面向信息資源聚合的物聯網智能信息中心框架*

楊冬菊,林紹福,張 程

(1.北方工業大學云計算研究中心,北京 100041;2.北京工業大學,北京 100124；3.中國科學院計算技術研究所,北京 100190 )

1 引言

物聯網是繼計算機、互聯網和移動通信之后引發新一輪信息產業浪潮的核心領域[1]。一般地，人們認為物聯網是互聯網向物理世界的延伸，它通過傳感設備感知物品狀態，并對感知的信息實施智能分析與處理，從而實現對物品行為的反饋控制[2]。其中，“感知”是基礎，“智能”是核心，“反饋控制”是最終目標。

物聯網產業鏈較長，涉及多個環節。以精準農業[3]中的櫻桃生產為例，除了櫻桃的種植、收獲，還涉及銷售、加工、存儲、運輸等諸多環節，只有這些環節之間形成通路、彼此信息聯通，才能為用戶提供必要的食品安全、質量保障[4]。然而，目前的物聯網應用建設存在幾個趨勢或現象，對形成支撐全產業鏈的信息通路形成了阻礙。一方面，應用建設分散、缺乏體系。“批發”建設數量眾多、彼此獨立是目前物聯網應用建設的一個主要特點，絕大多數應用項目以閉環應用為主，應用之間缺乏聯通渠道，以多部門、多用戶、多業務流程等為特征的重大綜合應用尚處于起步和探索階段；另一方面，重復建設現象嚴重。隨著大量獨立物聯網應用的建設，正逐漸出現傳感設備的重復放置、傳感數據的重復采集、分析處理模塊重復開發、服務器等硬件設備重復采購等物聯網重復建設問題，缺乏有效的共享共用正成為阻礙物聯網后續發展的嚴重問題。

面對上述挑戰，打造一種新型信息化基礎設施，一方面對各類物聯網應用及感知設備獲取的各類數據進行統一存儲、組織及管理；另一方面建立統一的集成應用支撐環境，將設備的接口和數據標準化、將一些通用的數據處理、分析等公共模塊以服務方式抽取出來，依托這些設備及數據快速構建應用，為物品的感知、信息的共享與智能分析、反饋控制應用的構造提供支撐。立足于上述認識，本文將在分析物聯網架構及相關工作基礎上，以農產品生產、流通、銷售為背景，分析物聯網應用存在的問題及需求，提出面向信息資源聚合的物聯網智能信息中心框架IRC4IOT(Intelligent Resource Center for Internet of Things)，重點討論傳感設備的標準化封裝及接入、信息資源的一體化管理等關鍵技術，并以食品安全保障為場景，探討了智能信息中心的使用模式，為感知、分析、控制提供基礎保障。

2 物聯網架構及相關工作

2.1 物聯網架構

為了實現不同應用之間以及不同物品之間的資源共享和復用，本文將通用、公共的信息處理部分獨立出來，作為物聯網基礎設施在多個應用之間共用。所以，本文將物聯網架構劃分為四個層次：感知層、傳輸層、智能層和應用層，分別承擔“感”、“傳”、“智”、“用”的任務。具體如圖1所示。

Figure 1 Architecture of Internet of Things圖1 物聯網技術架構示意圖

(1)感知層。感知層主要負責識別物體、采集信息，以及對物品實施反饋控制。通過設置二維碼標簽和識讀器、RFID[5]]標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、終端等傳感設備，實現對被感知目標的低成本、可靠的感知[6]。不同的傳感器輸出的信號類型、使用的傳輸接口、生成的數據格式都不盡相同，面對物聯網所期望的物物相聯、共享并交換信息的目標，如何規范化各種傳感器的輸出數據，讓使用者能夠識別這些數據是一項重要工作。當前通用的解決思路是對傳感器的輸出進行包裝，產生規范化的數據。在這方面，目前最典型的工作是意大利人發起的一個開源項目Arduino[7]，從傳感的角度看，該設備可以連接具有不同類型傳輸接口(并口、串口、USB口等等)的傳感器，配合另一個開源項目Processing提供的數據處理軟件包，能夠將傳感器輸出的信號封裝成擴展的環境標記語言EEML格式的數據，并將這些數據作為一個Restful服務向Internet發布。

(2)傳輸層。傳輸層主要負責信息傳遞。使用的技術主要包括：各種通信網絡、無線專網、互聯網的融合網絡，目標是能夠滿足大量、實時傳感數據的傳輸需求。目前在物聯網建設中，傳輸網絡的建設通常采用兩種方式：一種是由電信、移動、聯通三大運營商提出的3G+WLAN組網模式；另一種是利用Wi-Fi技術組建的無線寬帶接入網絡。

