的完成极大的提高了韩国通信网络的质量，为韩国物联网的商业化作了基础性铺垫。
一流的物联网基础设施不仅巩固了韩国的国防安全，而且对韩国的教育行业、医疗行业、食品行业、航空工业都产生了巨大的影响。
物联网技术的应用已深刻的融入了韩国民众的日常生活中，在韩国包括农业、工业、娱乐业随处可见智能的物联网技术产品，有数据统计韩国在2013年的物联网产业规模就高达50万亿韩元[5]。
1.2.2国内物联网现状
我国的物联网研究起步比较晚，在2009年温家宝总理的“感知中国”讲话之后，我国政府才将物联网列为国家新兴战略产业，并在江苏省无锡市建立了第一个物联网研究中心。
虽然如此，但是我国的物联网技术研发水平仍居于世界前列，目前我国还是物联网标准的主导国之一，我国在物联网领域拥有的专利数量最多。
这些完全得益于我国拥有特殊的发展物联网的现实背景，首先，我国的无线通信网络和覆盖率都很高，具有发展物联网的基础。
其次，我们国家是世界第二大经济体，拥有雄厚的经济实力发展物联网。
在国家宏观的政策鼓励下，各省份的物联网发展势头迅猛，取得的成就也数不胜数。
例如，西安的优势微电子公司于2009年成功了研制出“唐芯1号”物联网芯片，至此打开了我国攻克物联网技术的大门。
2010年江南大学组建了全国第一个物联网工程学院，用于培育物联网技术专业人才。
2011年长安大学建立了全国第一个国家级的科技园，重点发展RFID技术。
2012年重庆邮电大学研发的“渝芯1号”芯片将我国物联网技术带入了物联网领域的领先水平。
现阶段我国的物联网发展问题主要是，一、缺乏核心技术，读写器和芯片过度依赖其他国家。
二、RFID技术标准缺位。
三、市场因素限制RFID标签量化应用。
四、国内企业没有竞争优势，管理理念保守。
针对我国的物联网现状，我国的物联网发展目标是把我国建设成为一个物联网技术创新性的国家，
（1）自主创新能力明显增强，
（2）具有国际竞争力的产业体系，（3）物联网水平显著提升[6]。
物联网作为新兴推动世界经济高速发展的动力因子，在2011我国的物联网产业规模已达到2.5千亿人民币，预测数据显示这一数据在2015年会高达5千亿元。
伴随着国家政策的主导和物联网技术的不断革新，物联网将会对提升我国国民经济生产力产生越来越大的影响力，它会更加彻底的改变我们的生活方式。
1.3论文组织结构
本文首先研究和分析了国内外物联网的发展状况，接着对HTML5中的WebSocket协议进行了深入研究，通过对HTML5WebSocket协议和传统服务器推送技术的对比分析，得出了HTML5的WebSocket在实时领域的吞吐量优势和时延优势。
最后将HTML5WebSocket和Nodejs技术相结合应用于项目中进行验证，结果指明了HTML5WebSocket在实时领域的优越性与可行性。
本文一共分为五章，各个章节的具体内容安排如下：
第一章：
绪论。
在绪论中对心率检测系统的研究背景和意义做了简要的说明，引出了本论文的研究目的，然后对物联网的国内外现状进行了全面阐述，同时对物联网基础上的心率检测系统做出了概要介绍。
最后对论文的框架结构进行了细致说明。
第二章：
相关技术介绍。
首先大致介绍了物联网的概念，并且概况了物联网技术的主要特征和关键技术；
其次，阐述了Nodejs作为高并发实时Web服务器的强大性能及其优势所在；
接着介绍了客户端图形显示的jQueryFlot库，最后详细介绍了WebSocket的概念，分析了WebSocket的特性和功能，同时对WebSocket的使用和浏览器、服务器支持情况进行了简单介绍。
第三章：
系统分析与设计。
本章首先阐明了心率检测系统的现实意义，接着对心率检测系统的功能模块和系统架构进行了说明，在结尾利用WebSocket和Nodejs技术分别完成了系统的客户端和服务器端的实现。
第四章：
系统性能测试及结果。
本章根据系统的功能描述有针对性的分别对客户端和服务器端进行了系统性测试，最后结果验证了系统的可行性。
第五章：
总结与展望。
本章是对全文的总结和展望，对论文进行总结是为了梳理知识脉络，查漏补缺方便以后继续研究。
展望是提出个人对系统的预想，以方便后续研究的开展。
第二章相关技术介绍
2.1物联网技术简介
物联网是指在现有互联网的基础上，利用感知、识别、GPRS、激光扫描、气体感应等技术把物体连接到互联网上，实现物物之间信息交互的网络。
利用物联网可实现随时随地的远程定位、监控和管理，物联网在本质上是互联网的延伸和拓展，它的核心是创新，任何涉及到信息技术的应用都可以划入物联网的范围，因此也有人说物联网是业务加应用的网络。
物联网由五个层构成，分别是感知层、接入层、网络层、支撑层、和应用层：
感知层：
主要完成信息的收集与处理；
接入层：
主要负责各类设备的网络接入；
网络层：
网络层为现有的互联网，主要完成信息的远距离传输；
支撑层：
支撑层又称中间件或者业务层，主要完成信息的表达与处理,最终达到语义互操作和信息共享的目的；
应用层：
应用层主要完成服务发现和服务呈现的工作。
物联网主要涉及三项关键技术：
1.射频识别技术（RFID）:
射频识别是一种基于无线电的对目标物识别并进行读写数据的通信技术。
射频识别技术处于感知层，射频标签包含了利用磁信号存储的数据信息，主要被用于附着在物联网的终端物体上，通过射频标签就可以完成对标识物的自动识别和追踪。
2.传感器技术：
