王若夢(mèng)，劉 云，張振江

（北京交通大學(xué)通信與信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100044）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越普遍。但對(duì)應(yīng)于每一種具有實(shí)際管理要求和應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)，都需要開(kāi)發(fā)與之相關(guān)的管理平臺(tái)或服務(wù)，這使物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用受到一定的限制和影響。開(kāi)發(fā)一種通用的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，可以用于所有不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)資源的管理將會(huì)使物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更加普遍和靈活。本文立足于設(shè)計(jì)一種可以用于管理普遍物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)，該平臺(tái)可以適應(yīng)任意異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，可以靈活自主地管理本地物聯(lián)網(wǎng)資源，可以提供豐富的服務(wù)供其他系統(tǒng)使用，可以快速地添加模塊以實(shí)現(xiàn)用戶的特殊要求，并且具有良好的跨平臺(tái)性，與用戶使用的系統(tǒng)無(wú)關(guān)。本文詳細(xì)地分析了平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

2 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該平臺(tái)的服務(wù)器需要與被管理的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用層連接，可以訪問(wèn)該物聯(lián)網(wǎng)的中間件服務(wù)。平臺(tái)運(yùn)行需要有ONS服務(wù)支持，用于解析物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)EPC的網(wǎng)絡(luò)位置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置。平臺(tái)需要數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，用來(lái)管理物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，維護(hù)平臺(tái)的正常運(yùn)行。平臺(tái)可以接入互聯(lián)網(wǎng)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供服務(wù)。

3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)最基本的兩個(gè)問(wèn)題：物聯(lián)網(wǎng)如何接入該平臺(tái)；對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的各種功能，該平臺(tái)如何做到全部支持。我們考慮使用圖2所示的平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)接口層

網(wǎng)絡(luò)接口層用來(lái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的接入和訪問(wèn)，主要提供中間件服務(wù)。中間件服務(wù)類(lèi)似于“中間件的中間件”這一概念。不同功能的網(wǎng)絡(luò)，其中間件提供的功能和訪問(wèn)方式都是不同的，平臺(tái)通過(guò)中間件服務(wù)，可以做到對(duì)中間件的統(tǒng)一管理調(diào)度。

中間件服務(wù)主要提供以下3個(gè)功能。

·中間件注冊(cè)：物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)時(shí)，需要向平臺(tái)注冊(cè)該網(wǎng)絡(luò)的中間件服務(wù)以及調(diào)度方式，供平臺(tái)使用。對(duì)應(yīng)不同目標(biāo)的中間件服務(wù)，生成中間件集，方便管理和調(diào)用。

·中間件訪問(wèn)管理：向上層提供中間件訪問(wèn)服務(wù)。需要根據(jù)上層需要訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)自動(dòng)匹配中間件集，提供相應(yīng)服務(wù)。

·中間件注銷(xiāo)：注銷(xiāo)無(wú)用的中間件集或中間件集中的服務(wù)。

3.2 基礎(chǔ)服務(wù)層

該層維護(hù)和管理平臺(tái)運(yùn)行的基本環(huán)境，類(lèi)似于平臺(tái)的 “硬件”。基礎(chǔ)服務(wù)層向系統(tǒng)提供完整的數(shù)據(jù)交互方式、系統(tǒng)故障處理和監(jiān)視以及全部的數(shù)據(jù)管理功能，維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該層提供兩類(lèi)服務(wù)：基本服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2.1基本服務(wù)

基本服務(wù)用來(lái)維護(hù)平臺(tái)的基本運(yùn)行，功能包括以下4方面。

（1）初始化功能

對(duì)未知的物聯(lián)網(wǎng)接入初始化，如子網(wǎng)物理位置、IP以及相關(guān)信息；對(duì)未知節(jié)點(diǎn)初始化，如節(jié)點(diǎn)EPC、ONS寫(xiě)入，節(jié)點(diǎn)信息寫(xiě)入等。

（2）ONS維護(hù)

需要對(duì)ONS服務(wù)器的解析服務(wù)進(jìn)行維護(hù)。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)從子網(wǎng)A退出，進(jìn)入子網(wǎng)B時(shí)，該層需要對(duì)該節(jié)點(diǎn)的ONS信息進(jìn)行維護(hù)，使之與實(shí)際相符。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)

至少做到某個(gè)節(jié)點(diǎn)歸屬子網(wǎng)之間的關(guān)系維護(hù)，對(duì)于一些更加復(fù)雜特殊的網(wǎng)絡(luò)，可以做到平臺(tái)需要的維護(hù)要求。

