基于移动云交换的智能IoT系统

王振杰，王强民，杨小玲

(1.上海出版传媒研究院，上海 200093；2.上海交通大学 网络空间安全学院，上海 200240；3.上海数字智能化系统工程有限公司 智能化部，上海 200070)

1 概 述

互联网是一个全球性的巨大的计算机网络体系，连接着数亿台的计算机主机和千万个计算机网络，为基于信息的活动提供了一个全球化的信息基础设施平台[1]。基于它而建立的Web服务器，具有强大的信息链接功能，采用超文本和超媒体的信息组织方式[2]，为用户提供了一种友好信息应用环境或信息查询接口，实现信息发布、数据查询、数据处理等诸多应用[3]。Internet的目标是提供具有平台开放、资源共享、用户协作等特点的应用服务。伴随着网络通信技术，特别是移动网络通信技术的不断发展，互联网已经由早期ARPA专网时代，经历PC时代，步入了移动互联网时代[4-5]。

移动互联网是移动通信和互联网融合的产物，继承了移动通信网随时、随地、随身通信的便捷性和互联网分享、开放、协作的优势，是互联网的平台、商业模式、应用与移动通信技术结合并实践的活动的总称。技术上，运营商提供局域网、城域网、广域网的信息传输通道和用户端的无线网络接入；业务上，互联网企业提供各种上层的业务和应用模式。互联网企业通过云服务器，提供各种上层的商业和应用模式，包括：

基本服务：搜索引擎、电子邮箱、论坛门户以及云端服务；

商务应用：企业信息、电子商务、网络教育以及小贷金融；

社交娱乐：即时通信、社区互动、影视音乐以及网络游戏；

媒体广告：社交传媒、网络媒体、网络营销以及精准广告。

随着移动通信、云计算、大数据、无线传感技术等的快速进步，移动互联网正在向未来的物联网演进，目的是通过提供社交化、企业化、融合化、智能化的综合业务，来达到人和万物相连[6-7]。融合了通信技术、传感技术、电子技术、计算机技术、安全技术、网络技术、软件技术等的物联网，将推动“互联网+”、网络传媒、智慧城市[8]等新兴行业的进步。

移动智能终端是可在移动通信环境中使用的终端设备，安装了开放的、可扩展的操作系统，具备强大的信息处理能力，智能的人机交互方式，便捷的用户定制功能，高速的互联网接入速度等[9]。常见的智能终端包括智能手机、笔记本、PAD智能终端、平板电脑、车载智能终端、可穿戴设备等[10]。作为标准的移动互联网产品，这些终端在物联网下可实现互联互通。但对于物联网，最大的问题是如何重用传统行业的现有设备并实现其本身之间以及和移动智能终端间的互联互通。随着智能物联网的快速发展，这种重用性在酒店餐饮、医疗养老、旅游娱乐、会场安保、智能制造、野外作业等行业中的需求变得非常迫切[11-13]。

基于这个目的，文中提出了一种基于移动云交换的智能物联网系统，由IoT终端接入、网络通讯交换、移动云交换服务平台、中央监控寻呼四部分组成，如图1所示。

图1 智能物联网系统架构

●IoT终端接入：通过移动智能基站，实现局域网范围内的Wi-Fi、射频RF、Bluetooth的无线覆盖，统一传统终端和移动智能终端的IoT系统接入。

●网络通讯交换：通过交换路由通讯网络和移动网络3G/4G，分别连接移动智能基站、移动云交换服务平台、中央监控寻呼到Internet，实现各种终端在广域网范围的互联互通。

●移动云交换服务平台：除了通过云存储记录和保存服务过程中，各种终端设备的运行状态参数、服务过程数据外，还可通过云服务器实现远程配置管理、定位、多媒体数据交换等功能。

●中央监控寻呼：系统操作维护O&M用户接口，提供PC上和智能终端App人机交互接口。PC端O&M，实现可视化大屏幕监控，完成整个系统运行状态的监控、远程升级、运程寻呼等普通O&M功能；智能终端O&M，实现远程一对一、一对多的对讲，以及前端服务过程的质量和工作效率数据报告的处理、查询等高级O&M功能。

2 移动智能基站

IoT系统接入接口，包含前端的IoT终端接入和后端的中央监控寻呼接入两部分。IoT终端接入部分通过移动智能基站，解决了局域网范围内的无线覆盖，统一了传统通信设备(对讲机、壁挂对讲、呼叫器、定时器等)和移动智能终端(智能手机、PAD、RFID标签、智能摄像头)的系统接入，是用户完成对讲、呼叫、计时、定位、多媒体业务的接入核心部件。移动智能基站的工作原理如图2所示。

