基于虛擬接入物聯網中間件平臺的設計與應用

陳琦帆 舒 堅 孟令沖 劉琳嵐

1(南昌航空大學物聯網技術研究所 江西 南昌 330063)2(南昌航空大學軟件學院 江西 南昌 330063)3(南昌航空大學信息工程學院 江西 南昌 330063)

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基于虛擬接入物聯網中間件平臺的設計與應用

陳琦帆1,2舒 堅1,2孟令沖1,3劉琳嵐1,3

1(南昌航空大學物聯網技術研究所 江西 南昌 330063)2(南昌航空大學軟件學院 江西 南昌 330063)3(南昌航空大學信息工程學院 江西 南昌 330063)

提出一種基于虛擬接入的物聯網中間件平臺VAM(Virtual Access Middleware)。通過引入虛擬接入層，將異構的傳感網絡協議轉換為中間件平臺的內部協議，從而屏蔽了傳感網絡的異構性，為應用層訪問異構無線傳感網絡提供統一的訪問平臺。詳細介紹此中間件平臺虛擬接入模塊以及平臺通信協議的設計，并通過在水質監測系統下的應用，驗證了VAM中間件的可行性，降低了應用層軟件開發的復雜度。

中間件 物聯網 虛擬接入 無線傳感網絡

0 引 言

物聯網(IoT)[1]是以互聯網作為核心，在其基礎上通過無線傳感器網絡(WSN)[2]、無線射頻識別(RFID)[3]以及智能嵌入式技術[4]等實現物與物之間的信息交互與共享。物聯網通過在日常生活用品中嵌入各種具有短距離移動收發功能的嵌入式設備，使得人與物、物與物之間能夠以一種新穎的方式進行相互通信。物聯網的體系架構主要包含感知層和應用層。感知層的功能是對所有物理的和虛擬的“物”的相關數據進行采集。應用層則負責對底層感知設備的請求進行響應。應用層與感知層的高耦合性導致應用層軟件在感知層的感知設備改變時需要進行大幅調整以適應不同的感知設備。

為了解決上述問題,在物聯網的系統架構中引入了“中間件”。物聯網中間件是位于感知層與應用層之間的軟件層，它能夠屏蔽底層網絡的個體特征，解決了物聯網架構中感知層設備的多樣性和復雜性問題[5]。隨著物聯網技術的飛速發展，國內外學者對物聯網中間件已有相關研究。例如：TinyDB[6]是一種基于TinyOS[7]操作系統的數據訪問中間件，雖然其可以通過數據融合機制減輕冗余數據對帶寬的損耗，但它只支持同構的節點，不能滿足實用性需求。FoK等[8]則提出一種基于移動代理的中間件“Agilla”。通過Agent的移動，能夠有效消減網絡通信開銷從而加快任務執行，但由于其是基于TinyOS 1.X的操作系統，故不太適用于較復雜的傳感器環境。王凡[9]通過數據過濾的方式將ZigBee[10]和射頻識別網絡轉換為統一的格式以實現物聯網中間件的設計。Terzis等[11]提出了一種基于虛擬機的無線傳感網絡中間件，其良好的柔韌性使得傳感網絡可以進行快速部署和開發。

本文提出一種基于虛擬接入的物聯網中間件(VAM)模型，并基于該模型實現了適用于無線傳感網絡的中間件系統。本系統通過虛擬接入技術接入異構無線傳感器網絡，統一化底層網絡并使感知層的網絡接入透明化。同時，本平臺提供豐富的服務并保證了中間件服務的可擴展性，為上層應用提供了統一的接口。

1 VAM中間件平臺的設計與實現

基于虛擬接入的物聯網中間件平臺的基本功能是實現異構的底層網絡的接入并為上層應用系統提供服務和統一的接口。

1.1 VAM中間件平臺的總體架構

基于虛擬接入的物聯網中間件平臺主要由應用層、中間件層和感知層組成，其總體架構如圖1所示。

圖1 VAM中間件架構

VAM中間件平臺的核心職責是提供服務支撐。服務支撐主要包括基礎服務、數據交換服務以及應用管理服務。其中，基礎服務實現VAM中間件平臺的基本功能，包括數據管理、目錄服務等。數據交換服務用于平臺內部的數據分發與訂閱。應用管理服務向應用層提供應用支撐接口。

