胡擁兵

摘 要：鑒于物聯(lián)網(wǎng)感知層與應用層的復雜性，為克服感知層數(shù)據(jù)量大、格式不統(tǒng)一、應用層需直接面向底層開發(fā)等問題，提出物聯(lián)網(wǎng)設備綜合應用平臺的設計思路。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分層基礎上進行二次分層設計，把物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的過濾功能與處理功能從物聯(lián)網(wǎng)第三層的應用層拆分出來，形成一套可在各種設備與多種平臺上通用的接口與平臺，屏蔽底層技術差別，便于上層應用集中于服務開發(fā)，降低與底層的耦合度，降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)難度，增強應用的可復用性。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);感知層;應用層;二次分層;綜合應用平臺;耦合度

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）05-0-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構分為感知層、網(wǎng)絡層與應用層[1]。其中，感知層涉及各種各樣的傳感器、控制設備等，應用層實現(xiàn)實際應用的各種邏輯。這兩層涉及多個廠商、平臺的銜接，實現(xiàn)起來非常繁瑣。為解決上述問題，本文擬在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分層基礎上進行二次分層設計，把物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的過濾功能與處理功能從物聯(lián)網(wǎng)第三層的應用層拆分出來，形成一套可在各種設備與多種平臺上通用的接口與平臺，屏蔽底層技術差別，便于上層應用集中于服務開發(fā)，實現(xiàn)與底層的低耦合，降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)難度，增強應用的可復用性，縮短應用層開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，提高應用開發(fā)質(zhì)量。

1 平臺總體設計

1.1 設計概述

物聯(lián)網(wǎng)設備綜合應用平臺技術上應具備三個特征：一是全面感知，即利用氣體傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器、人體傳感器、門磁傳感器、心跳傳感器等各種傳感器隨時隨地獲取物體的各方面信息;二是可靠傳遞，通過各種WiFi、UWB、藍牙、紅外、ZigBee、LoRa、NBIoT等傳感網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)銜接，將傳感器采集到的信息以合適的能耗與方式傳遞出去;三是智能處理，利用各種數(shù)據(jù)處理技術，對采集并傳遞過來的數(shù)據(jù)與信息進行分析、統(tǒng)計及處理，為應用層提供相應接口與信息數(shù)據(jù)，方便應用層的開發(fā)與智能控制實現(xiàn)。

三個層次分工合作，才能充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的功能。本文主要針對物聯(lián)網(wǎng)設備綜合應用進行平臺設計，解決底層感知因節(jié)點變化帶來的應用開發(fā)復用性能降低的問題，做到每個底層采集數(shù)據(jù)精益求精與數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一性，從而使物聯(lián)網(wǎng)具體應用更具易分解化、可操作化、智能化。

本文設計基于物聯(lián)網(wǎng)設備綜合應用平臺技術的設計理念，通過接口與規(guī)范的標準化，對感知層各種設備獲得的不同結構與含義的數(shù)據(jù)進行匯集與規(guī)范，將這些數(shù)據(jù)轉化為統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)，供上層應用使用，響應上層的應用服務調(diào)度，并將其轉化為不同控制器節(jié)點可理解與執(zhí)行的指令。

1.2 總體架構圖

物聯(lián)網(wǎng)設備綜合應用平臺包括驅(qū)動接口、數(shù)據(jù)處理接口、通信接口、應用服務接口四個接口設計。其中，驅(qū)動接口是控制底層設備運行的接口;數(shù)據(jù)處理接口對底層感知設備采集數(shù)據(jù)進行過濾整合;通信接口是底層設備與網(wǎng)關和應用服務進行數(shù)據(jù)信息傳遞的接口通道;應用服務接口則專門負責用戶對設備的控制。將物聯(lián)網(wǎng)設備綜合應用平臺進行細致的端口功能分割，便于開發(fā)及后續(xù)維護工作，減少開發(fā)風險，提高物聯(lián)網(wǎng)應用的可擴展性，總體架構如圖1所示。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)設備綜合應用平臺接口

