消息中間件在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用

李松濤，尹清爽

（河南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成，不同功能節(jié)點(diǎn)之間可以使用ZigBee，BLE等通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。通常情況下，這些協(xié)議的實(shí)現(xiàn)要求所有節(jié)點(diǎn)使用同一種開(kāi)發(fā)環(huán)境，部署在同一款軟件框架上，在實(shí)際應(yīng)用中，更多的是對(duì)原有系統(tǒng)的擴(kuò)展或者是在原有系統(tǒng)之上再疊加一層新系統(tǒng)。用戶更關(guān)注如何復(fù)用已有的軟硬件資源，以減少開(kāi)發(fā)周期并降低成本。原有節(jié)點(diǎn)可能由不同的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在不同的框架和平臺(tái)之上。如何在不同的模塊、平臺(tái)和應(yīng)用之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。消息中間件是解決企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)異構(gòu)集成的一種有效方法[1-2]，這種方法也同樣適用于物聯(lián)網(wǎng)[3]。物聯(lián)網(wǎng)中的分布式節(jié)點(diǎn)本身就是一個(gè)小型的嵌入式系統(tǒng)，其硬件配置足以支持其上運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)和服務(wù)管理軟件，從而為基于消息的異構(gòu)系統(tǒng)集成在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

本文對(duì)基于消息中間件的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用異構(gòu)系統(tǒng)集成進(jìn)行了探索，并在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)分別使用不同的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和客戶端軟件，傳感器節(jié)點(diǎn)采用Python開(kāi)發(fā)，網(wǎng)關(guān)使用基于OSGi框架的插件技術(shù)，對(duì)網(wǎng)關(guān)管理軟件Kura的服務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展，使其支持JMS（Java Message Service，JMS）。借助部署在網(wǎng)關(guān)的ActiveMQ消息中間件，實(shí)現(xiàn)了在不同節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)消息機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的目的。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 Kura開(kāi)源網(wǎng)關(guān)框架

Kura是Eclipse基金會(huì)發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，用于構(gòu)建IoT網(wǎng)關(guān)框架，它提供了一種使用開(kāi)源硬件作為網(wǎng)關(guān)的方式。Kura內(nèi)部嵌入了多種對(duì)網(wǎng)關(guān)容器進(jìn)行管理的服務(wù)，包括UI Web管理界面以及支持Amazon AWS IoT，Microsoft Azure IoT和IBM IoT云服務(wù)的接口[4]。Kura運(yùn)行在Java虛擬機(jī)（JVM）上，使用模塊化OSGi（Open Service Gateway Initiative，OSGi）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于網(wǎng)關(guān)基于動(dòng)態(tài)可插拔的模塊化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因此用戶可以很方便地創(chuàng)建自己的功能插件，并集成到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能的擴(kuò)展[5-6]。Kura遵循OSGi R4規(guī)范，其核心設(shè)計(jì)思想是面向服務(wù)的組件模型。在OSGi中，組件或模塊稱(chēng)為bundle，OSGi支持軟件熱插拔、多版本并存，具有動(dòng)態(tài)模塊化、面向服務(wù)架構(gòu)和模塊擴(kuò)展等功能，OSGi的模塊擴(kuò)展功能可以在不改變?cè)心K代碼的情況下注入新的功能或更新原有功能[7]。

