0 引言

物聯(lián)網(wǎng)IoT（Internet of Things）是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡［1］。物聯(lián)網(wǎng)是應用信息通信技術的最新產(chǎn)物，是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后引發(fā)新一輪信息產(chǎn)業(yè)浪潮的核心領域，已成為國際新一輪信息技術競爭的關鍵點和制高點。

物聯(lián)網(wǎng)應用領域可全面覆蓋市政管理、公共安全、智能交通、能源公用、智能家居、金融和商業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)和制造、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等多個方面的市政管理與公共管理領域。大量、迫切的物聯(lián)網(wǎng)應用需求帶來物聯(lián)網(wǎng)應用支撐平臺的機遇和強烈需求，物聯(lián)網(wǎng)應用支撐平臺可實現(xiàn)各種標簽和傳感器等感知元件與應用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、過濾、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，具有統(tǒng)一的傳感信息接入標準，具有對傳感信息進行身份認證和安全傳輸?shù)哪芰?。物?lián)網(wǎng)應用中間件就是在企業(yè)應用系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應用感知層感知元件間數(shù)據(jù)流入和數(shù)據(jù)流出和對其進行管理的軟件，是連接和管理感知層和上層應用系統(tǒng)的紐帶，使用戶能夠?qū)⒏兄獙硬杉臄?shù)據(jù)應用到業(yè)務過程中［2］。物聯(lián)網(wǎng)應用中間件是物聯(lián)網(wǎng)應用支撐平臺關鍵，其扮演感知元件和應用程序之間的中介角色。在存儲感知元件信息的數(shù)據(jù)庫軟件或后端發(fā)生變化，如應用程序增加、改由其他軟件取代或者讀寫感知元件種類增加等情況發(fā)生時，應用端無需修改或只需做簡單修改就能處理，節(jié)省多對多連接的維護復雜性問題。物聯(lián)網(wǎng)應用中間件組件設計主要分為感知層終端設備組件設計、中間件網(wǎng)關層組件設計及服務端組件設計。其中，感知層終端設備的設備驅(qū)動程序是實現(xiàn)標準化設計的關鍵，中間件網(wǎng)關層組件設計是系統(tǒng)工作運轉(zhuǎn)的核心。

本文提出了一種面向服務的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關中間件的設計實現(xiàn)方式。在典型的物聯(lián)網(wǎng)應用場景中，物聯(lián)網(wǎng)應用中間件通過其感知元件管理功能對感知層各感知元件進行識別、建立應用路由并控制讀寫，接收感知層發(fā)送的數(shù)據(jù)并進行清洗和事件分析，向上層應用傳遞清洗和篩選后的數(shù)據(jù)或事件信息。可利用網(wǎng)關組件建立與感知元件間透明的、標準的對話模式。

1 物聯(lián)網(wǎng)中間件應用模型設計

物聯(lián)網(wǎng)應用中間件從下往上分為三層，分別為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層以及上層應用接口層，其示意圖［3］如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集層：為底層不同的數(shù)據(jù)采集設備提供適配、管理以及異構數(shù)據(jù)解析的功能。

（2）數(shù)據(jù)處理層：對數(shù)據(jù)采集層傳回的物聯(lián)網(wǎng)元數(shù)據(jù)進行處理并根據(jù)事先配置的業(yè)務規(guī)則，生成上層應用能直接使用業(yè)務事件數(shù)據(jù)，交由上層應用使用。其中數(shù)據(jù)隊列管理組件對采集的數(shù)據(jù)提供緩存服務;數(shù)據(jù)過濾引擎通過元事件匹配規(guī)則對數(shù)據(jù)采集層傳回的初始數(shù)據(jù)進行去冗余操作，并生成元事件隊列;復雜事件處理組件通過查詢業(yè)務規(guī)則，使用基于有限自動機和活動實例棧的方法來檢測和處理復雜事件;業(yè)務規(guī)則配置組件提供靈活的業(yè)務配置管理機制，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用中間件的可配置、可擴展性。

（3）上層應用接口層：為上層應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一接口支持，如消息管理、事件管理、業(yè)務規(guī)則配置、應用管理等，屏蔽物聯(lián)網(wǎng)應用中間件內(nèi)部更改對外圍應用的服務產(chǎn)生的耦合依賴。

物聯(lián)網(wǎng)中間件的技術實現(xiàn)通過網(wǎng)關層組件將各種感知設備的數(shù)據(jù)采集并進行處理整合到網(wǎng)關，并經(jīng)過網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)封裝并傳遞給上層應用［4］，詳見圖2。

2 網(wǎng)關層組件設計

網(wǎng)關層組件是物聯(lián)網(wǎng)應用中間件的關鍵組件，它既要將服務器端發(fā)來的數(shù)據(jù)發(fā)送至感知層交互，又要將感知層采集的數(shù)據(jù)傳輸至服務器端。網(wǎng)關層的運轉(zhuǎn)機制數(shù)據(jù)傳輸至關重要。整個網(wǎng)關應用的設計都是以事件驅(qū)動進行設計的，事件驅(qū)動是整個數(shù)據(jù)采集和流轉(zhuǎn)關鍵所在，同時，設備管理設計是實現(xiàn)終端設備統(tǒng)一化管理的關鍵，設備驅(qū)動程序提供設備的統(tǒng)一化接口和設備IP化的標準。網(wǎng)關層組件設計重點是運轉(zhuǎn)引擎和設備管理驅(qū)動程序設計，如圖3所示。