物聯(lián)網(wǎng)設備綜合應用平臺提供四個接口，每個接口負責相應的功能，彼此間協(xié)調(diào)共進、相互合作，達到對底層信息數(shù)據(jù)的處理與整合，供于頂層應用數(shù)據(jù)調(diào)度與指令發(fā)送，降低頂層應用因底層傳感器節(jié)點類型與數(shù)量變化帶來的影響。驅(qū)動接口：感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，用以識別物體、采集信息，而驅(qū)動接口實現(xiàn)通過應用層將指令進行統(tǒng)一格式處理，再轉化為不同設備相應的可接收處理的指令信息數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)控制底層設備器件的運作，避免不同設備對頂層應用帶來的兼容問題。數(shù)據(jù)處理接口：感知層主要承擔采集數(shù)據(jù)信息的工作，將環(huán)境、物體參數(shù)等信息根據(jù)不同的技術使用不同協(xié)議，轉化為具有不同結構的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理接口的主要任務是將這些異構數(shù)據(jù)經(jīng)過濾、整合，轉換為可供上層應用使用的具有統(tǒng)一格式的虛擬信息[2]。通信接口：由于不同設備的通信協(xié)議可能不同，為解決通信協(xié)議帶來的信息傳輸問題，通信接口實現(xiàn)將各種設備通信協(xié)議進行統(tǒng)一格式化，供于頂層應用，同時又將應用層指令再次進行處理，轉化為相應設備可接收的協(xié)議標準信息，利用通信接口解決應用層與底層設備通信協(xié)議不統(tǒng)一的問題，方便指令、數(shù)據(jù)的交互傳遞。應用服務接口：物聯(lián)網(wǎng)服務平臺需向后臺服務提供統(tǒng)一的信息數(shù)據(jù)調(diào)度機制，即應用服務接口，應用服務接口主要實現(xiàn)對不同設備的節(jié)點與任務進行管理，實現(xiàn)對不同節(jié)點間設備與任務進度的調(diào)度，增強用戶對設備任務的管理能力。

2 接口設計

2.1 驅(qū)動接口設計

一個驅(qū)動程序可對應一種設備，也可對應一類設備，但不同廠家的通信設備都有不同程度的支持類型（如支持3號或16號指令），凡支持該協(xié)議的設備都可通過同一個設備驅(qū)動進行訪問控制，唯一不同的是設備地址、數(shù)據(jù)類型、起始地址與數(shù)據(jù)長度等參變量，因此為改變不同設備通信支持帶來的問題，根據(jù)實際需要，進行相應配置即可。驅(qū)動接口設計包括驅(qū)動配置信息接口、驅(qū)動信息頭及驅(qū)動控制接口。

2.1.1 驅(qū)動配置信息

鑒于不同設備參數(shù)信息不同，如果不統(tǒng)一格式進行設計編輯，將會給后期開發(fā)與升級帶來不必要的麻煩，因此驅(qū)動配置信息接口主要用于定義不同設備節(jié)點的參數(shù)信息，方便對各節(jié)點設備進行管理。

2.1.2 驅(qū)動信息頭

通過定義驅(qū)動信息頭，進一步將不同設備進行定義，主要設置特殊的信息配置用于任務調(diào)度配置，降低設備類型差異帶來的影響，同時極大地方便驅(qū)動器件設備運作。

2.1.3 驅(qū)動控制接口

通過前面兩步的驅(qū)動信息配置基礎，定義好設備相關信息后，還需對驅(qū)動事件進行統(tǒng)一定義，實現(xiàn)應用層按照預定指令控制設備節(jié)點運作。驅(qū)動控制接口是實現(xiàn)不同節(jié)點間按照預定設置模式工作的必要編程之一。

2.2 數(shù)據(jù)處理接口

物聯(lián)網(wǎng)應用信息數(shù)據(jù)處理關系到底層與應用層的交互，在底層節(jié)點采集數(shù)據(jù)會產(chǎn)生大量冗余信息，對整個系統(tǒng)非常不利，為此專門設計數(shù)據(jù)處理接口，用于處理、整合、采集并優(yōu)化信息，提高系統(tǒng)處理效率。數(shù)據(jù)處理接口包括數(shù)據(jù)過濾接口與數(shù)據(jù)匯集接口。

