智慧社區中物聯網架構系統與中間件模型設計

黃承寧,孫潔

(南京工業大學 浦江學院，江蘇 南京 210000)

0 引言

社區是人類社會群居生活與管理的基本單元，也是城市發展的重要組成部分.從數字化社區到智慧社區的發展，說明居民對社區智能化主動服務化地需求不斷提升，各大物業公司也競相加快了智慧建設步伐[1-2].目前的社區無法實現全面智能化主動化地業主服務，已經無法滿足社區與居民對環境的發展生活需求.

隨著“互聯網+”與物聯網技術的發展，目前社區建設存在的問題已經有了全面智能化的技術支撐.物聯網是實現實物間互聯的網絡，將網絡神經末端延伸到任何物品與物品的連接，通過智能感知、識別技術與數據計算等通信感知技術提供更加全面、豐富的信息，實現智能化的控制與決策.物聯網技術的發展與基礎網絡的接入，為社區居民提供一個平安、溫馨、方便的智能化生活環境，從而形成基于數字信息化社會管理與社區服務新型管理形態的社區奠定了良好的基礎，智慧社區越來越成為智慧城市建設的重要組成單元，也是未來社區發展與建設的趨勢[3].國家層面 “中國制造2025”的提出使得物聯網的發展真正從概念階段步入實際應用階段，在物聯網應用體系中，基礎物聯網架構與體系中對不同格式數據的采集清洗技術也漸漸成為研究熱點.

本文結合智慧社區建設需求調研過程中的結果以及目前社會物聯網應用技術的發展階段，提出了一種面向社區智慧服務的物聯網系統架構，該系統架構由底層的物聯網感知數據層、網絡及中間價支撐層、上層智慧社區應用服務層構成.對于處于物聯網絡中的設備與采集數據的管理，采用中間件管理方案，同時結合DT時代的發展，引入云計算與大數據技術，打造高效云端的數據存儲與處理方式，徹底消除社區數據共享中存在的信息孤島問題，為智慧社區提供安全共享的數據存儲與處理保障[4-6].

1 智慧社區物聯網架構

目前物聯網正處于發展階段，帶來的智慧社區建設的項目工程也都處于不斷的探索實踐之中，因此各個城市與研究者對于智慧城市智慧社區的建設構想也存在不同解讀與實施.普遍認為智慧社區是指充分利用互聯網、移動互聯網、物聯網、云計算等新一代信息技術的繼承應用，為社區居民提供一個安全、舒適、便利的現代化、智慧化地生活環境，進而形成基于信息化、智能化社會管理與服務的一種新型管理形態的社區[7].智慧社區系統中將物業貼心服務、生活繳費、業主互動和智能互聯等場景有機智能統籌管理，智慧社區的主體(居民、物業、社區機構、商戶等)通過基于物聯網基礎建設的基礎智能網絡社區應用平臺等對社區中的資源(建筑、人、車、智能物聯設備等)進行監控管理，通過設備的管理和數據的采集構建智能化地服務系統[8-9].

智慧社區主要通過智能物聯設備來感知和收集社區內的智慧資源，然后通過互聯網、移動互聯網等異構網絡進行數據傳輸，最后經過應用分析處理呈現居民和相關人員使用服務.因此本文對智慧社區的物聯網架構劃分為智能感知層、異構網絡層和服務應用層.智慧社區物聯網架構如圖1所示.

圖1 智慧社區系統架構“云<應用層>+管<網絡層>+端<感知層>”

如圖1所示的智慧社區系統架構，可以看出該系統在多種智能感知設備與多重網絡通信技術的基礎上，對社區服務、工作流程、居民需求等進行整體化地設計，構建出智慧社區系統.該系統架構由物聯感知數據層、網絡及中間價支撐層、智慧社區應用層構成.

在感知層借助RFID技術、條碼技術、醫用傳感器技術來 感知智慧資源環境中的物理量，如溫度、壓強、光照、速度、血壓等信息，也可通過采集到的信息來識別物體.

智能傳感器設施采集的信息上傳到物聯網智能網關，交由無差別異構網絡傳輸到物聯網中間件集成平臺的網關，然后網關采集傳感設備數據轉換為統一數據格式，從而實現智慧社區提供數據存儲處理.

按照智慧社區信息平臺架構建設的設計框架，網絡架構設計需滿足社區7×24h連續服務、大容量社區數據傳輸，隨時隨地的無線業務終端接入，同時滿足數據信息的保密和入網安全性方面的需求.圖1所示，底層各類智能感知設備獲取數據之后交由上層網絡進行帶格式數據傳輸，因此構建無差別全面覆蓋的網絡是物聯化地傳輸基礎，在網絡與通信技術發展的今天，網絡基本3G、4G、5G與無線多重覆蓋，有線網絡與無線網絡有機集合，為社區打造無死角網絡傳輸覆蓋基礎.智慧社區有線/無線泛在網絡架構如圖2所示.

圖2 智慧社區有線/無線泛在網絡架構圖

在智慧社區的上層應用中根據居民需求調研結果提供各類服務應用，采用云架構提供云服務.各種應用服務云對通過底層傳感設備采集的數據進行有效智能地管理和控制，滿足智慧社區的智慧服務需求建設.