（4）節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)視

對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)視，向上層提供反饋和報(bào)警功能。

3.2.2數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)服務(wù)用來(lái)維護(hù)物聯(lián)網(wǎng)所有能夠訪問(wèn)的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)維護(hù)可以分為兩類(lèi)：數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)維護(hù)和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)維護(hù)。

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是為實(shí)時(shí)服務(wù)而開(kāi)啟的內(nèi)存區(qū)域，為上層提供節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的快速實(shí)時(shí)訪問(wèn)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)維護(hù)內(nèi)容包括將節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)向內(nèi)存的映射管理，數(shù)據(jù)采樣率管理，內(nèi)存釋放等。對(duì)于傳感器類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)是平臺(tái)操作物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的最直接方式，可以做到對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

數(shù)據(jù)庫(kù)是節(jié)點(diǎn)信息的基本存儲(chǔ)手段。數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容包括兩類(lèi)：系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)用來(lái)存儲(chǔ)平臺(tái)運(yùn)行的基本信息，如節(jié)點(diǎn)基本信息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、日志信息等。用戶?shù)據(jù)是用戶自己配置的需要管理的信息。該信息通過(guò)用戶配置引擎將用戶需要管理的內(nèi)容映射為數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)表項(xiàng)，數(shù)據(jù)服務(wù)可以提供對(duì)這些表項(xiàng)的存取管理操作。

3.3 集成服務(wù)層

該層相當(dāng)于 “軟件層”，它利用已經(jīng)搭建好的運(yùn)行環(huán)境，提供一些最基本的服務(wù)。系統(tǒng)可以提供的服務(wù)集包括以下4種。

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)集

對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和用戶數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，提供一組對(duì)數(shù)據(jù)的操作，包括映射服務(wù)、讀寫(xiě)服務(wù)等。

（2）數(shù)據(jù)處理服務(wù)集

提供對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的操作和處理。

（3）內(nèi)容顯示服務(wù)集

對(duì)各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)提供相應(yīng)的顯示服務(wù)。

（4）系統(tǒng)操作服務(wù)集

系統(tǒng)操作服務(wù)集包括郵件服務(wù)、系統(tǒng)配置服務(wù)、報(bào)警服務(wù)等基于系統(tǒng)的服務(wù)類(lèi)型。

對(duì)于一些特殊的應(yīng)用要求，用戶可以自定義服務(wù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的管理要求。

3.4 用戶服務(wù)引擎

該層是面向用戶應(yīng)用的一層。它的功能是通過(guò)用戶的需要，利用提供的用戶配置向?qū)В瑢⒓煞?wù)層的各種服務(wù)有機(jī)地組合和配置，使平臺(tái)實(shí)現(xiàn)用戶需要的管理功能。該層可以提供一些通用管理模板，實(shí)現(xiàn)大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)及其資源的管理，也可以使用戶自定義模板，實(shí)現(xiàn)用戶的特殊要求。

用戶配置包括數(shù)據(jù)配置和服務(wù)配置。在使用該平臺(tái)前，用戶必須明白需要管理物聯(lián)網(wǎng)的何種資源（數(shù)據(jù)）以及如何管理（服務(wù)）。

數(shù)據(jù)配置指用戶需要管理的對(duì)象以及相關(guān)屬性的添加設(shè)置。每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，可以被惟一的EPC標(biāo)示。標(biāo)示背后的信息需要用戶自己添加。向?qū)?huì)針對(duì)用戶給出的管理對(duì)象的各種屬性內(nèi)容，生成相關(guān)的用戶數(shù)據(jù)表項(xiàng)，或是開(kāi)辟用于實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)緩存。

服務(wù)配置需要用戶根據(jù)自己的需要，告訴平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)以及資源應(yīng)該如何管理。是否要出入庫(kù)登記，還是對(duì)某個(gè)溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)視報(bào)警。該配置決定了平臺(tái)的運(yùn)行方式。

4 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

4.1 事件驅(qū)動(dòng)的SOA技術(shù)

