面向智慧園區的物聯網中間件的整體架構

朱廣萍，黃 晞

(福建師范大學 光電與信息工程學院，福建 福州 350007)

面向智慧園區的物聯網中間件的整體架構

朱廣萍，黃 晞

(福建師范大學 光電與信息工程學院，福建 福州 350007)

隨著物聯網技術的不斷發展及“中國制造2025”的提出，構建面向智能生產線、智能車間、智能工廠等制造業的物聯網應用模式越來越受到人們的關注。在智能制業中，接入物聯網的設備種類眾多，設備的數據格式不統一，因此上層應用在采集設備數據和對設備進行管理時，需要引入中間件來解決這些問題。設計了一種面向服務的物聯網中間件模型，此中間件建立在具備上述特點的智能園區的背景下。中間件負責實現前端感知設備與上層應用間的信息交互，并將上層應用的命令下發到設備中實現對設備的實時管理，為各種異構的智能設備接入物聯網應用環境提供了一種有效的解決方案。并且通過一個應用實例來進一步闡述此中間件的工作原理及實現方法。

物聯網；中間件；面向服務；架構

0 引 言

物聯網是在互聯網、移動通信網等通信網絡的基礎上，針對不同應用需求，利用具有感知、通信與計算能力的智能終端自動獲取物理世界上的各種信息，將所有能夠獨立尋址的物理對象互聯起來，實現全面感知、可靠傳輸、智能處理，構建人與物、物與物互聯的智能信息服務系統[1]。物聯網是由簡單二維條碼、射頻識別技術、無線傳感器網絡、CPS(Cyber-Physical Systems)[2]及M2M(Machine-to-Machine)系統[3]等各種信息傳感設備及系統通過與普適網絡、下一代互聯網[4-5]等核心技術結合起來形成的智能網絡。物聯網包含感知延伸層、網絡層、業務和應用層三層[6-11]。第一層負責采集物和物相關的信息；第二層是異構融合的泛在通信網絡;第三層是應用和業務，為手機、PC等各種終端設備提供感知信息的應用服務[12]。提供與物相關的服務是物聯網的內在要求。然而，物理的物數量大、種類多，具有異構性，虛擬的物具有信息關聯復雜的特性。因此，需要建立一個通用的服務平臺，以實現對物的有效管理、交互和處理，確保提供與物相關的服務[13]。于是物聯網中間件便產生了。

1 面向智慧園區的物聯網中間的模型

物聯網中間件是介于感知設備與上層業務系統之間的一種基礎軟件。由于智慧園區的不同場景需要接入不同的終端設備和不同的上層應用，所以該物聯網中間件采用SOA架構設計，如圖1所示。

圖1 中間件整體架構

物聯網中間件主要由設備驅動層、服務對象調度管控層、業務服務應用層三部分組成。

設備驅動層：主要包括設備注冊請求、設備連接請求、安全認證、設備注銷、設備配置、打開設備、關閉設備及針對不同類型的設備實現數據采集與控制。

服務對象調度層：分為驅動服務對象、系統控制對象、業務服務對象三部分。其中驅動服務對象主要實現設備驅動配置、設備登記管理、設備配置等，通過設備驅動管理調度完成終端設備的注冊請求、連接請求、安全認證、讀寫數據等；業務服務對象主要實現服務本地命名、服務線程池、服務日志及對外發布API函數，通過業務服務管理調度完成業務應用層與設備層之間的數據通訊。系統控制對象主要包含任務管理器、線程池管理、內存管理、性能監控及系統日志等。服務對象調度將所有設備驅動、業務邏輯等均看作是服務對象，并對其進行管理、配置及調度，完成物聯網應用系統的傳感網部署接入和分布式實時交互業務處理[14]。

業務應用層：針對具體物聯網應用系統而設計，提供與應用系統各種數據交互方式，對數據進行解析。

2 實現方案

設備驅動層：由于接入中間件的底層設備不同所上傳的數據格式也不同，為了向上層應用屏蔽底層設備差異，需要在設備驅動層解析傳輸協議，統一化數據格式。設備驅動層提供統一的驅動協議標準接口IDriver，通過定義標準的驅動通信接口，中間件利用反射技術動態加載驅動DLL實現動態加載設備驅動，終端設備與上層數據交互由驅動協議內部完成，形成XML數據文件，最終通過統一接口方法傳遞給中間件。

