□ 文 龍容 駱正虎 白杰 袁園 劉聰

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)市場經(jīng)歷了快速的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)垂直應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)通常是資源受限設(shè)備，因而云平臺對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)起著重要作用。云平臺是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的智能引擎，物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)將利用云平臺的計(jì)算能力來智能自動地工作。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺為垂直應(yīng)用提供服務(wù)支持功能，這些功能涉及數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)訪問、設(shè)備管理以及認(rèn)證等。通過這些常用功能，垂直應(yīng)用的開發(fā)人員可以專注于特定應(yīng)用開發(fā)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺通常需要了解不同領(lǐng)域，對相關(guān)數(shù)據(jù)使用特定領(lǐng)域的專業(yè)知識分析和處理。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序收集并上傳大量數(shù)據(jù)交給云平臺處理，這些垂直方向的數(shù)據(jù)時(shí)常需要共享，需要具有互操作性的中間層和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，也就是物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)層。構(gòu)建開放的標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層不僅是必要的，對于大規(guī)模部署也至關(guān)重要。

本文第2節(jié)對物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層進(jìn)行介紹，并重點(diǎn)闡述了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)里服務(wù)層各個(gè)模塊，介紹模塊間需要的標(biāo)準(zhǔn)接口要求以及統(tǒng)一資源模型要求。本文第3節(jié)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于LwM2M協(xié)議的服務(wù)層架構(gòu)，介紹了架構(gòu)里面各部分的統(tǒng)一接口定義及基于IPSO的統(tǒng)一資源模型。第4節(jié)對全文進(jìn)行總結(jié)。

2 開放的標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層

2.1.1 為何需要標(biāo)準(zhǔn)化解決方案

物聯(lián)網(wǎng)具有跨領(lǐng)域、跨行業(yè)的長尾特性，分散的設(shè)備之間導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集/存儲之間的互操作性存在很大的困難。一組通用的服務(wù)層、開放接口和標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)的API可以減少投資，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，快速上線物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。同時(shí)，穩(wěn)定的接口和可管理可升級的設(shè)備管理服務(wù)以及具有標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)的開放式物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層標(biāo)準(zhǔn)容易橋接各種生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴，例如組件提供商、應(yīng)用程序開發(fā)商、系統(tǒng)集成商?；ゲ僮餍?、可移植性、可擴(kuò)展性、敏捷性和靈活性以及所有常見技術(shù)特性的元素將嵌入到平臺和終端的服務(wù)層中。

物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化框架將解決跨網(wǎng)絡(luò)、跨應(yīng)用的互操作性，解決跨行業(yè)數(shù)據(jù)的互操作性，建立自動化設(shè)備管理和服務(wù)功能，并同時(shí)提供安全保障。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)化接口和數(shù)據(jù)模型

物聯(lián)網(wǎng)將跨行業(yè)的眾多產(chǎn)品匯集在一起，對于跨越所有業(yè)務(wù)的連接管理、安全性和數(shù)據(jù)處理有共性的要求。一套具有通用服務(wù)層功能和開放接口以及API的標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)，有助于物聯(lián)網(wǎng)提供商減少投資、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、降低開發(fā)成本，并促進(jìn)設(shè)備和應(yīng)用程序的管理。當(dāng)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)云平臺變得簡單易行時(shí)，提供商可以在業(yè)務(wù)上花費(fèi)更多時(shí)間和精力。

從實(shí)際的情況來看，并非所有物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商都有能力開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)云平臺。它不僅需要硬件設(shè)計(jì)和嵌入式設(shè)備編碼的熟練技能，還需要云服務(wù)器和Web UI的可靠支持。對于初創(chuàng)企業(yè)和技術(shù)實(shí)力薄弱的公司來說，開發(fā)專有的物聯(lián)網(wǎng)云平臺是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目。開放和標(biāo)準(zhǔn)化的云平臺，以及相配套的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)層接口將成為這類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商的可行解決方案。標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一接口包括終端和云平臺兩部分。終端需要提供統(tǒng)一的接口給終端應(yīng)用，包括與云平臺的鑒權(quán)數(shù)據(jù)交互等。物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供統(tǒng)一的Restful API給應(yīng)用服務(wù)器使用，包括安全認(rèn)證服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)和數(shù)據(jù)過濾服務(wù)。