虛擬接入層位于中間件層的最底層，目的是屏蔽感知層終端的個性特征，轉換為平臺層能夠識別的共性特征，使得各種各樣的底層網絡能夠統一接入平臺內部。

VAM中間件平臺為上層應用屏蔽底層因接入不用網絡而帶來的差異,使得上層應用可以集中于服務層面的開發,與底層硬件實現低藕合。中間件的使用降低了應用層的開發難度,同時使上層應用不需要直接面對底層架構，而通過中間件進行調用,增強了應用服務的可復用性。

1.2 VAM通信協議的設計

協議是為網絡中進行數據交換而建立的規則、標準或約定的集合。協議也是一個通信程序的精華所在。VAM中間件平臺不僅需要保證平臺內部虛擬接入模塊與服務支撐模塊的數據傳輸，而且還需要與異構的底層網絡進行數據通信。所以，本文設計了兩種通信協議即：與底層網絡的通信協議和與平臺內部通信的協議。

由于底層網絡的異構性，虛擬接入層與底層網絡的通信無法采用通用的通信協議。所以，VAM中間件平臺向用戶提供協議注冊服務，用戶可以根據不同的底層網絡注冊不同的協議。VAM會將注冊的協議寫入XML文件中。虛擬接入層與底層網絡通信時，首先讀取XML文件，解析出對應的網絡及通信協議以實現與異構的底層網絡通信。

虛擬接入層與平臺之間進行數據交互所需的協議是平臺內部協議。當虛擬接入層完成底層網絡數據的解析后，需要將數據通過TCP/IP通信方式發送到平臺內部。平臺內部根據數據的封裝的格式再將數據進行還原，最后將這些數據存入數據庫并分發給服務訂閱者。此過程的數據封裝和數據的還原需要設計一個標準的通用的通信協議格式，以便虛擬接入層與平臺內部有效的通信。

為了有效地實現數據協議格式的通用性，底層網絡的數據包由4部分組成：必備數據、感知數據、網絡數據、其他數據。必備數據表示每一種協議必不可少的數據，主要有消息類型、節點ID、消息長度等。感知數據表示應用相關數據，例如節點的電壓值等。網絡數據表示網絡狀態相關數據，包括路由信息、鄰居信息等。其他數據表示程序無關數據，以便日后擴展使用。平臺內部通用通信格式如圖2所示。

圖2 平臺內部通信協議

1.3 虛擬接入模塊的設計

虛擬接入層的主要職責是屏蔽底層網絡的差異性，為底層網絡提供一套相應的結構和協議來完成不同傳感網上傳的感知數據的解析。這就要求虛擬接入層能夠完成底層網絡數據包格式到平臺內部數據包格式之間的轉換，虛擬接入層體系結構如圖3所示。

圖3 虛擬接入層結構圖

虛擬接入層可與底層網絡Sink網關節點進行收發數據。當收到不同底層網絡的異構數據時，虛擬接入層對數據進行解析，并將相關數據流持久化寫入數據庫。

虛擬接入層在解析Sink網關節點數據時，根據XML文件中所注冊的協議來解析消息包中的數據區，最終得到底層網絡的感知數據與網絡數據。通過解包過程得到有效消息后，根據預先設計好的平臺內部的消息格式對有效消息進行封裝，然后通過TCP/IP協議發送給上層應用進程進行處理。

2 VAM中間件平臺在水質監測下的應用

本文以水質監測應用為背景，通過對VAM中間件平臺的部署與實際應用來驗證其可行性和有效性。

2.1 總體設計

水質監測系統主要由VAM中間件平臺、應用客戶端和底層感知網絡三部分組成。底層感知網絡負責水質信息的監測與采集；VAM中間件平臺實現異構無線傳感網絡的接入與應用服務的支撐；應用客戶端為用戶提供網絡管理平臺。水質監測系統拓撲結構如圖4所示。

圖4 水質監測系統拓撲結構

2.2 VAM通信協議實現

可擴展標記語言(XML)[12]用于標記電子文件使其具有結構性的標記語言，可以用來標記數據、定義數據類型，是一種允許用戶對自己的標記語言進行定義的源語言。在本文中，XML主要用于存儲平臺內部的協議格式及用戶注冊的協議格式。XML的讀寫是通過基于C++語言的TinyXML模塊實現的。