(3)智能層。智能層主要通過對傳感信息的動態匯聚、分解、合并等處理和服務，在數字/虛擬空間內創建物理世界所對應的動態視圖[8]。一方面，對物聯網建設中涉及的各類傳感設備進行一體化管理，實現傳感器技術標準的統一，提高傳感器的共享程度，避免傳感信息的重復采集，近年來有很多集中在該領域的相關工作[9,10]；另一方面對感知得到的海量數據和信息提供存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數據決策和行為的基礎服務[11]。

(4)應用層。應用層主要利用分析處理后的信息為用戶提供豐富的特定服務。以農業領域為例，需要針對農副食品安全、智能化培育控制[12]及農業信息服務等熱點領域，創新及建設一批有展示度的農業物聯網示范應用，特別是在多個獨立應用基礎上的增值應用，為生產、收獲、運輸、銷售等環節提供全方位的支持。

2.2 物聯網支撐平臺

從整個物聯網體系來看，底層的傳感器采集數據，經過傳輸網絡傳輸后，要在物聯網支撐平臺進行相應的過濾、加工、處理、分析，形成有價值的信息，才能實現反饋控制，完成對應用的支撐。從系統化角度看，它一方面要能收集、存儲、管理、分析與處理傳感信息，另一方面為上層物聯網應用提供所需的傳感信息；從智能化的角度看，要能夠從海量的、看似無關的實時傳感信息中找出數據之間的同類關系、去除冗余、提取重現模式、發現周期性變化規律等，為預測和決策提供服務。

當前物聯網支撐平臺工作處于起步階段，大致可以分為兩類，一類是以共享傳感設備、共享傳感信息為目標的中間件平臺，典型案例包括Pachube[13]、ioBridge[14]、Sense Networks[15]等；另一類是以傳感器部署及管理、簡化傳感器網絡搭建為目標的物聯網支撐工具，如Mote Runner[16]等。

英國Pachube公司開發的物聯網環境平臺，旨在對環境(比如用戶的家庭環境)作出響應并施加影響。該平臺允許人們給現實世界和虛擬世界中的各種物品、設備、建筑和環境添加標簽，并分享即時獲得的傳感信息[17]。平臺可以與Arduino等開源項目結合，支持多種傳感設備的接入，提供基于GoogleMap和Tag的物品標記與檢索方式，目標明確，易于操作。

ioBridge是總部位于佛羅里達Gainesville的ioBridge公司開發的一個物聯網產品。該產品通過一款能夠連接多種傳感器的電路板，為傳感器、控制器、家庭自動裝置等構建一個DIY網關，用戶無需編程就可方便地搭建自己的物品監控應用。

Sense Networks公司開發了一個叫做Macrosense的平臺，可以接收即時位置信息，并對其進行分析、處理和存儲，以供人們查詢。目前已經利用這個平臺開發了一款叫做Citysense的軟件，允許舊金山的人們即時查看最新的夜生活。

IBM推出的Mote Runner軟件開發工具，采用Eclipse為基礎的虛擬環境和顯示板，它是一個能連接Java等標準程序語言與感應器虛擬機的低復雜度、低耗電量平臺，可以將感應器應用到各種設備、產品和系統，簡化感應器網絡的部署和管理。

3 物聯網智能信息中心框架

以前面提到的櫻桃生產為例，我們重新審視櫻桃的種植、流通、銷售過程。為了保障食品安全，北京市各大超市銷售的櫻桃需要提供其生產、運輸過程的相關信息。顯然，與生產相關的信息來源于農場的各個精準農業系統，與運輸相關的狀態信息來源于運送該產品的物流企業。從計算機科學的視角來分析，這顯然是一個典型的系統間交互與集成的問題。

針對上述需求，本文提出的解決思路如下：對物聯網應用進行系統、成體系的規劃和建設，并通過建設一個能夠支撐邏輯區域內物聯網節點和信息資源的匯聚、一體化管理和服務的物聯網基礎設施，在應用之間形成共建共享的新模式，從而形成一個全面互聯互通的物聯網智能應用網絡。

智能信息中心框架IRC4IOT是上述解決思路的具體體現，它是一個能夠將各類傳感設備、監控數據以及業務數據等資源進行采集、匯聚、管理并支撐應用構建的物聯網基礎設施。圖2以農業領域為例展示智能信息中心框架。如圖2所示，智能信息中心向下接入各種資源，向上支撐各種應用，智能信息中心本身由兩部分構成，分別是信息資源匯聚中心和信息資源應用服務中心：