另一個(gè)方面，數(shù)十億甚至數(shù)萬億的碎片設(shè)備隨著各種異構(gòu)中間件和應(yīng)用程序而增長，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序無法知道如何在沒有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型的情況下驗(yàn)證映射轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)和處理信息。通用數(shù)據(jù)模型是語義互操作性的關(guān)鍵要素，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序能夠獲取從其他地方導(dǎo)入獲取并檢索每個(gè)數(shù)據(jù)的精確含義。

2.1.3 基于LwM2M的物聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)層

LwM2M是用于資源受限設(shè)備的應(yīng)用層協(xié)議。它可以在資源受限的終端設(shè)備上運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，它提供了一個(gè)使用IPSO定義的資源模型的框架，將分散的數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型上報(bào)給物聯(lián)網(wǎng)平臺。平臺可以根據(jù)IPSO定義的數(shù)據(jù)模型規(guī)范處理和分析數(shù)據(jù)，為收集的數(shù)據(jù)提供增值服務(wù)，提高數(shù)據(jù)的價(jià)值。

LwM2M作為一種具有RESTful功能的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，由于采用簡單的方式來幫助收集面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)，因此吸引了許多移動運(yùn)營商的關(guān)注，并已由多家運(yùn)營商部署。LwM2M協(xié)議獨(dú)立于底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)可以基于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議優(yōu)化來提高效率并提供與業(yè)務(wù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能。利用該協(xié)議的特性，開發(fā)一個(gè)統(tǒng)一的服務(wù)層，用于在所有應(yīng)用程序之間交換和共享數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)可擴(kuò)展、高效的終端-云平臺整體的服務(wù)層解決方案，可為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員提供通用功能支持，幫助他們快速開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。LwM2M作為物聯(lián)網(wǎng)常用功能的開放標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)層解決方案，解決了物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)碎片問題。

3 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)終端服務(wù)層設(shè)計(jì)

3.1.1 架構(gòu)

服務(wù)層是一個(gè)端到端的解決方案，需要同時(shí)在物聯(lián)網(wǎng)云平臺、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)。本章節(jié)主要描述終端服務(wù)層架構(gòu)，云平臺側(cè)則使用了中國移動的物聯(lián)網(wǎng)平臺OneNET。

圖1 中國移動通信服務(wù)套件架構(gòu)

在終端側(cè)，服務(wù)層主要解決以下幾個(gè)問題：

（1）芯片組和模塊的多種選擇導(dǎo)致繁重的工作量和嚴(yán)格的輸入標(biāo)準(zhǔn)。

（2）不同類型的通信協(xié)議和語義系統(tǒng)導(dǎo)致孤立的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

（3）移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和其他解決方案提供商希望使其物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠在多領(lǐng)域設(shè)備互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

中國移動設(shè)計(jì)了通信服務(wù)套件（SDK），作為終端側(cè)服務(wù)層部署在終端，使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠輕松連接到OneNET，配合OneNET完成整體的端到端服務(wù)層方案。此SDK為上層應(yīng)用程序定義了統(tǒng)一的API，為通信模組定義了統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)適配器接口以屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的差異。自2017年11月起，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以通過通信服務(wù)套件輕松訪問OneNET。

如圖1所示，終端側(cè)的通信服務(wù)套件定義了接口①，②，③，④，⑤：

① 應(yīng)用程序的API接口；

② 應(yīng)用程序的AT指令接口；

③ 系統(tǒng)適配API，隱藏不同芯片/模組的差異，包括系統(tǒng)內(nèi)存操作、系統(tǒng)時(shí)間獲取和隨機(jī)數(shù)獲取等；

④ 網(wǎng)絡(luò)適配API，隱藏網(wǎng)絡(luò)的差異，用于物理網(wǎng)絡(luò)連接的建立，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸和接收；

