朱廣萍，黃 晞

(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007)

面向智慧園區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)中間件的整體架構(gòu)

朱廣萍，黃 晞

(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展及“中國(guó)制造2025”的提出，構(gòu)建面向智能生產(chǎn)線、智能車間、智能工廠等制造業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在智能制業(yè)中，接入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備種類眾多，設(shè)備的數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，因此上層應(yīng)用在采集設(shè)備數(shù)據(jù)和對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理時(shí)，需要引入中間件來(lái)解決這些問(wèn)題。設(shè)計(jì)了一種面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)中間件模型，此中間件建立在具備上述特點(diǎn)的智能園區(qū)的背景下。中間件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)前端感知設(shè)備與上層應(yīng)用間的信息交互，并將上層應(yīng)用的命令下發(fā)到設(shè)備中實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)管理，為各種異構(gòu)的智能設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境提供了一種有效的解決方案。并且通過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例來(lái)進(jìn)一步闡述此中間件的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法。

物聯(lián)網(wǎng)；中間件；面向服務(wù)；架構(gòu)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同應(yīng)用需求，利用具有感知、通信與計(jì)算能力的智能終端自動(dòng)獲取物理世界上的各種信息，將所有能夠獨(dú)立尋址的物理對(duì)象互聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理，構(gòu)建人與物、物與物互聯(lián)的智能信息服務(wù)系統(tǒng)[1]。物聯(lián)網(wǎng)是由簡(jiǎn)單二維條碼、射頻識(shí)別技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、CPS(Cyber-Physical Systems)[2]及M2M(Machine-to-Machine)系統(tǒng)[3]等各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)通過(guò)與普適網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)[4-5]等核心技術(shù)結(jié)合起來(lái)形成的智能網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)包含感知延伸層、網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)和應(yīng)用層三層[6-11]。第一層負(fù)責(zé)采集物和物相關(guān)的信息；第二層是異構(gòu)融合的泛在通信網(wǎng)絡(luò);第三層是應(yīng)用和業(yè)務(wù)，為手機(jī)、PC等各種終端設(shè)備提供感知信息的應(yīng)用服務(wù)[12]。提供與物相關(guān)的服務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)在要求。然而，物理的物數(shù)量大、種類多，具有異構(gòu)性，虛擬的物具有信息關(guān)聯(lián)復(fù)雜的特性。因此，需要建立一個(gè)通用的服務(wù)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物的有效管理、交互和處理，確保提供與物相關(guān)的服務(wù)[13]。于是物聯(lián)網(wǎng)中間件便產(chǎn)生了。

1 面向智慧園區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)中間的模型

物聯(lián)網(wǎng)中間件是介于感知設(shè)備與上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的一種基礎(chǔ)軟件。由于智慧園區(qū)的不同場(chǎng)景需要接入不同的終端設(shè)備和不同的上層應(yīng)用，所以該物聯(lián)網(wǎng)中間件采用SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 中間件整體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)中間件主要由設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、服務(wù)對(duì)象調(diào)度管控層、業(yè)務(wù)服務(wù)應(yīng)用層三部分組成。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)層：主要包括設(shè)備注冊(cè)請(qǐng)求、設(shè)備連接請(qǐng)求、安全認(rèn)證、設(shè)備注銷、設(shè)備配置、打開設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備及針對(duì)不同類型的設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制。

服務(wù)對(duì)象調(diào)度層：分為驅(qū)動(dòng)服務(wù)對(duì)象、系統(tǒng)控制對(duì)象、業(yè)務(wù)服務(wù)對(duì)象三部分。其中驅(qū)動(dòng)服務(wù)對(duì)象主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)配置、設(shè)備登記管理、設(shè)備配置等，通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理調(diào)度完成終端設(shè)備的注冊(cè)請(qǐng)求、連接請(qǐng)求、安全認(rèn)證、讀寫數(shù)據(jù)等；業(yè)務(wù)服務(wù)對(duì)象主要實(shí)現(xiàn)服務(wù)本地命名、服務(wù)線程池、服務(wù)日志及對(duì)外發(fā)布API函數(shù)，通過(guò)業(yè)務(wù)服務(wù)管理調(diào)度完成業(yè)務(wù)應(yīng)用層與設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)控制對(duì)象主要包含任務(wù)管理器、線程池管理、內(nèi)存管理、性能監(jiān)控及系統(tǒng)日志等。服務(wù)對(duì)象調(diào)度將所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)、業(yè)務(wù)邏輯等均看作是服務(wù)對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行管理、配置及調(diào)度，完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的傳感網(wǎng)部署接入和分布式實(shí)時(shí)交互業(yè)務(wù)處理[14]。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：針對(duì)具體物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，提供與應(yīng)用系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)交互方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