2.2.1 數(shù)據(jù)過濾接口

物聯(lián)網(wǎng)冗余信息包括短時間同一設備對一個數(shù)據(jù)進行的大量重復上報信息與多臺臨近設備對相同數(shù)據(jù)上報的信息。除了這兩種情況，很多情況下用戶還可能希望得到某些特定信息。用戶在使用數(shù)據(jù)時，希望盡可能減少冗余，盡量得到精度合適的數(shù)據(jù)，涉及過濾接口的設計。去重過濾接口，可消除采集產(chǎn)生的大量冗余數(shù)據(jù)，優(yōu)化采集數(shù)據(jù)質(zhì)量;事件過濾接口，主要實現(xiàn)對節(jié)點活動管理與優(yōu)化，降低節(jié)點活動對數(shù)據(jù)采集的干擾;節(jié)點過濾接口，由于使用不同通信技術的節(jié)點會將數(shù)據(jù)讀取成不同的格式，每一種格式數(shù)據(jù)可反映相應的節(jié)點信息。設計其算法為：由用戶定義一個標簽碼模式，規(guī)定需要選出的類型，每當讀取到一個標簽時，將該標簽碼與標簽碼模式進行匹配，若匹配則輸出該標簽，否則過濾[3]。

2.2.2 數(shù)據(jù)匯集接口

傳感層采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾接口處理后不能直接使用，需將簡單零散的數(shù)據(jù)處理為有價值的信息，若不對數(shù)據(jù)進行匯集，那么這些單一數(shù)據(jù)不能提供任何信息量，因此必須有相關的數(shù)據(jù)匯集接口。數(shù)據(jù)匯集接口涉及節(jié)點的進入與離開，節(jié)點進入后判斷是否有權限進入操作數(shù)據(jù)。若是，則進行數(shù)據(jù)匯集處理;若否，則直接退出。若節(jié)點離開則退出處理。

2.3 通信接口

物聯(lián)網(wǎng)不同設備之間的通信協(xié)議標準有可能不同，例如，其中一些以WiFi協(xié)議通信，一些以ZigBee協(xié)議通信，因此必須將不同的設備通信協(xié)議轉換成統(tǒng)一格式反饋回應用層，再由應用層回饋設備綜合應用平臺轉換成各設備能接受的通信協(xié)議，通信接口則用以解決不同通信協(xié)議間的互動問題，同時也為信息數(shù)據(jù)傳輸提供必要的基礎。通信接口包括通信方式類接口和通信設備類接口。

2.3.1 通信方式類接口

通信方式類接口主要記載設備通信協(xié)議，方便中間件轉換成統(tǒng)一標準協(xié)議與應用層互動，應用層指令傳送轉化成設備可接收的協(xié)議標準，為應用層與底層節(jié)點件操控互動提供便利。

2.3.2 通信設備類接口

通信設備類接口的主要功能是實現(xiàn)網(wǎng)關與節(jié)點間通信的關鍵定義，進一步將節(jié)點通信協(xié)議方式做細分化，實現(xiàn)節(jié)點對節(jié)點、節(jié)點對網(wǎng)關的信息聯(lián)絡。

2.3.3 通信數(shù)據(jù)讀/寫內(nèi)存接口

通信數(shù)據(jù)讀內(nèi)存接口與數(shù)據(jù)寫內(nèi)存接口相同，通信數(shù)據(jù)操作接口封裝到通信數(shù)據(jù)讀/寫內(nèi)存操作類接口中，通信與相關應用程序只需將相關信息進行存儲，就可用此接口對內(nèi)存進行操作保存信息數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化代碼，實現(xiàn)代碼共用。

2.4 應用服務接口

物聯(lián)網(wǎng)應用信息人機交互需要涉及后臺服務，因涉及設備種類廣、事件任務多，為方便管理，必須按照一定的標準規(guī)范進行設計，將不同節(jié)點的信息進行分離，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務人性化理念，同時也方便后臺對事件任務調(diào)度管理。應用服務接口包括設備描述接口與服務描述接口。