(1)信息資源匯聚中心。將邏輯區域內布設的各種傳感設備以及設備采集到的農作物生長發育情況，以及指導農民種植的科技信息資源及第三方服務(包括種子及農機具肥料供應信息、農作物需求信息、物流服務信息、加工服務信息等)，提供存儲及管理服務，并通過統一的組織整理，在農場主、專家、管理人員等多類用戶之間共享使用，擴大農業信息資源的利用率及開發利用范圍。

(2)信息資源應用服務中心。根據不同的用戶需求，對匯聚的資源進行綜合加工處理，構造面向農業的各類應用服務，包括作物生長情況查看服務、土壤養分分析服務、土壤濕度分析服務、生長環境信息匯聚及綜合評估、作物產量預測等，并為應用服務的構造提供可靠、高效的共性技術支撐。

Figure 2 Framework of IRC4IOT圖2 智能信息中心框架

3.1 信息資源匯聚中心

信息資源匯聚中心面向農場主、專家、管理人員等多類用戶，提供一個統一的農業信息資源生產、存儲、組織、管理及發布平臺。它一方面支持標準化的方式接入傳感設備、設備采集到的數據、第三方提供的信息服務等各類資源，進行一體化管理；另一方面，以信息資源為基礎，提供幾類應用構造工具，用以支撐應用服務的構造，包括支持四種類型的應用構造：傳感信息匯聚類，Blog、Twitter等嵌入類,臨界預警類以及基于API開發應用等。

Figure 3 Architecture of information resources convergence圖3 信息資源匯聚中心的技術方案

(1)傳感設備的標準化封裝與接入。

由于終端設備種類繁多，捕獲并產生的數據格式各異，這給設備的接入帶來困難。為了標準化多源、異構的終端設備的接入，本文采用Restful Web Service與EEML相結合的方式，作為信息中心與終端設備的標準化接口，并以Internet作為基礎網絡，由設備提供者完成設備接入過程。此過程可以分為三大步驟：第1步，設備提供者將設備進行標準化封裝，并發布到Internet；第2步，信息中心對接入的設備進行編碼標識，第3步，信息中心的設備接入模塊從Internet上收集設備捕獲的數據。

①設備的標準化封裝。使用Arduino設備連接傳感器，再通過Processing 1.0.1[18]開源軟件包編寫一段程序，完成對計算機輸入端口的操作，從Arduino讀入設備捕獲的數據，采用EEML開源軟件包對讀入的數據進行封裝，然后向指定端口發布。Arduino設備標準化封裝示例如下所示：

import processing.serial.*;

import cc.arduino.*;

import eeml.*;

… // 變量定義、類的定義等

void setup() {

println(Arduino.list());

arduino = new Arduino(this, Arduino.list()[0], 115200);//設備初始化

dOut = new DataOut(this, 5210);/*在5210端口發布數據*/

dOut.addData(0,"light sensor, LDR, light level");//數據封裝EEML格式

}

void draw() {

myValue = arduino.analogRead(0); //讀入傳感數據

println(myValue);

}

void onReceiveRequest(DataOut d){

d.update(0, myValue);

}

EEML數據格式示例如下所示：

〈eeml xmlns=http://www.eeml.org/xsd/005 …… 〉 //命名空間

〈environment〉

〈data id="0"〉

〈tag〉light sensor〈/tag〉

〈tag〉light level〈/tag〉

〈tag〉light dependent resistor〈/tag〉

〈value〉238.0〈/value〉

〈unit〉 〈/unit〉

〈/data〉

〈/environment〉

〈/eeml〉

②設備的編碼標識。對設備的標識要符合信息中心的編碼規則，本文遵循國際物品編碼協會(物品編碼的國際標準化組織)和中國物品編碼中心(標準化組織在我國的分支機構)制定的規范，物品編碼結構由編碼體系標識和主體代碼構成。在這里，編碼體系標識為六位十進制全數字代碼，與國家物品編碼管理機構對特定物品編碼系統分配的標準登記號相一致。主體代碼由物品分類代碼、物品名稱代碼和物品屬性代碼(包括屬性、屬性值及其代碼)三部分組成。其中，物品分類代碼是依據物品通用功能和主要用途進行的分類和代碼化表示；物品名稱代碼是對物品名稱的唯一的、無含義的標識；物品屬性代碼是對物品本質特征屬性的描述及代碼化表示。