图2 移动智能基站工作原理

2.1 无线覆盖

移动智能基站提供了Wi-Fi、RF、蓝牙等无线接入，实现局域网范围内的各种传统终端设备和移动智能终端的无线覆盖。

传统终端接入：

●定位跟踪器：通过蓝牙4.0无线标准协议通讯，定时向基站发出位置更新信息用于定位。

●呼叫/计时器：通过433/315 Hz超外差射频信道连接基站发出，可在呼叫按钮上增加计时功能，并可根据实际需要对按钮定义不同功能，比如投诉、紧急呼叫、服务完成等。

●对讲机：通过配置的对讲机射频频道，连接基站进行对讲信号的收发。

●壁挂对讲：通过有线接口或者无线对讲射频信道，连接基站进行对讲信号的收发。

智能终端接入：

●RFID标签：智能手机连接RFID读卡器，读取其标签信息，并通过Wi-Fi向基站发送信息。

●软对讲：智能手机和PAD等智能终端，通过移动云对讲App，设置连接基站的Wi-Fi热点，收发对讲信号，实现语音通信，并可在App间进行多媒体信息即时通讯。

●智能摄像头：通过连接基站的Wi-Fi热点，实现视频及控制信息的传输。

2.2 基本控制单元

基本控制单元是整个移动智能基站的硬件系统，它是终端接入通讯链路的核心组件，集成了Wi-Fi、蓝牙、调频、超外差、Internet等无线通讯接口。基本控制单元主要包含：基于ARM Mali400mp2 GPU架构的ARM Cortex-A7 Dual-Core双核移动应用处理器；支持2160P视频解码，H.264 HP 1080P@30fps视频编码；集成LVDS/RGB LCD,HDMI with HDCP support,4-CH CVBS OUT,4-CH CVBS IN,GMAC等。

其外部主要接口有USB、Wi-Fi、LAN、HDMI、RGB等。通过局域网有线LAN接口或Wi-Fi连接交换路由网络，实现和其他基站覆盖的局域网内的对讲机、智能手机、紧急呼叫器等，以及云交换服务平台、中央监控后台的互联互通。

2.3 基站软件系统

移动智能基站本身就是一台智能终端，除了接口硬件的设备驱动外，基于Android 4.2以上版本的移动操作系统，其应用软件App实现了：

●配置管理：设备运行状态参数的配置、记录、上报、版本控制等。

●流程算法库：根据不同行业的服务流程开发的算法库，根据参数配置选择自动调用不同算法，处理不同的业务流。

●数据处理：处理各种接入终端以及LAN口的数据接收、转发、暂存等功能。

3 移动云对讲App

在智能手机或PAD等智能终端上独立开发的用户App，实现了即时通讯和O&M两大功能的接口统一。特别地，通过移动云交换服务平台，把仅限于局域网内的传统对讲，提升到广域网范围内的云对讲，所以把此用户App称为移动云对讲App，图3是其软件架构。

智能手机或PAD有三种通过移动云对讲App接入互联网的方式：第一种是连接移动智能基站的Wi-Fi热点；第二种是连接交换路由的Wi-Fi；第三种是连接移动网络的3G/4G基站。

图3 移动云对讲App架构

3.1 即时通讯

即时通讯的功能主要包括云对讲、组群、通讯录。

(1)智能终端间以及和传统对讲间的一对一、一对多的语音云对讲；

(2)智能终端上的文本信息到传统对讲的语音信息的智能转换；

(3)通讯录，保存即时通讯的好友列表，包含用户昵称、备注、手机等个人信息；

(4)组群管理，包括创建群组、加入群组；添加群成员、退出群，以及修改群名称等。

3.2 操作维护O&M

操作维护O&M的功能包含配置管理和服务管理，其主要功能如下：

(1)移动智能基站的设备管理，完成呼叫器注册、基站系统服务参数设置、智能呼叫器设置、云对讲信道设置、计时功能设置、自动广播报告设置、呼叫器类型及分组设置、授权评价设置；

(2)账号管理，完成管理员账号授权、服务账号设置，例如极速厨品、厨品跟踪服务；

(3)付费服务中心，完成付费服务的管理，例如微笑服务；

(4)无线网络设置，自动连接默认Wi-Fi失败时，进行手动设置；

(5)快速配置，完成服务基本参数的快速引导配置；

(6)消息通知，设备和服务相关信息的通知消息；

(7)服务发现，在发现菜单，列出App自动发现的服务；

(8)服务管理，获取服务过程的效率和质量的报告等。

4 移动云交换服务平台

利用阿里云服务器，在Linux操作系统上，基于PHP Web软件开发框架Laravel，数据库使用Mysql，建立了Web云服务器平台www.inter-talk.com-移动云交换服务平台。之所以叫云交换，是为了突出语音、文本信息等多媒体信息的软交换功能。平台提供不同终端设备的运行数据和业务数据的存储、交换、处理、配置管理、运行状态监控等后台功能，其基本功能和扩展功能见图4。

