一種面向移動智能設備的物聯網中間件服務模型

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一種面向移動智能設備的物聯網中間件服務模型

0引言

2010年以來，由蘋果、谷歌和三星等公司引領的移動智能設備呈現出爆發式的增長態勢，使得傳統面向桌面計算機的應用系統開發不可避免地向更方便快捷的移動智能設備領域傾斜。物聯網和移動互聯網融合的應用前景集中在移動智能設備與物聯網感知節點通信帶來的一系列更加智能、便利的控制場景，實現隨時隨地對感知設備的狀態進行監測和遠程控制[1]。“面向移動智能設備的物聯網中間件服務模型”以安卓智能移動設備為監測和控制工具，考慮到不同行業需求，通過統一配置，提供具備標準接口、具有高兼容性和擴展性的軟硬件集成模塊，使移動應用開發者專注于業務本身，而無需關注復雜的物聯網技術實現過程。該模型可以有效服務工業、農業、電力、交通、物流、安防、環保和消費等領域的細分市場。

1國內外研究現狀和趨勢

從功能角度抽取的物聯網體系結構一般包含感知、傳輸、處理和執行等部件，分為“后端集中式”和“前端分布式”兩大類型[2]。相對于由純軟件構成的“后端集中式”應用服務中間件，“前端分布式”嵌入式中間件具有應用部署成本低、部署方式靈活的特點，更接近數據產生的源頭，有利于降低網絡中數據通信量，改善物聯網應用的網絡狀況。

許多有關物聯網中間件的研究都是面向無線傳感器網絡(wireless sensor networ,WSN)的。根據WSN中間件的編程方式，可以分為基于虛擬機、基于移動代理、基于數據庫、基于應用驅動、面向消息、基于元組空間等設計方法[3]。提出的多種設計方法分別針對不同的技術實現，目前暫不存在明確、統一的物聯網中間件體系結構。

利用會話初始協議(session initiation protocol,SIP)[4]、STUN[5]協議、TURN[6]協議和ICE[7]協議等協議，來構建嵌入式中間件與移動智能設備之間數據傳輸通道。SIP協議由IETF于1999年提出，在傳輸層TCP或UDP之上傳送；STUN協議和TURN協議以及綜合了兩者特點的ICE協議提供了穿越網絡地址轉換(network address translation,NAT)的可能。ZigBee 和WiFi是使用廣泛的兩種短距離無線通信協議標準。2000年12月，IEEE 802.15.4工作組成立，致力于定義一種廉價、固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率雙向無線連接技術，ZigBee是這種技術的商業化命名,它已經成為事實上的WSN工業標準。WiFi技術聯盟成立于1999年，制定的標準對應于IEEE 802.11。WiFi規定了協議的物理層和媒體接入控制層，并依賴TCP/IP作為網絡層。基于ZigBee等協議的WSN可以連接WiFi網絡，實現互聯網訪問。

2中間件設計和實現

本文設計的物聯網中間件服務模型向上與移動智能設備交互、向下與WSN接口，實現WSN協議和TCP/IP協議的格式轉換、節點統一管理以及向移動設備提供服務等功能。這樣的設計方案融合了應用層移動設備和底層傳感設備的接入和管理需求，在智能主機即嵌入式網關處理WSN信息的匯聚、上傳和移動端設備服務消息的下達。

2.1系統架構

物聯網中間件服務模型系統架構可以劃分為四個功能層：安卓資源層、數據傳輸層、設備服務層、傳感網接口層。系統架構如圖1所示。

圖1　系統架構

傳感網接口層主要負責建立不同類型的底層設備與中間件的適配通道，解析、構建和收發底層協議棧命令。設備服務層是中間件的核心模塊，一方面建立可擴展的設備類型，統一封裝和管理與底層協議的交互設備，實現異構設備的中間件映像，即設備抽象；另一方面從設備抽象服務資源，完成監聽和派發服務請求的一系列處理過程。數據傳輸層主要用于動態建立智能主機與移動設備之間穩定的端到端連接鏈路，完成NAT穿透，克服公網IP地址隨機變化的影響，雙方可以多對多互聯。安卓資源層是C和C++類庫，將中間件提供的服務發現、服務映射、數據傳輸機制相關的資源開放給移動設備的Android NDK，完成統一的移動端編程API。