⑤ 由OMA LwM2M定義的設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的接口。

通信芯片和模組供應(yīng)商可以據(jù)此架構(gòu)在設(shè)備端向其客戶提供API。利用通信服務(wù)套件的統(tǒng)一接口，應(yīng)用就可以無縫移植到不同的芯片和模組上，幫助開發(fā)人員快速開發(fā)和集成應(yīng)用程序。

在云平臺方面，簡單易用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用API也是應(yīng)用程序的必備工具，它將支持物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)顯示、分析和使用數(shù)據(jù)，如圖所示為接口⑤，⑥：

⑥對AS的Restful API。

設(shè)備中的通信服務(wù)套件實(shí)現(xiàn)為LwM2M客戶端，它封裝了協(xié)議，包括底層的基于UDP的CoAP，中間層的基于CoAP的LwM2M，以及上層的LwM2M中使用的配置文件規(guī)范。

基于通信服務(wù)套件架構(gòu)，應(yīng)用程序可以位于不同的部分。當(dāng)應(yīng)用程序和通信芯片/模組集成在同一應(yīng)用芯片中時(shí)，它使用API接口。在另一種情況下，當(dāng)應(yīng)用程序集成在外部的MCU中時(shí)，應(yīng)用程序使用AT命令，通過通信服務(wù)套件與云平臺通信。

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備方面，通信服務(wù)套件提供的功能屏蔽了底層系統(tǒng)和底層網(wǎng)絡(luò)的多樣性，并為應(yīng)用程序提供了簡單的接口。經(jīng)驗(yàn)表明，界面的標(biāo)準(zhǔn)化和IPSO智能對象定義的擴(kuò)展，對于推動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)的發(fā)展以及推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)是必要的。通過標(biāo)準(zhǔn)化使物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)使用統(tǒng)一調(diào)用接口將簡化應(yīng)用程序開發(fā)并幫助平臺來運(yùn)營數(shù)據(jù)。

3.1.2 功能

終端設(shè)備的服務(wù)層提供兩組功能。第一部分是提供給應(yīng)用程序的接口，包括API接口、AT命令和設(shè)備的profile配置文件；第二部分是終端與物聯(lián)網(wǎng)云平臺之間的接口。

對于第一部分，基于LwM2M協(xié)議，提供的API接口包括了Init、Register、DeRegister、AddObject、Deleteobject、Notify、UpdateRegister和DeInit，用于屏蔽客戶端和云平臺之間進(jìn)行通信的詳細(xì)信息和差異性。具體功能描述如下：

Init：根據(jù)輸入的參數(shù)初始化服務(wù)層，如服務(wù)器地址、端口、APN名稱、APN密碼等；

Register：向云平臺注冊設(shè)備；

DeRegister：向云平臺注銷設(shè)備；

AddObject：使用對象信息將對象添加到服務(wù)層；

DeleteObject：從服務(wù)層刪除對象；

Notify：將數(shù)據(jù)上報(bào)給云平臺；

UpdateRegister：將注冊信息更新到平臺，例如生命周期和對象信息；

DeInit：銷毀服務(wù)層實(shí)例。

與服務(wù)層在同一芯片中運(yùn)行的應(yīng)用程序可以使用這些接口。

與API相同，AT命令提供Create、Delete、Open、Close、AddObject、DeleteObject、Notify、UpdateRegister和URC的統(tǒng)一命令，這些命令與API具有相同的功能。在外部MCU中運(yùn)行的與芯片組通信的應(yīng)用可以使用這些統(tǒng)一AT指令接口。

在設(shè)備服務(wù)層中，還定義了一些預(yù)置對象，“Security”、“Server”、“Control”、“Device”、“Firmware”、“Location”、“Connectivity Monitoring”、“Connection Statistics”，提供設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)和操作。