③設備數據的讀入。按標準化接口的規定，采用服務調用的方式讀入設備捕獲的數據，示例代碼如下所示：

private static void printUserByURI() {

Response getResponse = new Client(Protocol.HTTP).get(“http://IP:5210/”);

if (getResponse.getStatus().isSuccess()) {

DomRepresentation result = getResponse.getEntityAsDom();

… //文檔解析

} else {

System.out.println("unexpected status:"+ getResponse.getStatus());

} // end else

} //end

由于傳感信息實時變化，信息中心需要按一定的更新策略對讀入數據進行更新，本方案中提供兩種更新策略：手動更新和自動更新。手動更新是指由用戶發出指令，主動調用服務資源得到當前時刻的數據，這里的用戶可以是人或應用。自動更新是由系統按固定的時間間隔，不斷地讀入新數據，更新時間間隔由設備提供者根據設備特點，在接入的時候指定。

(2)信息資源一體化管理。

為了有效使用多個來源、多種格式的數據，需要對這些資源進行一體化管理，其基本思路包括：首先建立感知對象描述模型，以感知對象為核心，對元數據、采集到的感知數據等各類信息資源進行組織管理。

感知對象模型規定了每個對象在信息中心的表現形式。在現實應用中，對對象的使用體現在對對象屬性的操作上，而對象屬性具備多樣性和擴展性，以一個蔬菜大棚作為感知對象為例，具有位置、尺寸、所有人等靜態屬性，同時具有溫度、濕度、光照度等從傳感設備獲得的動態屬性。為此，本文定義感知對象由編碼、名字和屬性集合三部分構成。其中，編碼用于唯一地標識一個對象。名字是該對象可理解的描述。屬性集合要囊括對象的所有屬性，包括三大類：固有靜態屬性、動態屬性和對象關聯屬性。對象的固有靜態屬性來源于對象的固有性質，不同的對象具有不同的靜態屬性，對象靜態屬性的值由對象管理者提供；對象的動態屬性來源于描述隨時間而變化的對象狀態的信息，不同的對象具有不同的動態屬性。對象的動態屬性的值來源于對象管理者提供的傳感設備；對象關聯屬性描述對象之間的“包含”或“屬于”關系，“包含”關系指該對象中存在另一個對象，“屬于”關系指該對象存在于另一個對象之中，對象關聯屬性的值由對象管理者提供。上面所述的對象模型可以采用如下方式描述：

感知對象 ={編碼，名字，{靜態屬性集，動態屬性集，關聯屬性集} }

一個簡單的對象模型的示例如下所示：

〈Thing id="***********02" name="***蔬菜大棚"〉

〈attribute name="位置" style="basic" value="海淀區***"/〉

〈attribute name="尺寸" style="basic" value="2000cm*300cm*150cm"/〉

〈attribute name="所有人" style="basic" value="張三"/〉

〈attribute name="溫度" style="service" value="http://address1/"/〉

〈attribute name="濕度" style="service" value="http://address2/"/〉

〈attribute style="thing" id="***********01"/〉

〈/Thing 〉

值得一提的是，對象關聯屬性進一步擴展并輔之以對復雜關聯關系的解析，就可以形成多個對象之間的環境模型，這里只是留下擴展的接口；另外，對象信息的實時性保證等關鍵問題涉及到和存儲、數據分析等模塊的交互與配合，這些都是下一步工作的重要內容。

對信息資源的組織方面，本文設計了多種組織方式，包括以感知對象、感知對象的屬性、感知設備、感知對象的生命周期以及用戶等多維度的數據組織方式；在技術實現上，包括基于Tag的組織與呈現方式、基于GoogleMap的組織與呈現方式、基于監控對象的組織與呈現方式，以及用戶個性化的組織與呈現方式等。

(3)信息資源的開發利用。

資源匯聚中心對外提供應用開發工具，支持四類物聯網應用的開發，分別是：傳感信息匯聚類、Twitter嵌入類、臨界報警類和用戶自定義類。

在構造應用時，首先利用資源呈現界面或接口找到資源，使用開發工具構造應用，其中前三類應用通過在Web頁面上的鼠標拖拽、點擊，以及對頁面的配置，實現應用的構造。用戶自定義類應用是指用戶將中間件提供的API(主要是訪問傳感信息的API)嵌入到自己的應用程序或腳本中而形成的應用，主要面向具備Web應用開發能力的用戶。

3.2 信息資源應用服務中心

根據物聯網的建設和應用需求，以匯聚的信息資源為基礎，對其進行加工和綜合處理，構造各類應用服務，例如作物生長情況查看服務、土壤養分分析服務、土壤濕度分析服務、生長環境信息匯聚及綜合評估、作物產量預測等，并為應用服務的構造提供可靠、高效的共性技術支撐，以滿足不同層次不同職責范圍人員的業務需求。目前系統中構造的應用服務可以分為三類：