2.1.1基于MIPS架構和Linux的嵌入式智能主機

智能主機是嵌入式中間件的硬件基礎和保障，在運行中間件的同時兼具無線AP、路由器等網絡通信功能。綜合考慮部署的靈活性、資源受限等因素，使用基于MIPS架構的WiFi智能芯片作為主處理器，操作系統為OpenWrt。主機硬件設計參考無線路由器的制作方案，同時集成WSN網關節點,如圖2所示。

圖2　智能主機硬件原理

2.1.2無線傳感器網絡的適配器

適配器對應傳感網接口層，用于建立和底層WSN設備通信的接口?？紤]到中間件兼容的WSN協議的可擴展性，適配器沒有直接與傳感網網關節點交互，而是通過Socket連接到源數據服務再間接連接到WSN。源數據服務與無線傳感器網關節點通過串口連接，負責收發無線網絡的二進制數據包。適配器解析源數據服務發送過來的二進制數據，轉換成程序友好的類格式命令，并反向把程序友好的類格式命令轉換成二進制數據。適配器可以細分為連接斷開ZigBee網絡、解析構建ZigBee基礎命令、解析構建ZCL命令、收發ZigBee命令等模塊。

2.1.3設備代理和服務抽象

設備服務層是中間件的核心層，基于應用控制軟件架構，分為設備代理子層和服務抽象子層。設備代理子層管理當前所有已經加入到WSN中的設備，實現搜索設備、描述設備、配置設備、從設備中抽象服務、向服務抽象子層開放服務訪問點等功能。服務抽象子層監聽移動設備和設備代理子層的服務請求消息，解析消息，參照服務規則解釋并派發消息。服務包括服務發現和服務映射，服務發現描述實時處理傳感網設備加入和離開、網絡資源動態申請及釋放、感知數據封裝成面向應用的多樣服務的抽象行為；服務映射是將控制終端(移動設備)不同的請求映射成不同的服務，并實時響應靈活多變的請求訂閱的抽象行為。

2.1.4主機和移動端數據通道

基于SIP協議的移動端設備連接智能主機建立P2P數傳通道時序如圖3所示。

圖3移動端設備(A)與智能主機(B)建立

P2P數傳通道時序示意圖

Fig.3The sequencing of establishing P2P data transmission channel

for mobile device(A) and smart host(B)

數據傳輸層完成在智能主機和移動設備之間建立端到端的數據通道、維護通道、釋放通道的任務，它需要解決NAT穿透和公網IP地址隨機變化等問題。該層軟件架構基于PJSIP，它是一個開源的SIP協議庫，移植性良好，適合嵌入式開發。考慮到應用的擴展性、嵌入式主機資源的有限性、NAT穿透需要公網服務器支持等各方面因素，架設云端服務器，提供SIP Server、STUN/TURN、Web和數據存儲服務。當NAT無法穿透(Symmetric NAT)，即智能主機和移動設備之間P2P通道無法建立時,才通過云端服務器中轉數據，從而加強數據傳輸的安全性。

2.1.5安卓資源庫

安卓資源庫支持運行安卓系統的移動設備的物聯網應用開發。智能主機與移動設備之間的通信協議使用TLV和JSON等格式。在NDK中調用中間件的服務管理、設備管理、網絡配置、端到端連接管理等API資源。