平臺內部協議格式中，協議里的每一個字段對應XML協議的每一個item，而每一個item中又包含了id、type、length、等基本屬性。其中，id表示協議編號；divide表示當前item下是否存在子item；length表示這個字段的長度；type表示這個字段對應的數據是何種數據類型(0表示感知數據，1表示網絡數據，2表示必備數據，3表示無關數據)。以下片段展示了平臺內部協議配置的XML文件：

…

…

2.3 VAM通信流程

VAM通信主要通過SinkSocket類來完成，它是TCP/IP的多線程Socket通信類[13]。虛擬接入層初始化工作完成后，此時SinkSocket服務已經啟動。首先SinkSocket服務會啟動一個守護線程，該線程除非是關閉SinkSocket，否則是不會掛起或銷毀，守護線程的主要目的是監聽Socket的連接請求。當有一個新的連接到來時，守護線程即為該連接創建一個新的線程，該線程專門負責監聽此連接Socket的數據收發。

SinkSocket數據包接收過程如下：首先SinkSocket從Sink網關節點接收數據，然后對數據進行CRC校驗[14]，如果接收成功則將該組數據發往上一層進行二次解包。在上一層中，根據所注冊的協議來解析數據包。當把感知數據消息包頭和包尾信息(節點ID、節點數量、路由跳數等基本信息)去掉后，余下部分攜帶節點上行消息的主要內容。根據節點類型不同，數據段的數據結構也不同，因此使用XML文件中自定義的數據段描述進行解包。解包完成后，根據包頭的消息類型將數據包分發給各個函數進行處理。VAM與底層通信活動圖如圖5所示。

圖5 與底層網絡通信工作活動圖

2.4 水質監測系統的部署與實現

本文通過在南昌航空大學前胡校區的湖泊內部署基于VAM中間件平臺的水質監測系統以驗證VAM中間件平臺的有效性。其中，VAM中間件平臺由C++語言開發，采用了Socket通信編程、共享內存、并發編程等技術。應用客戶端是由Java語言開發的Web端程序，采用JNI[15]、DWR[16]等技術實現與VAM中間件平臺的數據交互間。感知層由TinyOS網絡與Zigbee網絡兩種異構的傳感網絡構成。其應用層軟件、中間件平臺層和感知層系統部署圖如圖6-圖8所示。

圖6 水質監測系統應用層軟件

圖7 水質監測系統中間件平臺

圖8 水質監測系統感知層部署

3 結 語

本文提出了一種基于虛擬接入的物聯網中間件平臺。首先，本文介紹了VAM中間件平臺的基礎架構。接著詳細介紹了虛擬接入模塊和平臺通信協議的設計。隨后，詳細描述了VAM中間件平臺的通信協議和通信流程。最后，通過水質監測系統的應用，驗證了VAM中間件平臺的可行性。

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DESIGN AND APPLICATION OF MIDDLEWARE PLATFORM FOR INTERNET OF THINGS BASED ON VIRTUAL ACCESS

Chen Qifan1,2Shu Jian1,2Meng Lingchong1,3Liu Linlan1,3

1(InternetofThingsTechnologyInstitute,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,Jiangxi,China)2(SchoolofSoftware,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,Jiangxi,China)3(SchoolofInformationEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,Jiangxi,China)

We propose a middleware platform for Internet of Things based on virtual access. By introducing a virtual access layer, the heterogeneous sensor network protocol is transformed into an internal protocol of the middleware platform, which shields the heterogeneity of sensor network and provides a unified access platform for the application layer to access heterogeneous wireless sensor networks. This paper in detail introduce the design of virtual access module and communication protocol, and the feasibility of VAM middleware is verified by the application in water quality monitoring system, which reduces the complexity of application software development.

Middleware Internet of Things Virtual access Wireless sensor network

2016-08-14。江西省高等學校科技落地計劃項目(KJLD14054)。陳琦帆，碩士生，主研領域：無線傳感網絡，物聯網技術。舒堅，教授。孟令沖，碩士生。劉琳嵐，教授。

TP311

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.07.009