SOA(service oriented architecture)可以實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)期望的功能，即用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)松耦合的粗顆粒度應(yīng)用組件進(jìn)行分布式部署、組合和使用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的管理。服務(wù)可以是運(yùn)行在同一主機(jī)或不同主機(jī)不同網(wǎng)絡(luò)位置的應(yīng)用程序來(lái)提供。程序之間通過(guò)定義良好的接口和協(xié)議來(lái)達(dá)到交互的目的。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)基于SOA，位于“集成服務(wù)層”和“基礎(chǔ)服務(wù)層”的所有的服務(wù)都被設(shè)計(jì)為松耦合的粗顆粒度應(yīng)用組件，所有服務(wù)都遵循Web services標(biāo)準(zhǔn)，使服務(wù)之間能夠更好地進(jìn)行交互。

基本的SOA體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的不可預(yù)知和異步性，單一的SOA技術(shù)并不能很好地做到物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。因此，該平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要事件驅(qū)動(dòng)技術(shù)的支持。定義于該系統(tǒng)的事件可以傳輸與所有服務(wù)組件之間。服務(wù)組件通過(guò)響應(yīng)特定的事件來(lái)完成系統(tǒng)指定的各種功能。

一個(gè)典型的事件驅(qū)動(dòng)模型包括由事件消費(fèi)者、事件生產(chǎn)者和事件管理器組成。事件生產(chǎn)者向事件管理器發(fā)布事件，事件消費(fèi)者從事件管理器訂閱和處理事件。當(dāng)事件管理器從事件生產(chǎn)者那里接收到一個(gè)事件時(shí)，事件管理器把這個(gè)事件轉(zhuǎn)交給事件消費(fèi)者。當(dāng)該事件消費(fèi)者不可用時(shí)，事件管理器將保留該事件并在一段時(shí)間間隔后重發(fā)。

將平臺(tái)上所有服務(wù)統(tǒng)一編制成基于Web services標(biāo)準(zhǔn)的粗顆粒度松耦合服務(wù)組件之后，可以統(tǒng)一通過(guò)如圖4所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理。

服務(wù)引擎通過(guò)用戶服務(wù)配置文件，有規(guī)則地綁定集成服務(wù)層的服務(wù)以及制定事件處理規(guī)則。服務(wù)引擎需要通過(guò)服務(wù)注冊(cè)中心發(fā)現(xiàn)服務(wù)的位置和內(nèi)容。由于基礎(chǔ)服務(wù)層和中間件接口層的設(shè)計(jì)對(duì)各自的上層透明，集成服務(wù)層的服務(wù)實(shí)現(xiàn)可以直接使用基礎(chǔ)服務(wù)層，基礎(chǔ)服務(wù)層的服務(wù)可以直接使用中間件服務(wù)而不需要從服務(wù)注冊(cè)中心發(fā)現(xiàn)。這兩層需要向服務(wù)注冊(cè)中心注冊(cè)服務(wù)，可以使其他系統(tǒng)或用戶發(fā)現(xiàn)并使用它們所提供的服務(wù)。

事件訂閱規(guī)則分為兩種：基礎(chǔ)事件和用戶定制?；A(chǔ)事件指每個(gè)服務(wù)所能處理和產(chǎn)生的服務(wù)，用戶定制事件是用戶在配置服務(wù)時(shí)，服務(wù)引擎自動(dòng)生成的用于控制服務(wù)結(jié)構(gòu)和流程的事件，這些事件全部通過(guò)事件管理器管理。

4.2 用戶數(shù)據(jù)映射手段

不同用戶對(duì)于數(shù)據(jù)的管理要求各不相同，數(shù)據(jù)管理模式要求用戶完全自主定制。平臺(tái)在這里引入一個(gè)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型（nodetype）的概念。在數(shù)據(jù)配置階段，用戶通過(guò)分析自己的實(shí)際環(huán)境，將物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)歸類(lèi)，利用向?qū)ЫM織每類(lèi)需要管理的內(nèi)容。從系統(tǒng)角度看，每個(gè)nodetype可以被描述為幾個(gè)數(shù)據(jù)表的組合。節(jié)點(diǎn)讀寫(xiě)時(shí)，根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的nodetype和EPC碼自動(dòng)讀取相對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)。向?qū)Чぷ髁鞒倘鐖D5所示。

5 系統(tǒng)初始化流程

系統(tǒng)初始化流程包括用戶數(shù)據(jù)配置、用戶服務(wù)配置、系統(tǒng)環(huán)境搭建與維護(hù)。

用戶數(shù)據(jù)配置主要用來(lái)告訴系統(tǒng)需要管理的對(duì)象有哪些。它主要是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。在分析自己的需求之后，用戶可將需要管理的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，為每一類(lèi)命名，添加屬性。這樣，在系統(tǒng)初始化階段，平臺(tái)會(huì)為每類(lèi)節(jié)點(diǎn)開(kāi)辟數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)緩存，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)。平臺(tái)沒(méi)有為用戶數(shù)據(jù)配置提供專門(mén)的文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)配置相當(dāng)于“硬件配置”。