2.1.6系統工作過程

下面根據系統運行過程列出主要步驟。

① 智能主機首次啟用，把身份證書發送到云端服務器驗證有效性，生成設備登錄用的ID號以及安全密鑰。

② 移動設備掃描主機二維碼或者局域網內自動發現獲取主機ID等信息，建立與主機的關聯。

③ 智能主機每次啟動時，向SIP服務注冊。

④ 移動設備安裝的APP軟件每次啟動時，向SIP服務注冊。

⑤ 移動設備經SIP服務中轉，與智能主機建立會話。

⑥ 雙方ICE協商，尋找并建立最優端到端數據傳輸通道。

⑦ 移動設備開始調用連接主機的服務，監控主機管轄區域。一臺移動設備可以監控多臺主機，反之一臺主機可以連接多臺移動設備，兩者是多對多互聯的。

2.2關鍵技術

物聯網中間件服務模型的關鍵技術主要有以下三點。

2.2.1設備服務層的本體化

設備代理子層是中間件設備功能服務化的關鍵，位于中間件WSN適配器之上、服務抽象子層之下，間接與設備進行交互。需要關注設備的內部屬性和系統功能，以建立可擴展的設備類型，統一封裝和管理WSN設備，實現異構設備的中間件映像。映像的關鍵是基于本體論[8]思想的設備抽象，采用多元本體建模，包含通用本體、領域本體和服務本體。三種類型的本體分別對應三層含義：設備的公共屬性；基于設備類型的設備靜態信息和動態信息；設備對外提供的原子服務接口，該接口通過設備通信部分訪問服務抽象子層。服務抽象子層的核心功能是處理與智能主機連接的移動設備產生的監控消息流。需要處理的兩個環節是：當移動設備接入后，服務抽象子層監聽服務請求和發回服務請求；依據請求的服務類型，將消息進行格式轉換，查找設備-服務狀態列表，然后傳遞至對應的下層設備服務訪問點作進一步處理。底層設備的類型有兩大類：傳感器和執行機構，即監視設備和控制設備，與行業的關聯度有限。因此，可以提供設備的擴展接口，以對象化的繼承方式持續完善設備-服務機制，使中間件擁有行業共性。

2.2.2私網間設備通信

智能主機屬于資源有限的嵌入式設備，與移動設備均有可能位于各自的私網內，從數據安全角度考慮，應該盡可能實現異構網絡之間端到端的可靠通信，避免公網服務器中轉數據。

TCP是面向連接的傳輸層協議，有復雜的握手和超時重傳等確保數據傳輸可靠性的策略。但由于資源消耗大、傳輸效率低、NAT穿透性差，相比UDP，TCP不適用于資源有限的智能主機。然而UDP是無連接協議，無法保證數據的可靠傳輸，所以要求應用層協議必須提供適當的策略加以彌補?？紤]到SIP在應用層提供了端到端的三次握手機制和指數退避的超時重傳策略，可以有效彌補使用UDP帶來的不可靠性，所以采用SIP/UDP方式建立智能主機與移動設備之間的數據傳輸通道。當通道建立以后，兩端數據直接基于自定義的TLV報文經UDP完成傳輸。此外，ISP提供的通信兩端的公網IP是不定時變化的，在數據通道建立之后中間件需要時刻監視IP地址的變化，維持端口心跳。一旦IP變化出現就要立刻重建端點間連接，確保數據傳輸的實時性和可靠性。

2.2.3可擴展的中間件適配器

IEEE 802.15.4定義了物理層和介質訪問控制層的數據傳輸規范，ZigBee協議定義了網絡層、應用程序支持子層以及應用層的數據傳輸規范，它們與互聯網TCP/IP協議族沒有交集。中間件作為底層網絡連接互聯網的中間環節，首當其沖的身份是兩種協議交互的數據網關，實現ZigBee與TCP/IP數據格式的轉換。其中，ZigBee協調器和嵌入式微處理器利用串口交換數據是使用廣泛、成熟度高的解決方案。對于其他的底層WSN協議，則在傳感網接口層即中間件的適配器環節提供命令集標準接口，以便擴展。

3應用案例

本文提出的“一種面向移動智能設備的物聯網中間件服務模型”，已經成功應用于建設某智慧小區。該小區包括公寓區和別墅區。在面積約100m2的室內

區域放置智能主機1臺，智能開關、智能窗簾、門磁傳感器等執行機構和煙霧傳感器、紅外傳感器等感知設備若干，即可實現室內環境的綜合監控。其中，各類ZigBee傳感器和執行機構作為底層WSN設備，與用戶遠程移動端設備之間通過現場智能主機中間件實現信息交互。WSN設備的入網、更新、移除等信息實時記錄在中間件的設備-服務列表中，移動端通過WiFi或者3G等網絡連接智能主機，調用中間件服務，完成對現場智能家居的信號采集和控制動作。