圖2 IPSO數(shù)據(jù)模型

第二部分與LwM2M協(xié)議相同，包括LwM2M Server和LwM2M Client之間的四個(gè)接口。它們分別分為引導(dǎo)（Bootstrap）、客戶端注冊、設(shè)備管理和服務(wù)支持、信息報(bào)告。Bootstrap接口用于向LwM2M客戶端提供基本信息，LwM2M客戶端可以使用該命令執(zhí)行“注冊”操作。客戶端注冊接口具有注冊、更新和取消注冊的功能。LwM2M客戶端使用寄存器在引導(dǎo)過程之后向一個(gè)或多個(gè)LwM2M服務(wù)器注冊。Update命令用于每次注冊以延長生命周期或添加/刪除對象和對象實(shí)例。取消注冊用于在注冊的生命周期到期時(shí)注銷設(shè)備。LwM2M服務(wù)器使用設(shè)備管理和服務(wù)啟用接口通過使用“Read”、“Write”、“Execute”、“Create”、“Delete”、“Discover”和“Write-Attributes”，從已注冊的LwM2M客戶端訪問對象實(shí)例和資源。LwM2M服務(wù)器使用數(shù)據(jù)上報(bào)接口來觀察已注冊的LwM2M客戶端上的資源的更改或取消觀察，并且當(dāng)滿足“Write-Attributes”操作配置的通知條件時(shí)，LwM2M客戶端使用該信息報(bào)告接口來通知平臺更新的對象數(shù)據(jù)。

3.1.3 資源模型

LwM2M協(xié)議中采用了IPSO數(shù)據(jù)模型。IPSO智能對象提供通用對象模型，以實(shí)現(xiàn)智能對象設(shè)備與其他設(shè)備和服務(wù)上的連接軟件應(yīng)用程序之間的互操作。該模型使用數(shù)據(jù)對象來表示常見的物聯(lián)網(wǎng)傳感器。每個(gè)智能對象都有一個(gè)對象ID，它代表物理傳感器執(zhí)行器連接對象或其他數(shù)據(jù)源。構(gòu)成智能對象的可重用資源表示所連接的物理對象和所包含的嵌入式軟件的靜態(tài)和動態(tài)屬性。利用這種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，基于LwM2M的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或物和設(shè)備能夠通過“共同語言”相互通信。

此資源模型有兩個(gè)級別：對象（Object）和資源（Resource）。當(dāng)設(shè)備使用LwM2M協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它必須符合那些已注冊的對象定義。LwM2M客戶端提供的每條信息都是資源，資源在邏輯上進(jìn)一步組織為對象。LwM2M客戶端可以擁有任意數(shù)量的資源，每個(gè)資源都屬于一個(gè)Object。換句話說，一個(gè)Object包含一組Resources。例如，F(xiàn)irmware對象包含用于固件更新目的的所有資源。圖2說明了Resources，Objects和LWM2M Client之間的結(jié)構(gòu)和關(guān)系。

4 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化程度不斷提升，確保了大規(guī)模生態(tài)系統(tǒng)的互操作性，部署基于統(tǒng)一服務(wù)層的框架將解決數(shù)據(jù)分散、集成復(fù)雜、信息無法共享、擴(kuò)展性差、運(yùn)營效率低和開發(fā)成本高等問題。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層通過提供簡單易用的統(tǒng)一接口幫助應(yīng)用開發(fā)者，構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用、屏蔽接入網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)、提升平臺對數(shù)據(jù)的可操作性。讓應(yīng)用開發(fā)者可以聚焦于自己熟悉的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。

LwM2M因其在設(shè)備和管理服務(wù)器之間的交互操作簡潔，而且對資源的需求較低，能更好的適用于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)這種終端設(shè)備極端受限的場景?；贚wM2M的服務(wù)層架構(gòu)，既能滿足服務(wù)層統(tǒng)一開放的要求，也不會占有設(shè)備上過多的資源。

從長遠(yuǎn)來看，移動運(yùn)營商的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)產(chǎn)品將受益于物聯(lián)網(wǎng)的互通能力，擁有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)層，實(shí)現(xiàn)跨物聯(lián)網(wǎng)平臺和應(yīng)用程序域的輕松集成，確保異構(gòu)應(yīng)用程序和設(shè)備之間的無縫交互。其標(biāo)準(zhǔn)化的API，簡單易用且擴(kuò)展性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)共享及跨行業(yè)的大量設(shè)備管理，打破了傳統(tǒng)專有平臺方案導(dǎo)致的信息孤島模式，將為物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)帶來真正的價(jià)值?！?/p>