用戶服務(wù)配置通過(guò)配置向?qū)?，將已有服?wù)經(jīng)過(guò)有機(jī)組合，向平臺(tái)提供相關(guān)的管理依據(jù)。用戶服務(wù)配置將生成專用于用戶服務(wù)引擎的文件格式。平臺(tái)依照該文件提供服務(wù)。

系統(tǒng)環(huán)境的搭建維護(hù)用來(lái)初始化平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境。

系統(tǒng)初始化有下列兩種情況：系統(tǒng)第一次使用初始化和二次開(kāi)機(jī)（配置和故障原因）初始化。系統(tǒng)第一次使用初始化和二次開(kāi)機(jī)初始化流程如圖6和圖7所示。

其中，物聯(lián)網(wǎng)注冊(cè)包括物聯(lián)網(wǎng)IP信息、位置信息以及相關(guān)管理信息。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)注冊(cè)包括注冊(cè)該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)歸屬位置、ONS信息、用戶定義節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，必要時(shí)可以直接向用戶數(shù)據(jù)寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)內(nèi)容以及屬性信息。

平臺(tái)環(huán)境維護(hù)用來(lái)維護(hù)平臺(tái)的基本運(yùn)行環(huán)境，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?jié)點(diǎn)狀態(tài)等。

二次開(kāi)機(jī)流程與第一次初始化流程不同的是，平臺(tái)只需要讀取用戶的服務(wù)配置文件，而不需要改變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。平臺(tái)需要檢查網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ONS數(shù)據(jù)是否與記錄一致，不一致時(shí)詢問(wèn)用戶更新網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或是記錄信息，接著進(jìn)入服務(wù)，維護(hù)平臺(tái)環(huán)境。

6 實(shí)際運(yùn)行分析

該系統(tǒng)對(duì)兩類(lèi)功能截然不同的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了管理運(yùn)行。一類(lèi)是基于RFID的設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)。由于該網(wǎng)絡(luò)中間件接口使用標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)接口，可以很輕松地接入該平臺(tái)中。節(jié)點(diǎn)類(lèi)型nodetype使用了3張表項(xiàng)：節(jié)點(diǎn)信息表、結(jié)點(diǎn)狀態(tài)表、設(shè)備信息表。該平臺(tái)對(duì)該類(lèi)網(wǎng)絡(luò)能夠做到非常好的支持。由于管理中對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)涉及得比較多，用戶服務(wù)規(guī)則定制十分簡(jiǎn)單，只需做到對(duì)3個(gè)數(shù)據(jù)表的讀取和修改即可。且服務(wù)可以在任何一臺(tái)連入互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)中訪問(wèn)。另一類(lèi)是溫度傳感器監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，用以實(shí)時(shí)監(jiān)視環(huán)境中的溫度變化。由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供中間件服務(wù)，將其接入網(wǎng)絡(luò)也相當(dāng)簡(jiǎn)單。對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)視，需要在平臺(tái)服務(wù)器中映射一段數(shù)據(jù)緩存區(qū)，這需要用到數(shù)據(jù)服務(wù)中的緩存映射服務(wù)。完成后，為服務(wù)配置設(shè)置監(jiān)視規(guī)則和存儲(chǔ)點(diǎn)即可。用戶顯示方式運(yùn)用曲線顯示，可以使用戶看到一段時(shí)間的溫度走勢(shì)情況。平臺(tái)對(duì)該類(lèi)網(wǎng)絡(luò)也可以做到相當(dāng)好的支持。

7 結(jié)束語(yǔ)

從該平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，該平臺(tái)可以做到對(duì)任意類(lèi)型物聯(lián)網(wǎng)的支持，對(duì)其中的所有資源做到用戶自定義的管理。為了方便使用，平臺(tái)還設(shè)計(jì)了管理模板供用戶使用。實(shí)際運(yùn)行中也證明了這一點(diǎn)。它可以為物聯(lián)網(wǎng)提供高效的組織管理功能，方便用戶快速地將各種類(lèi)型的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行管理，必將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。鑒于物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)性和使用的普遍性，這種網(wǎng)絡(luò)資源管理的方式也將成為物聯(lián)網(wǎng)中平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要方式之一。

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