2.4.1 應用設備描述接口

設備描述與服務描述直接引用UPNP規(guī)范。宣告部分的Location設備描述文件網(wǎng)址，該網(wǎng)址使用XML文件格式，編碼格式統(tǒng)一使用UTF-8。設備描述文檔由子網(wǎng)關節(jié)點及其子設備節(jié)點組成。子網(wǎng)關節(jié)點包含基本屬性節(jié)點、服務列表節(jié)點及子設備列表節(jié)點。子設備節(jié)點存放于子設備列表中，每個子設備節(jié)點包含基本屬性節(jié)點與服務列表節(jié)點，基本屬性節(jié)點與服務列表節(jié)點在子網(wǎng)關與子設備中相同。

2.4.2 應用服務描述接口

設備服務描述程序由控制列表及服務狀態(tài)列表組成，定義該設備支持的動作命令接口信息、該設備提供的服務狀態(tài)變量以及是否可被事件訂閱。

3 應用場景

3.1 智能家居

智能家居的設備綜合應用平臺將不同類型的網(wǎng)上家電設備聯(lián)接，實現(xiàn)對各種儀表信息的獲取并發(fā)送相應指令[4]。智能網(wǎng)關通過互聯(lián)網(wǎng)將儀表信息匯集到內(nèi)部設備綜合應用平臺軟件，設備綜合應用平臺對匯集的各種信息進行分析處理，形成有效數(shù)據(jù)信息，從而支撐智能家居系統(tǒng)。用戶可根據(jù)需要通過終端系統(tǒng)發(fā)送指令到設備綜合應用平臺，將信息處理轉送到相應的家庭網(wǎng)絡，達到對智能家電的遠程操作控制。

3.2 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)設備綜合應用平臺數(shù)據(jù)處理接口將感知層采集的數(shù)據(jù)進行過濾整合，得到能夠供用戶層使用的信息數(shù)據(jù)，經(jīng)通信接口用戶層得到數(shù)據(jù)后發(fā)送用戶控制指令，由于底層設備的差異，用戶指令并不能直接操控底層設備，需通過平臺轉化成各設備對應的可執(zhí)行的通信指令，再由設備綜合應用平臺層控制設備。設備綜合應用平臺層將不同通信協(xié)議類型的設備聯(lián)接起來，實現(xiàn)對儀表信息的互動與控制，降低底層設備的差異，提高用戶層的可靠性、可維護性及可擴展性。

3.3 智能交通

智能交通是一個優(yōu)質(zhì)、便民、安全的綠色城市生活環(huán)境，隨著物聯(lián)網(wǎng)的推廣，智能交通越來越便于市民出行。所有智能交通的實現(xiàn)都離不開設備綜合應用平臺，智能交通管理道路控制并不是單一的幾個點，而是眾多點，平臺核心就是將底層各節(jié)點設備相關聯(lián)與應用互動，解決眾多節(jié)點帶來海量數(shù)據(jù)的沖突干擾，實現(xiàn)一個指揮中心即可監(jiān)控、操控多個道路。經(jīng)設備綜合應用平臺對靜態(tài)交通地理信息、管理信息、動態(tài)交通信息等融合處理后，將信息儲存成綜合交通信息數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容，使所有信息通過數(shù)據(jù)訪問平臺實現(xiàn)管理，為應用提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理接口[5]。

3.4 智能倉儲

對于智能倉儲設備綜合應用平臺，服務器的實現(xiàn)是整個倉儲管理的重要環(huán)節(jié)。相對于RFID有較多不同的工作頻率，包括125 kHz，13.56 MHz，869 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz等，不同使用頻率的工作環(huán)境不同，此外還有一些其他通信協(xié)議的設備。為降低設備差異性對頂層應用帶來的可靠性影響，設備綜合應用平臺必須具備對不同通信節(jié)點設備進行統(tǒng)一化處理，將各節(jié)點數(shù)據(jù)轉化成統(tǒng)一通信格式供數(shù)據(jù)庫服務器處理，以及將用戶指令轉化為各節(jié)點設備可執(zhí)行指令的能力。因此，智能倉儲管理引用設備綜合應用平臺這一軟技術，使得上層應用無需直接面對底層架構，而通過設備綜合應用平臺進行調(diào)用，增強應用服務的可復用性。

4 結 語

本文設計的物聯(lián)網(wǎng)設備綜合應用平臺可以克服傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)存在的各種問題，提高可復用性，規(guī)范用戶操作接口，提高開發(fā)效率，具備可期的發(fā)展與應用價值。

參 考 文 獻

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