2 面向智慧社區服務的物聯網中間件模型

如前所述，物聯網系統架構包含物聯感知層、異構網絡層和服務應用層.感知層負責連接各類智能設備和采集智能數據；網絡層則是異構融合泛在通信網絡；服務層為社區中人與智能設備等終端提供面向服務的社區應用.提供社區智慧服務是內在需求，然而不管是底層的物聯感知層還是異構網絡數據傳輸，涉及的數據與設備種類繁多、格式不一，因此需要在這三個層之外建立一個通用數據服務平臺，用于有效管理異構設備與數據的計算處理，確保物聯智能服務的提供[10-12].如此便產生了物聯網系統中的中間件的建設需求.

物聯網中間件的建設需求決定了它是介于感知設備與服務應用層之間的基礎功能軟件.由于在智慧社區中應用場景的多樣不同，接入智能設備的終端與應用服務不同，所以本文中物聯網中間件模型采用SOA架構設計，模型架構設計如圖3所示.

圖3 智慧社區物聯網中間件系統架構圖

在整體中間件架構中，系統主要由底層設備驅動、中間接口與解釋層以及數據調度業務層三部分組成.

在設備的驅動層，中間件完成底層智能物聯設備采集上傳的不同格式數據的統一化，對上屏蔽掉底層設別的差異，定義統一接口，完成數據通信，在上一層中統一接收經過屏蔽與處理過的XML格式數據文件.

在中間接口與解釋層中分別定義了事件的驅動方法DriverManager()與連接方法getConnection()，在建立起設備接口之間的連接后，通過preparedStatement()方法與resultSet()方法執行業務需求和獲取數據結果集，再通過數據的封裝XML文件將數據向上提供服務.

在整體系統中，如果中間件平臺所提供的公共服務越多，那么向上應用層就越專注與提高高質量良好體驗的分布式應用服務系統. 也正是有了中間件提供的公共服務，系統建構人員可以將主要精力集中于系統的具體業務邏輯.

一般來說，智慧社區物聯網中間件系統架構中常見的中間件公共服務有：(1)事務服務(Transactions Service)：提供支持事務處理的機制，以保證系統狀態與數據的一致性與完整性，支持可靠的服務端計算.(2)安全服務(Security Service)：為系統提供在分布式環境下的安全機制，以防止未授權用戶對系統的非法訪問.(3)命名服務(Naming Service)：在分布式系統中，命名服務提供了一種定位分布式對象與其它系統資源的機制.(4)持久性服務(Persistence Service)：持久性服務使得分布式對象可以通過持久的數據存儲來保存、更新和恢復他的狀態.(5)消息服務(Messaging Service)：消息處理服務提供異步編程模式，異步模式在很多應用中都需要.(6)分布式垃圾回收服務(Distributed Garbage Collection Service)：當一個程序不再使用分布式對象時，分布式垃圾回收服務會自動釋放分布式對象所占用的存儲單元.(7)資源管理服務(Resource Management Service)：一般來說，資源管理器按照使可伸縮性最大化的方式來管理分布式對象， 即支持大量的客戶程序同分布式對象在短時間內進行交互的能力.

中間件中加載驅動與獲取服務對象代碼如下所示：

static{Class．forName(＂com．microsoft．sqlserver．jdbc．SQLServerDriver＂)；//加載驅動Propertiesp=newProperties()；//描述屬性文件xx．propertiestry{//通過配置文件獲得數據源對象p．load(JDBCUtil．class．getClassLoader()．getResourceAsStream(＂datasource．proper?ties＂))；ds=BasicDataSourceFactory．createDataSource(p)；}catch(Exceptione){e．printStackTrace()；}}

在數據調度業務層中直接負責與上層智能服務應用的交互，中間件為一個服務應用提供特有的API接口，通過此接口完成設備配置、業務請求和數據處理功能.在上一層的服務業務層中利用發射技術通過動態加載DLL數據文件完成業務功能提供.

在此中間件模型中中間件向上提供不同形式的通信服務，在這些基本的通信服務基礎上構筑各類數據處理框架，為應用程序提供不同業務需求的數據處理，以實現多種異構智能設備和多系統技術之間的資源通信共享，從而連接上下層對外統一提供一個資源豐富、功能強大的服務系統.

面向服務的智慧社區中間件可以有多種模式，但是無論架構模型如何，中間件都要完成三大功能：(1)向下屏蔽底層異構性；(2)在數據中層提供個系統間的無障礙交互；(3)向上應用層提供數據預處理[13].總之，在智慧社區中協同物聯網中間件(IOT)為智慧社區建設提供智能傳感網絡，實現對智慧社區中各類設備和設施資源的識別、管理、跟蹤定位和數據采集等，從而為居民提供安全、舒適、便利的現代化、智慧化生活環境.

3 結論

本文針對智慧城市建設中的重要環節智慧社區的建設發展情況提出了一種面向智慧社區服務的物聯網架構，并對系統中物聯網中間件模型設計進行了闡述.在物聯網架構中將整體系統劃分為感知層、網絡層和應用層，三層上下有機結合互為提供服務，構建智慧社區.在物聯網中間件模型中通過底層設備驅動、中間接口與解釋層以及數據調度業務層三個功能部分組成，共同完成向下屏蔽底層異構性、多系統之間的交互操作和數據的預處理功能.基于物聯網的智能社區已然成為未來社區的發展方向，本文闡述的系統架構與模型，希望為智慧社區的建設完善提供參考依據.

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