图4 移动云服务交换平台

根据实际需求，基本功能是指用户开通服务平台账户时，就可以使用的基础功能。而扩展功能，是指用户在基础功能的基础上，需要再次申请开通的特定专业功能。

4.1 软件平台基本功能

●定位：通过移动智能基站，定时上报并存储其相对基站的位置信息到云服务器，为后续人员寻呼、越区警告、人数统计等提供策略处理数据。

●云对讲交换：通过云对讲交换，根据配置的对讲策略，分区或者分权限组群进行对讲、通知等。实现传统对讲在移动智能基站间的一对多语音信息交换，实现智能移动基站和后台监控室的对讲信息交换，实现后台PC麦克的语音或PC上的文字转换为语音广播到所有移动智能基站。

●寻呼：在后台监控室，对某移动智能基站所在工作区域，通过语音广播或对讲功能，实现该区域的工作人员进行寻呼。

●呼叫：任何时候有紧急呼叫按键触发时，中央控制室自动接通附近的语音广播，自动播放预设声音或者直接语音对讲。

●运行状态：PC端O&M通过移动云服务平台，获取整个系统运行状态监控信息，并通过可视化大屏幕显示。

●配置管理：通过移动云服务平台，实现远程升级和后台配置信息的远程发送。

4.2 软件平台扩展功能

●软对讲：指智能手机或PAD上的即时语音对讲。根据对讲策略配置，实现智能终端软对讲间，以及软对讲和传统对讲之间的一对一、一对多语音信息的交换。

●语音文字存储：云服务平台保存对讲系统在一定时间内的语音和文字的历史记录，便于历史信息查询。

●统计报告：跟踪统计，查询工作人员定位历史记录的位置统计报告；人流统计，可以统计关键出入口任意时段的人流情况；考勤统计，自动统计任意时段工作人员是否签到及离开岗位的情况；服务质量报告，前端服务过程的质量和工作效率统计报告的处理、查询等高级O&M功能。

5 应用案例

基于移动云交换的智能IoT系统已经在酒店餐饮、医疗养老、旅游娱乐、会场安保、智能制造、野外作业等领域开始应用。如下给出两个不同场景的典型应用案例，即互说宝智能服务系统、智能定位和对讲系统。

5.1 互说宝智能服务系统

互说宝智能服务系统是应用于传统服务行业，如餐饮、娱乐、养老、医疗、看护等行业的新一代智能呼叫对讲系统。图5是互说宝智能服务系统在多个连锁餐饮酒店的应用示意图。整体方案应用了基于移动云交换的智能IoT系统架构，包含前端分店硬件设备、互联网和移动网络、云交换服务中心、远程服务质量跟踪四部分。主要解决酒店餐饮服务行业内，分店内部的呼叫对讲，以及后台对各分店的远程服务质量跟踪。

每个分店配备一个移动智能基站，可接入智能呼叫/计时器、传统对讲机(含壁式吧台对讲)、智能手机软对讲和微笑服务卡、移动智能基站、智能电视。其服务过程数据，通过互联网连接云交换服务中心完成记录和存储。后台的服务质量跟踪，可以监控服务过程，汇总各种服务统计报告，提升了各店的服务质量和工作效率，节省人力并简化了团队管理。

图5 互说宝智能服务系统

5.2 智能定位和对讲系统

图6是一种高度屏蔽环境下的智能定位和云对讲一体化集成系统。该系统解决的问题是：工作区域分N层，每层约500个工作区，不同层之间以及每层的各工作区之间相互无线电屏蔽。在高度屏蔽的环境下，没有卫星定位信号，需要解决安保部门在监控中心，监控工作区域的工作人员数量，对现场作业人员进行跟踪定位、寻呼对讲，以及对越区的作业人员进行告警，实现现场施工与管理人员间的信息互通，并保存通话记录，以实现工作过程中的过程监控及责任追踪。

图6 智能定位和对讲系统

整体方案应用了基于移动云交换的智能IoT系统架构，包含前端硬件设备、网络通讯交换、中央可视化监控、基础软件平台四部分。无线覆盖部分，每个工作区配备一个移动智能基站，可接入屏蔽工作区内的定位器、呼叫器、传统对讲机、壁挂式对讲、智能手机软对讲等终端设备到后端的服务器，提供定位、软交换、配置管理、统计报告等功能。

6 结束语

提出了一种基于移动云交换的智能物联网系统，由IoT终端接入、网络通讯交换、移动云交换服务平台、中央监控寻呼四部分组成。该系统可实现在全球范围内的传统终端和智能终端的互联互通，重用了传统行业的现有设备，在广域网的范围内，既能实现传统终端本身之间的互联互通，又能实现传统终端和移动智能终端间的互联互通。两个成功案例是应用在酒店餐饮、智能制造行业，可以向医疗养老、旅游娱乐、会场安保、野外作业等行业推广。

该系统解决的三个关键问题是：解决传统终端和智能终端统一无线覆盖的移动智能基站；提供即时通讯和操作维护O&M人机交互接口的移动云对讲App；实现广域网范围内的设备数据和业务数据的存储、交换、管理的移动云交换服务平台。