4結束語

中國物聯網整體市場前景十分廣闊，打造支持不同設備接口、不同互聯協議、可集成多種服務的共性技術平臺，將是物聯網產業發展成熟的結果。

從本質上看，物聯網中間件是物聯網應用的共性要求?！懊嫦蛞苿又悄茉O備的物聯網中間件服務模型”包括：第一，兼容WSN協議，實現物聯網感知層無線設備數據接口；第二，基于嵌入式系統、面向對象的軟件設計等相關技術具體環境下的設備映射、服務抽象和服務調度機制；第三，解決異構網絡端到端數據通道建立和維護的現實問題；第四，嵌入式智能主機部署靈活，具有較高的行業通用性且易于實現；最后，服務資源開放的安卓API函數庫適應移動端應用二次開發的要求。已有的應用案例證明了上述模型的可靠性、實用性和技術共性。

參考文獻

[1] 工信部電信研究院.2014年全球物聯網發展報告[J].中國信息化,2014,239(8):42-46.

[2] 陳海明,崔莉,謝開斌.物聯網體系結構與實現方法的比較研究[J].計算機學報,2013,36(1):168-188.

[3] 王林,姜杰.無線傳感器網絡中間件技術研究綜述[J].計算機工程與科學,2014,36(2):244-249.

[4] Rosenberg J.RFC3261 SIP:session initiation protocol[S].IETF,2002.

[5] Rosenberg J.RFC5389 STUN:session traversal utilities for NAT[S].IETF,2008.

[6] Mahy R.RFC5766 TURN: traversal using relays around NAT[S].IETF,2010.

[7] Rosenberg J.RFC5245 ICE: Interactive Connectivity Establishment[S]. IETF,2010.

[8] 郭星明,郭天晨,張三元.基于管理信息本體和需求功能構件的中間件平臺[J].浙江大學學報：工學版,2009,43(5):844-848.

[9] 工信部電信研究院.2014年物聯網白皮書(節選)[N].中國電子報,2014-6-17.

An IOT Middleware Service Model for Mobile Intelligent Devices

羅劍

(浙江經濟職業技術學院數字信息技術學院，浙江 杭州310018)

摘要：描述了一種面向移動智能設備的物聯網中間件服務模型，系統架構由傳感網接口層、設備服務層、數據傳輸層和安卓資源層組成。該模型通過建立與無線傳感器網絡異構設備的通信接口，封裝感知設備提供的狀態監測和遠程控制功能，向移動端開放統一的物聯網接入服務，實現物聯網應用帶有共性的技術環節，為移動智能設備面向物聯網的二次開發提供便利。已有的應用案例證明了服務模型的可靠性、實用性和技術共性，可以有效提升物聯網不同行業應用開發的效率。

關鍵詞：物聯網互聯網移動智能設備無線傳感器數據傳輸TCP/IPZigbee

Abstract：An IOT middleware service model for mobile intelligent devices is described.The system architecture is composed of sensor network interface layer,device service layer,data transmission layer and Android resource layer.Through building the communication interfaces with heterogeneous WSN devices,and the status monitoring and remote control functions offered by encapsulating sensing devices,the model opens universal access service to mobile devices,to implement technical aspects with commonality for IOT application,provide facilitation for secondary development of mobile intelligent devices orienting IOT.The existing application cases verify the reliability,practicability and technical commonalities of the service model; the model may effectively upgrade the efficiency of application and development of IOT in various industries.

Keywords:Internet of things(IOT)InternetMobile intelligent deviceWirelessSensorData transferTCP/IPZigbee

中圖分類號：TP319;TH86

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604018

2015年度浙江省公益技術研究工業基金資助項目(編號：2015C31107)。

修改稿收到日期：2015-05-13。

作者羅劍(1971-)，男，1996年畢業于武漢工業大學自動化專業，獲碩士學位，副教授；主要從事自組織網絡、嵌入式系統、數據庫知識發現等方向的研究。