摘 要

近些年来，伴随着物联网的不断发展以及生活中的普及应用，现实对物联网提出了越来越高的要求，而双机（M2M）、人机（P2M）通信技术是现下也是将来物联网应用的关键技术。如今物联网通信主要还是基于TCP/IP协议的，但在大数据时代不断的前进中，TCP协议的弊端愈发显露，一种能满足无处不在的大量数据访问的协议或API库被急需，而ZeroMQ就是符合需要的一种极具潜力的高性能异步消息库。

本文旨在研究基于ZeroMQ的物联网极速消息通信系统，以Eclipse为开发平台，以Java为开发语言，熟悉基于ZeroMQ极速消息通信的原理并实现基于ZeroMQ的LoT消息通信系统，最后结合自己的研究测试及已知数据结论，相对于传统的基于TCP/IP的消息通信进行性能对比，验证ZeroMQ的可行性及其优势所在。

关键词：M2M，物联网，ZeroMQ，TCP/IP，通信系统

Abstract

In recent years, with the continuous development of the Internet of Things and the popularization and application in life, the reality has brought higher and higher requirements to the Internet of Things. The machine-to-machine (M2M) and human-to-machine (P2M) communication technologies are the key technology for now and future Internet of Things applications. Today, IoT communication is mainly based on the TCP/IP protocol. However, with the continuous advancement of the big data era, the drawbacks of the TCP protocol are increasingly exposed. A protocol or API library that can meet the ubiquitous massive data access is urgently needed. ZeroMQ is a very promising high-performance asynchronous message library that meets the needs.

This article aims to study the ZeroMQ -based Internet of things extreme speed messaging system, using Eclipse as a development platform and Java as a development language, familiar with the principle of ZeroMQ based on fast message communication and implementing a ZeroMQ-based LoT message communication system. And finally, this thesis verifies the feasibility and advantages of ZeroMQ by combining its own research and testing with the known data conclusions, compared with the traditional data communication based on TCP/IP.

Keywords: M2M, Internet of Things, ZeroMQ , TCP/IP, Communication System

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 物联网简介 1

1.2 未来的发展 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 论文结构 4

第二章 物联网通信技术 5

2.1 嵌入式电子设备 6

2.2 软件平台 6

2.3 网络基础设施 6

2.4 消息机制 7

2.5 本章小结 8

第三章 ZeroMQ概述 9

3.1 定义 9

3.2 特性 9

3.3 模式 11

3.3.1 问过就有收获（请求-应答模式） 11

3.3.2 获得消息（订阅-发布模式） 11

3.3.3 分而治之（管道模式） 13

3.4 通信协议 13

3.5 本章小结 14

第四章 基于ZeroMQ的物联网通信系统的设计与实现 15

4.1 开发环境的配置 15

4.1.1 PC机配置 15

4.1.2 软件平台 15

4.1.3 JZMQ库的编译配置 15

4.2 通信系统的设计 16

4.2.1 通信框架的构建 19

4.2.2 连接检测 21

4.3 本章小结 22

第五章 系统性能（QoS）测试 23

5.1 传输时延 23

5.1.1 本地通信 23

5.1.2 局域网通信 24

5.2 吞吐量 26

5.2.1 本地通信 26

5.2.2 局域网通信 27

5.3 误码率与丢包率 28

5.4 自动测试功能的实现 29

5.5 本章小结 31

第六章 总结与展望 34

参考文献 36

附录A（CRC校验码）： 38

致谢 40

第一章 绪论

1.1 物联网简介

1990年，施乐公司推出了网络可乐贩售机，这是有记载的最早的物联网应用实践；1995年，大家熟知的前世界首富比尔•盖茨先生在《未来之路》一书中提到了物联网理念，虽然在当时限于传感器、无线网络等硬件设备条件不足，未能得到足够的重视，但这一理念已渐渐开始得到人们的认同和研究；1999年，“物联网”这一名词由美国麻省理工学院的Kevin Ashton教授在研究RFID（射频识别技术）时提出。自此，物联网时代渐渐到来。

什么是物联网？由于物联网应用领域极为广泛，不同领域的研究者们对其理解也不尽相同，业界还未有一个标准的物联网定义。根据工业和信息化部电信研究院于2011年发布的《物联网白皮书》中的定义“物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物之间的信息交互和无缝连接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的”以及国际电信联盟远程通信标准化组织第13研究组所作出的定义“物联网是信息社会的一个全球基础设施，它基于现有和未来可互操作的信息和通信技术，通过物理的和虚拟的物物相连，来提供更好的服务”，我们可以大致将物联网定义为“物物相连的网络”^[1]。其核心与基础仍旧基于现有的互联网，但其用户末端延伸到了物品与物品之间，人与物品之间，对互联网做了极大的扩展。