對于設備的配置和數據解析要通過采用讀取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，通過修改配置文件可以達到調整功能的目的，并方便以后進行功能擴展[15]。設備在接入中間件后，首先分配給每個設備一個數據緩存區，然后針對不同的設備調用不同的數據解析方式，完成數據安全認證和校驗，而后通過配置數據過濾模式將數據進行不同層次的過濾，再通過XML轉化模塊將數據轉化為XML格式。

設備驅動層數據處理過程如圖2所示。

圖2 設備驅動層數據處理過程

服務對象調度層：是中間件的核心部分，把設備驅動和業務都看做服務對象，實現對業務、驅動及設備服務的管理和調用。當設備接入中間件后，配置相應驅動及業務保存到數據庫中，并把設備信息也保存到數據庫中。啟動中間件后，自動獲取驅動表、設備表和業務表，實例化相關對象，自動調用驅動和業務層中的各個方法事件。

中間件驅動服務層定義了接收驅動層事件的相應方法，設備連接方法Connect()，設備斷開方法DisConnect()，獲取設備狀態GetStatus()，讀取數據ReadData()，寫入數據WriteData()，這些函數負責接收驅動層的相應事件，并把數據轉發至業務層接口。業務層處理后返回到驅動層，通過驅動層下發到設備。同時在這些方法和事件中實現應用系統對采集到的數據進行處理。業務服務層定義了接收業務層事件的方法，設備參數設置方法Setup()，ProcessResult()負責接收業務執行處理結果，GetAndSendWait-Cmd()負責接收業務層下發的待發指令列表，并在函數內按照預先定義的指令類型，將指令轉發給相應函數，由相應函數具體執行。

業務服務層工作流程如圖3所示。

業務層：負責直接與上層應用交互，由于上層可能有許多應用，要是每個應用都可以調用中間件的數據，必須要定義標準的外發布API函數。中間件需要實現對所有業務的無差別調用，所以不同業務都必須繼承統一接口方法，定義為IBusiness接口類方法。此接口向上層應用暴露三個功能：設備參數配置調用，發送命令，獲取數據。業務服務層利用反射技術動態加載業務層DLL。

經過中間件的一些數據需要直接被應用調用，另一些數據可能需要進入數據庫保存，還要定義一個數據庫接口。緩存后的XML文件進行數據過濾操作后批量入庫[16]，數據過濾操作需由上層應用調用API的相關配置，這樣可以減少冗余數據，同時不用針對每條RFID數據都對數據庫進行相關的入庫操作，盡量減少數據庫連接和斷開，節省資源。

圖3 業務服務層工作流程

3 應用實例

該案例實現了基于中間件的工廠車間環境監控系統。系統分為上位機部分和下位機部分。上位機部分包括：環境監控頁面、中間件、數據庫。下位機部分包括：網關、ZIGBEE設備兩臺、傳感器采集模塊、傳感器控制模塊。

通過ZIGBEE終端節點采集溫室環境信息，組網無線發送到ZIGBEE中心節點，中心節點再將數據送到網關，網關再通過串口將數據發送到中間件。中間件負責對網關數據進行解析，將溫度、濕度和煙霧數據分別轉化成相同格式的XML數據，直接供監控頁面應用調用。監控頁面通過調用中間件的API函數對終端設備進行參數配置和發送命令。中間件收到命令數據后，對命令進行解析，按照預先規定的協議格式，在驅動層將數據發送給網關，網關再將數據發送到ZIGBEE中心節點上，中心節點通過無線組網將設置的信息發送給ZIGBEE終端設備。終端設備根據收到的命令操作控制模塊：繼電器控制加熱設備和通風設備。

基于中間件的工廠車間環境監控系統見圖4。

4 結束語

文中設計的中間件介于感知設備與上層業務系統之間，采用SOA架構設計，具有粗粒度、松耦合的特點，滿足了物聯網多種設備接入、支持多個應用的需求。實現多類型感知設備的接入管理。每個設備可靈

圖4 基于中間件的工廠車間環境監控系統

活指定為特定應用系統提供信息服務；擺脫物聯網終端設備非標準化協議，帶來的開發、維護和擴展的限制。最后通過具體案例驗證了上述功能。

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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

時間：2017-01-10

福建省自然科學基金項目(2013H6008)

朱廣萍(1990-)，女，碩士，研究方向為智能檢測；黃 晞，副教授，碩士，研究方向為智能技術及機器人技術、網絡通信與控制技術。

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