(1)實時監控類應用：通過傳感設備獲取的實時動態信息，對作物生長、加工、儲運、銷售等環境的單項監控或綜合監控。以櫻桃生產監控為例，在智能信息中心界面上，將櫻桃地塊上布設的所有傳感器拖拽到一個單獨的窗口中，就可以實時監控傳感器動態采集的數據。

(2)統計分析類應用：以智能信息中心的數據為基礎，可以構造統計分析類應用。又可以分為兩類，一類是基于監控數據的分析，其中預警服務是典型的基于監控數據的統計分析類應用，通過定制業務規則和標準，一旦監控數據出現異常，將通過短信等方式進行預警；另一類是基于歷史數據的統計分析，通過對智能信息中心中存儲的歷史數據進行分析，可以分析預測趨勢、輔助決策等等，如產量預估、作物選擇、生長模型修正等都屬于這類服務。

(3)共享協作類應用：為滿足一些復雜的業務需求，將相關設備、數據進行關聯及無縫集成。以食品安全為例，涉及生產、流通、銷售等多個環節中不同的企業，從消費者或者監管部門來看，生產過程中使用的農藥量、運輸過程中的溫度控制情況等都是他們所關心的，所以將這些相關數據聯系起來，提供面向終端用戶或者監管部門的食品溯源服務，才能實現食品安全保障的目標。

4 場景示例

場景：為了提高食品安全保障，某超市需對銷售的櫻桃提供以下信息：生產過程中農藥施用的信息和運送過程中的貯藏溫度信息。以某農業示范基地生產的櫻桃為例，在生產過程中，農業基地使用自動施肥系統，根據藥物濃度傳感器捕獲的信息控制施肥的數量；運輸過程由物流公司使用保溫車完成，其中使用自動恒溫控制系統，通過溫度傳感器實時捕獲車內貯藏室的溫度，并自動調節；按前面提到的食品安全保障要求，為提高信息的真實性，超市需從農業基地的自動施肥系統和物流公司的恒溫控制系統中分別獲取原始的施肥和溫控信息。

物聯網IRC4IOT為滿足上述需求在基礎設施層面提供支撐。一方面，IRC4IOT讓各個企業發布自己的傳感數據成為可能；另一方面，IRC4IOT為不斷變化的集成需求提供方便的操作手段，具體操作過程如圖4所示。在物聯網IRC4IOT的支持下，可以更加方便地實現應用之間的動態交互與集成，按上面場景，操作模式如下：(1)傳感設備的發布由企業自主完成，農業基地、物流公司等各企業將傳感數據發布到IRC4IOT中，傳感數據由IRC4IOT托管，省去了自己購買設備、組織人力、后期維護等繁瑣操作；(2)物聯網IRC4IOT對發布的資源統一管理，呈現給使用者；(3)按需集成，超市的工作人員根據進貨渠道，選擇相關企業的共享設備，直接得到所需信息。在這種操作模式下，無法集成的系統將逐步被淘汰。

Figure 4 Application of IRC4IOT圖4 IRC4IOT應用示例

這種操作模式的好處主要體現在如下兩點：

(1)實現了傳感數據的發布與共享，與Web上發布文檔相比，Web實現了對文檔、音頻、視頻等資源的發布與共享，在物聯網IRC4IOT的支持下，發布與共享的資源進一步擴展到普通物品的相關信息。

(2)對共享資源任意組合，集成相應的信息，適應動態的集成需求。以某超市的農產品采購為例，在IRC4IOT的支撐下，可以隨機集成所選合作伙伴的相關信息。

5 結束語

本文緊緊圍繞自動感知、智能處理和反饋控制三個物聯網基本要素，以打造物聯網信息化基礎設施的思路，提出了一個面向信息資源聚合的物聯網智能信息中心框架，通過對多源、分布、異構資源的匯聚、整合、分析與再加工，促進物聯網資源的廣泛共享和高效使用。并重點討論了傳感設備的標準化封裝與接入、信息資源的一體化管理等關鍵技術，最后通過在農業物聯網中的應用示例分析了該框架的效果。

物聯網智能信息中心框架使得物聯網應用不再直接面對底層的傳感設備，而是搭建在提供共享設備、數據及公共服務的物聯網基礎設施之上，既能有效避免重復建設、確保應用之間互聯互通，又能通過服務的重用極大地提高應用的構建速度和質量。該方案改變了傳統物聯網應用的生產方式，探索了一種搭建物聯網應用的新模式。

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