1.2 未来的发展

在设想中，未来的物联网世界是被各种微小的传感设备及计算机设备所包围的，根据分析估计，到2020年全球将至少有500亿台设备与互联网相连^[1]。这些设备“观察”周围环境并作出反馈，一方面将数据信息上传，一方面作出相适应的服务以满足周围人们的需求。与此同时，由于设备的快速增长，新的计算方式逐渐替代，所有对象都采用交互的方式进行信息数据的交流。在这种新的模式中，机器设备间彼此通过“交谈”，能够自主智能地在各种不同的应用场景完成对应的任务：在生产制造车间中，能匹配各工序的效率保证生产线的高效且能自主纠错保证产品的顺利产出；在医疗保健过程中，能根据病患服务对象的身体实时状况，自主协调完成从状况分析到最佳方案匹配实施的一系列任务；在智能家庭中，能根据居住人的喜好习惯等自动调配各家庭设备启动关闭及功能设置等服务等等诸如此类不同场景中都能智能作出应对。

未来的M2M通信将允许设备更多地以自主的方式相互交换信息作出决策而非双向的仅与总服务器进行请求应答甚或单向的任务分发。大量的数据由连接进物联网的机器设备生成并存储或者上传，用于人们的观察分析以及进一步的学习发现，如果能做到的话，甚至可以让机器本身利用这些数据进行学习优化。将这些机器设备生成的“大数据”与数据库的KDD技术有效结合，一方面可以完善此领域的知识体系，加深学习，另一方面可以利用收集来的数据进行系统性能的优化。这即是数据交互，数据采集和数据分析相结合的解决方案。新理念，新模式以及新技术的运用已经形成了许多成熟的新概念，例如：智能制造，物联网工厂，IIoT，工业4.0等，相信将来会有更多的新概念形成并在物联网中得以运用实现^[2]。

在计算机化的物联网系统中，机器设备之间的数据传输和数据共享的性能是影响整个系统性能的关键，当下对该领域的研究越发受到人们的重视。而且商业上新出现的可用的传感和通信模块的标准和协议以及成本的降低促进了M2M通信在工业等领域应用中的进步。但是，硬件和软件平台的复杂系统结构及其异构性已经为对于机器所产生的数据的无处不在的访问和可互操作的共享带来了极大挑战。且由于频繁不同平台的互传信息质量能否得到保证也成为了一个问题。特别是，由于机器设备在异构的硬件和软件平台上执行不同的功能，基于跨平台技术的基础标准消息机制能否支持它们之间高效的通信，这将成为智能物联网系统是否成功实现的主要关注点。

1.3 国内外研究现状

越来越多的人，企业，组织加入到对物联网的研究当中，伴随物联网结构的三层分类——传感器、人员、机器设备等组成的感知延伸系统^[3]，异构融合的泛在通信网络和终端的应用与服务体系，相关的研究方向也可以分为三个：（1）针对传感器，机器设备性能结构优化的研究（当然，其他很多领域的研究也往往涉及这一方向，所以这里只是广义上将其囊括，真正领域内研究严格意义上主要是后两个方向）；（2）基于物联网泛在的通信网络的协议及标准的研究；（3）针对于物联网应用和服务的研究和开发。

有许多标准开发组织（SDO）致力于系统框架和业务模式的开发，称为制造参考架构（MRAs），例如欧洲电信标准协会（ETSI）M2M，智能制造领导联盟（SMLC）开放式制造平台（一个M2M参考架构）和微软离散制造参考架构（DiRA）。ETSI M2M服务架构迈向了通用M2M平台的第一步，该平台已经在统一通信功能和协议上具有了良好的成熟度。SMLC是美国在新一代制造领域的一项举措，其目标是通过基于云的开放式架构制造基础设施以及支持优化制造系统的实时应用的市场无缝制造的执行。SMLC正在为协作工业物联网信息应用构建开放的智能制造平台。OneM2M全球倡议组织目前致力于非谐音参考架构，该架构集成了ETSI以前的工作以及开放移动联盟（OMA）和BroadBand论坛（BBF）等其他标准组织先前的工作。此外，微软离散制造集团开创了DiRA，这是一个基于云的框架，将制造网络中的智能设备连接起来，强调用户界面，企业级社交计算解决方案，智能连接设备和安全增强型解决方案^[4]。

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