2 實(shí)現(xiàn)方案

設(shè)備驅(qū)動(dòng)層：由于接入中間件的底層設(shè)備不同所上傳的數(shù)據(jù)格式也不同，為了向上層應(yīng)用屏蔽底層設(shè)備差異，需要在設(shè)備驅(qū)動(dòng)層解析傳輸協(xié)議，統(tǒng)一化數(shù)據(jù)格式。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層提供統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接口IDriver，通過(guò)定義標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)通信接口，中間件利用反射技術(shù)動(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)DLL實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)，終端設(shè)備與上層數(shù)據(jù)交互由驅(qū)動(dòng)協(xié)議內(nèi)部完成，形成XML數(shù)據(jù)文件，最終通過(guò)統(tǒng)一接口方法傳遞給中間件。

對(duì)于設(shè)備的配置和數(shù)據(jù)解析要通過(guò)采用讀取XML配置文件的方式，采用配置文件的好處是可以保證在不修改代碼的前提下，通過(guò)修改配置文件可以達(dá)到調(diào)整功能的目的，并方便以后進(jìn)行功能擴(kuò)展[15]。設(shè)備在接入中間件后，首先分配給每個(gè)設(shè)備一個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，然后針對(duì)不同的設(shè)備調(diào)用不同的數(shù)據(jù)解析方式，完成數(shù)據(jù)安全認(rèn)證和校驗(yàn)，而后通過(guò)配置數(shù)據(jù)過(guò)濾模式將數(shù)據(jù)進(jìn)行不同層次的過(guò)濾，再通過(guò)XML轉(zhuǎn)化模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為XML格式。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)層數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖2所示。

圖2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)層數(shù)據(jù)處理過(guò)程

服務(wù)對(duì)象調(diào)度層：是中間件的核心部分，把設(shè)備驅(qū)動(dòng)和業(yè)務(wù)都看做服務(wù)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)、驅(qū)動(dòng)及設(shè)備服務(wù)的管理和調(diào)用。當(dāng)設(shè)備接入中間件后，配置相應(yīng)驅(qū)動(dòng)及業(yè)務(wù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并把設(shè)備信息也保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。啟動(dòng)中間件后，自動(dòng)獲取驅(qū)動(dòng)表、設(shè)備表和業(yè)務(wù)表，實(shí)例化相關(guān)對(duì)象，自動(dòng)調(diào)用驅(qū)動(dòng)和業(yè)務(wù)層中的各個(gè)方法事件。

中間件驅(qū)動(dòng)服務(wù)層定義了接收驅(qū)動(dòng)層事件的相應(yīng)方法，設(shè)備連接方法Connect()，設(shè)備斷開方法DisConnect()，獲取設(shè)備狀態(tài)GetStatus()，讀取數(shù)據(jù)ReadData()，寫入數(shù)據(jù)WriteData()，這些函數(shù)負(fù)責(zé)接收驅(qū)動(dòng)層的相應(yīng)事件，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至業(yè)務(wù)層接口。業(yè)務(wù)層處理后返回到驅(qū)動(dòng)層，通過(guò)驅(qū)動(dòng)層下發(fā)到設(shè)備。同時(shí)在這些方法和事件中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。業(yè)務(wù)服務(wù)層定義了接收業(yè)務(wù)層事件的方法，設(shè)備參數(shù)設(shè)置方法Setup()，ProcessResult()負(fù)責(zé)接收業(yè)務(wù)執(zhí)行處理結(jié)果，GetAndSendWait-Cmd()負(fù)責(zé)接收業(yè)務(wù)層下發(fā)的待發(fā)指令列表，并在函數(shù)內(nèi)按照預(yù)先定義的指令類型，將指令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)函數(shù)，由相應(yīng)函數(shù)具體執(zhí)行。

業(yè)務(wù)服務(wù)層工作流程如圖3所示。

業(yè)務(wù)層：負(fù)責(zé)直接與上層應(yīng)用交互，由于上層可能有許多應(yīng)用，要是每個(gè)應(yīng)用都可以調(diào)用中間件的數(shù)據(jù)，必須要定義標(biāo)準(zhǔn)的外發(fā)布API函數(shù)。中間件需要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有業(yè)務(wù)的無(wú)差別調(diào)用，所以不同業(yè)務(wù)都必須繼承統(tǒng)一接口方法，定義為IBusiness接口類方法。此接口向上層應(yīng)用暴露三個(gè)功能：設(shè)備參數(shù)配置調(diào)用，發(fā)送命令，獲取數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)服務(wù)層利用反射技術(shù)動(dòng)態(tài)加載業(yè)務(wù)層DLL。

經(jīng)過(guò)中間件的一些數(shù)據(jù)需要直接被應(yīng)用調(diào)用，另一些數(shù)據(jù)可能需要進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)保存，還要定義一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)接口。緩存后的XML文件進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾操作后批量入庫(kù)[16]，數(shù)據(jù)過(guò)濾操作需由上層應(yīng)用調(diào)用API的相關(guān)配置，這樣可以減少冗余數(shù)據(jù)，同時(shí)不用針對(duì)每條RFID數(shù)據(jù)都對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相關(guān)的入庫(kù)操作，盡量減少數(shù)據(jù)庫(kù)連接和斷開，節(jié)省資源。