2.1 設備管理

設備管理是對計算機的I/O系統(tǒng)的管理，其主要功能為［5］：

（1）選擇和分配I/O設備進行數(shù)據(jù)傳輸操作;

（2）控制I/O設備與CPU（或內(nèi)存）之間交換數(shù)據(jù);

（3）為用戶提供一個友好的接口，把用戶和設備硬件特性分開，使得用戶在編制應用程序時不必涉及具體設備，由系統(tǒng)按用戶的要求來對設備的工作進行控制。

（4）提高設備與設備之間、CPU與設備之間以及進程與進程之間的并行操作程度，使操作系統(tǒng)獲得最佳效率。

設備控制器是CPU與I/O設備之間的接口，它接收從CPU發(fā)來的命令并控制I/O設備工作。設備控制器是一個可編址設備，當它僅控制一個設備時，它只有一個惟一的設備地址;當它控制多個設備時，則應具有多個設備地址，使每一個地址對應一個設備。設備控制器由三部分組成，如圖4所示。

網(wǎng)關設備管理主要是管理物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關內(nèi)的所有設備，包括：網(wǎng)關設備、近程接入網(wǎng)絡設備及感知設備。設備管理分為設備地址管理、設備屬性管理和設備注冊與注銷管理。

2.2 接口管理

接口管理是通過設置I/O通道實現(xiàn)，設置I/O通道的目的是使一些原來由CPU處理的I/O任務轉(zhuǎn)由通道來承擔，從而把CPU從繁雜的I/O任務中解脫出來。

在設置了通道后，CPU只需向通道發(fā)送一條I/O指令。通道在收到該指令后，便從內(nèi)存中取出本次要執(zhí)行的通道程序，然后執(zhí)行該通道程序。僅當通道完成了規(guī)定的I/O任務后，才向CPU發(fā)中斷信號。

I/O控制方式分為程序I/O方式、中斷驅(qū)動I/O控制方式和DMA控制方式。

網(wǎng)關層組件接口管理采用多通路I/O系統(tǒng)及中斷驅(qū)動I/O控制的方式，從而使進程要啟動某個I/O設備工作時能實現(xiàn)CPU與I/O設備并行操作。

2.3 邏輯處理引擎

邏輯處理引擎的主要功能是當一個設備事件觸發(fā)后根據(jù)數(shù)據(jù)等因素觸發(fā)其他設備的事件，邏輯引擎根據(jù)預先配置好的配置文件里的邏輯流程處理設備的相關邏輯。

邏輯流程可以根據(jù)業(yè)務配置，并把邏輯流程以JSON格式存入配置文件中。格式為：邏輯ID={邏輯判斷條件，觸發(fā)設備地址}。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的邏輯處理主要針對該網(wǎng)關內(nèi)的設備相關邏輯處理，網(wǎng)關間和復雜的邏輯處理都交由服務端應用層進行處理。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關邏輯處理流程［6］如圖5所示。

2.4 運轉(zhuǎn)引擎

運轉(zhuǎn)引擎是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關層組件運轉(zhuǎn)的核心組件，整個應用中間件是以事件驅(qū)動為動力、運轉(zhuǎn)引擎任務處理為核心的運轉(zhuǎn)體系。運轉(zhuǎn)引擎具有多線程并發(fā)處理、多任務調(diào)度處理、優(yōu)先級處理、自動伸縮線程池和接口對接的特點。

運轉(zhuǎn)引擎需要調(diào)度處理各個模塊產(chǎn)生的任務，具體包括事件處理任務、數(shù)據(jù)處理任務、邏輯處理任務、數(shù)據(jù)傳輸任務、指令處理任務、配置管理任務等。

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)中間件網(wǎng)關設計是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作運轉(zhuǎn)的核心，物聯(lián)網(wǎng)中間件網(wǎng)關層組件的設計是通過分析最下層感知設備（主要包括標簽類設備、計量類傳感器及開關狀態(tài)量傳感器等）的特點，充分發(fā)揮網(wǎng)關層組件的作用，通過設備管理的驅(qū)動程序、運轉(zhuǎn)引擎、邏輯引擎、連接池、事件處理引擎等技術將底層設備統(tǒng)一化管理，使得當感知設備信息的數(shù)據(jù)庫軟件或后端發(fā)生變化情況發(fā)生時，應用端無需修改或只需做簡單修改就能處理，節(jié)省多對多連接的維護復雜性問題。同時形成傳感信息統(tǒng)一接入規(guī)范，解決物聯(lián)網(wǎng)領域產(chǎn)品眾多、標準不統(tǒng)一的問題。