传感器好比是人的感官器官，主要用于感知被测物体相关信息的一种物理检测装置，它利用材料自身的物理属性，将检测物状态的变化以电信号的形式输出到接收端。
传感器也是目前物联网应用中获取外界信息的主要途径和手段。
3.嵌入式技术：
嵌入式技术是融合了计算机软硬件技术和集成电路技术的复杂技术。
物联网中的一切智能终端产品无一不例外的都应用了切入式技术，切入式的表现形式主要是将具有特定功能的芯片嵌入到被管控的物体内部，以实现程序指令控制的目的[7]。
2.2Nodejs技术
Nodejs是基于谷歌Chrome运行时构建的网络服务应用平台，它借助了Google的V8引擎性能好、速度快的优势，广泛的被用于搭建快速的，易于扩展的网络应用。
Nodejs的特点是基于事件驱动的单线程模式，采用异步非阻塞的I/0流程运行，虽然Nodejs是单线程模型，但是它仍可以对多任务进行并行处理，事实上它是通过事件的轮询实现并行任务的操作的，也正因为如此使得利用Nodejs编写出的服务器应用程序即安全可靠而且便于扩展[8]。
Nodejs的强大之处在于它支持Javascript运行在服务器端，因为浏览器所能支持的语言极其有限，所以要想在浏览器端和服务器端之间共享代码就只能使用JavaScript来完成，刚好Nodejs就支持这一点。
此外，Nodejs还处在完善阶段，自2009年推出的轻量级API库到现在，在广大Nodejs爱好者和相关专家的
不懈努力下，目前Nodejs已发布了大量的扩展库，这些扩展库以模块的形式划分不同的功能，其中有连接数据库的模块、相关软件驱动的模块、加密模块、GUI模块和网络编程模块等，这些功能模块对Nodejs的开发提供了强有力的支持[9]。
目前在工程上已经证明Nodejs和传统的服务器脚本相比，Nodejs的非阻塞I/O能够极大的提高程序并发的能力，其次在执行效率和成本上，Nodejs也大大超过了JAVA、RUBY和C语言开发的非阻塞服务，另外在代码量上Nodejs的表现也是最优和最简单的[10]。
2.3jQueryFlot
Flot是一个基于jQuery的开源JavaScript库,是一个纯粹的jQueryJavaScript绘图库，主要被用来在网页上绘制图表。
Flot具有体积小、运行速度快、支持折线图、条形图、扇形图、堆栈图和实时更新图等多种图形显示的特点，因此深受广大网页开发人员的青睐。
此外Flot是完全免费的，其自身尚在不断的扩充和完善当中，但这并不影响它的使用性能，因为对于一般的图形绘制，使用Flot完全可以实现用户的所有需求。
Flot提供的接口非常简单而且功能丰富，在使用Flot绘制图形时只需按照五个步骤：
1.引入档案，2.设置定位点，3.准备数据，4.定义轴属性，5.调用$.plot，使用不到20行的代码就可完成一张图表的绘制，所以这对没有绘图经验的开发人员来说是一个很不错的的选择，只要有JavaScript基础任何人都可以轻松掌握Flot。
在执行效能方面,Flot可在一张图形上完成1000个数据点以上的图形显示；
在实时性方面,Flot可以100毫秒的速度完成一次图形的重绘；
在交互性方面，Flot支持放大缩小以及鼠标追踪的功能。
目前支持Flot的浏览器有IE、Firefox、Chrome、Safar及Opera等,由于Flot使用了HTML5的Canvas来绘制图表,所以对于IE8或是更早以前的版本,可能需要用excanvas模拟Canvas功能让Flot也可以在IE8及早前的版本中使用。
2.4HTML5WebSocket
在HTML5之前的web通信都是单向的，服务器在推送数据时不能接收浏览器的数据，浏览器在接收数据时不能发送信息给服务器。
对于服务器和浏览器需要双向同时通信的web应用在HTML4时代是无法实现的，相关应用只能以C/S的模型实现，其主要原因在于实现浏览器通信的http协议不能完成双工通信。
为此WebSocket的提出就是为了解决此类问题，WebSocket是在HTML5中引入的新协议之一，利用WebSocket可实现浏览器和服务器之间的全双工通信。
WebSocket出现的另外一个目的便是要代替以往的轮询技术和Comet技术，希望通过WebSocket协议将基于C/S的应用转移到浏览器上。
2.4.1WebSocket简述
WebSocket是由WebSocket协议和WebSocket接口构成的，WebSocket协议主要负责完成客户端和服务器端握手连接的建立，它允许使用任何服务器端的编程语言实现。
当然只有浏览器和服务器都遵循了同样的协议，才能建立起TCP连接，才可以有后续的通信[11]。
WebSocket接口主要是供程序员调用以完成特殊的功能，前端开发人员可以通过该接口提供的一些操作，访问实现了WebSocket的服务器，从而实现与服务器之间的实时通信。
2.4.2WebSocket的优势
对于实时类的Web应用，HTML5提出了WebSocket的实现方式。
和过去的轮询技术等相比，HTML5的WebSocket表现出了非常强大而且无法超越的优势。
其中最重要的是降低了不必要的的网路开销。
因为单独一次HTTP请求就会附带超过大约800字节的HTTP头信息，但是如果使用WebSocket协议代替HTTP，那么每一个消息就都是以一个WebSocket帧的形式存在于网络上，总共也就只会占约2B左右的开销。
随着网络访问用户量的增
升级会员 