圖3 業(yè)務(wù)服務(wù)層工作流程

3 應(yīng)用實(shí)例

該案例實(shí)現(xiàn)了基于中間件的工廠車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)分為上位機(jī)部分和下位機(jī)部分。上位機(jī)部分包括：環(huán)境監(jiān)控頁(yè)面、中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)。下位機(jī)部分包括：網(wǎng)關(guān)、ZIGBEE設(shè)備兩臺(tái)、傳感器采集模塊、傳感器控制模塊。

通過(guò)ZIGBEE終端節(jié)點(diǎn)采集溫室環(huán)境信息，組網(wǎng)無(wú)線發(fā)送到ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到中間件。中間件負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將溫度、濕度和煙霧數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)化成相同格式的XML數(shù)據(jù)，直接供監(jiān)控頁(yè)面應(yīng)用調(diào)用。監(jiān)控頁(yè)面通過(guò)調(diào)用中間件的API函數(shù)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置和發(fā)送命令。中間件收到命令數(shù)據(jù)后，對(duì)命令進(jìn)行解析，按照預(yù)先規(guī)定的協(xié)議格式，在驅(qū)動(dòng)層將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)上，中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)將設(shè)置的信息發(fā)送給ZIGBEE終端設(shè)備。終端設(shè)備根據(jù)收到的命令操作控制模塊：繼電器控制加熱設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備。

基于中間件的工廠車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)見圖4。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的中間件介于感知設(shè)備與上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間，采用SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有粗粒度、松耦合的特點(diǎn)，滿足了物聯(lián)網(wǎng)多種設(shè)備接入、支持多個(gè)應(yīng)用的需求。實(shí)現(xiàn)多類型感知設(shè)備的接入管理。每個(gè)設(shè)備可靈

圖4 基于中間件的工廠車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

活指定為特定應(yīng)用系統(tǒng)提供信息服務(wù)；擺脫物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備非標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，帶來(lái)的開發(fā)、維護(hù)和擴(kuò)展的限制。最后通過(guò)具體案例驗(yàn)證了上述功能。

[1] 吳功宜.物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2] Wolf W.Cyber-physical systems[J].Computer,2009,42(3):88-89.

[3] Cha I,Shah Y,Schmidt A U,et al.Trust in M2M communication[J].IEEE Vehicular Technology Magazine,2009,4(3):69-75.

[4] Bardram J,Friday A.Ubiquitous computing systems[M].[s.l.]:CRC Press,2010:37-94.

[5] Koshizuka N,Sakamura K.Ubiquitous ID:standards for ubiquitous computing and the internet of things[J].IEEE Pervasive Computing,2010,9(4):98-101.

[6] 朱曉榮,孫 君,齊麗娜,等.物聯(lián)網(wǎng)[M].北京:人民郵電出版社,2010:32-33.

[7] 萬(wàn)知之.綜合傳感網(wǎng)業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)分發(fā)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京:東南大學(xué),2014.

[8] 鄭紅剛.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展綜述[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2014(11):684-685.

[9] 丁一鳴.物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)表示與選擇機(jī)制的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京郵電大學(xué),2013.

[10] 張 浩.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能交通系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)及架構(gòu)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2011.

[11] 魏 歌.不同物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的分層標(biāo)準(zhǔn)的研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2015,25(1):221-225.

[12] 朱洪波,楊龍祥,于 全.物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)思想與應(yīng)用策略研究[J].通信學(xué)報(bào),2010,31(11):2-9.

[13] 楊 慧,丁志剛,鄭樹泉,等.一種面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2013,30(5):65-67.

[14] 范小興.SMO物聯(lián)網(wǎng)中間件平臺(tái)系統(tǒng)[J].福建質(zhì)量管理,2011(6):62-63.

[15] 王 凡.基于ZIGBEE和RFID的物聯(lián)網(wǎng)中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2011.

[16] 鄧海生,李軍懷.RFID中間件研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2008,18(11):55-57.

Overall Architecture of an IoT Middleware Based on Intelligent Park

ZHU Guang-ping,HUANG Xi

(College of Photonic and Electronic Engineering,Fujian Normal University, Fuzhou 350007,China)

With the development of IoT technology and the publishment of “Made in China 2025”,the IoT application pattern,such as intelligent plant,intelligent workshop and intelligent production line,has caused more and more attention.In intelligent manufacturing,many types of devices access the IoT and the data formats are not uniform,so it’s necessary to introduce a middleware when the up-level applications have to read the data and control the devices.A service-oriented middleware model is designed which is built on the background of intelligent park with the above characteristics.The middleware is responsible for the information exchange between the sensing devices and the up-level application,and sends the application commands to the devices to achieve real-time management,and also offers a promising solution for embedded intelligent devices with heterogeneity to be accessible in IoT.Moreover,an application example is introduced to explain the working principle and application methods of the middleware.

Internet of Things;middleware;service-oriented;architecture

2016-01-15

2016-06-02

時(shí)間：2017-01-10

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013H6008)

朱廣萍(1990-)，女，碩士，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)；黃 晞，副教授，碩士，研究方向?yàn)橹悄芗夹g(shù)及機(jī)器人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信與控制技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.0941.016.html

TP31

A

1673-629X(2017)02-0171-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.02.039