1.2 ActiveMQ消息服務(wù)

消息中間件基于消息驅(qū)動(dòng)方式，為異構(gòu)系統(tǒng)和平臺(tái)提供了一種高效、可靠的數(shù)據(jù)通信服務(wù)[8]。ActiveMQ是被廣泛使用的基于JMS規(guī)范的開(kāi)源消息中間件，它屏蔽了底層軟件框架和硬件的差異，具有部署簡(jiǎn)單、占用資源少、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。消息中間件不僅簡(jiǎn)化了在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下異構(gòu)應(yīng)用的集成，也提供了一種構(gòu)建松耦合系統(tǒng)的方式。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，在局域網(wǎng)內(nèi)采用分布式部署，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)消息進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，將傳感器數(shù)據(jù)封裝到消息負(fù)載中，并通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的ActiveMQ客戶端軟件將消息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)采用Kura框架對(duì)軟硬件資源進(jìn)行管理，與傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件運(yùn)行平臺(tái)相同，它們運(yùn)行在開(kāi)源硬件樹(shù)莓派（Raspberry Pi）之上。網(wǎng)關(guān)不具有數(shù)據(jù)采集功能，但具有更多的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)管理功能。系統(tǒng)需要在網(wǎng)關(guān)中部署ActiveMQ消息中間件，用于JMS消息管理。由于Kura框架本身不支持JMS服務(wù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與消息中間件的消息通信，因此，需要設(shè)計(jì)新的bundle對(duì)Kura網(wǎng)關(guān)框架進(jìn)行JMS消息功能擴(kuò)展，使其支持對(duì)JMS消息的訂閱/發(fā)布服務(wù)。網(wǎng)關(guān)既可以利用消息機(jī)制接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，也可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、分析，并通過(guò)MQTT協(xié)議與云端相連。

基于JMS消息的通信機(jī)制可以屏蔽通信雙方的具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，以統(tǒng)一的消息協(xié)議通過(guò)第三方消息中間件實(shí)現(xiàn)通信，并可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一、一對(duì)多等不同形式的消息通信模式。傳感器節(jié)點(diǎn)可以在不同的主題上發(fā)布消息，也可以多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一主題上發(fā)布，滿足了系統(tǒng)集成的松耦合和靈活性要求。

3 主要功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)均選用開(kāi)源硬件樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板，其上可運(yùn)行Linux或Win10操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)板搭載1.2 GHz的64位ARM處理器，板上集成802.11 b/g/n無(wú)線網(wǎng)卡和低功耗藍(lán)牙4.1適配器。為連接外部設(shè)備，樹(shù)莓派上配置有40個(gè)GPIO引腳，支持SPI，I2C以及Serial等接口和總線標(biāo)準(zhǔn)，豐富的軟硬件資源可保證其不僅可作為數(shù)據(jù)采集終端，也可作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的小型網(wǎng)關(guān)。

傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPIO接口連接溫濕度傳感器DHT11。數(shù)據(jù)采集程序使用Python開(kāi)發(fā)，獲取數(shù)字量的環(huán)境溫、濕度數(shù)據(jù)，然后調(diào)用STOMP（Streaming Text Orientated Message Protocol，STOMP）庫(kù)函數(shù)將數(shù)據(jù)封裝為JMS消息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。STOMP即流文本定向消息協(xié)議，是一種面向消息中間件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單文本協(xié)議。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)JMS插件實(shí)現(xiàn)

Kura雖然內(nèi)置了大量支持物聯(lián)網(wǎng)功能的服務(wù)，但并未直接提供對(duì)JMS的支持。Kura基于OSGi技術(shù)實(shí)現(xiàn)，用戶可以基于OSGi的動(dòng)態(tài)化插件技術(shù)構(gòu)建自己的功能插件。為了在網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)JMS客戶端功能，需要做如下兩方面工作：

（1）安裝配置JMS支持插件，OSGi框架只能運(yùn)行符合bundle規(guī)范的Jar庫(kù)文件，JMS支持庫(kù)文件，以普通Jar庫(kù)文件的形式提供，因此需要將Jar文件轉(zhuǎn)變成bundle插件。

（2）設(shè)計(jì)可提供JMS服務(wù)的bundle，其實(shí)質(zhì)是封裝JMS客戶端的具體實(shí)現(xiàn)，以服務(wù)的形式發(fā)布接口，供其他bundle調(diào)用，這部分是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。

bundle之間通過(guò)服務(wù)的方式關(guān)聯(lián)，可以降低bundle之間的耦合，有利于軟件重用，并提高其靈活性。在發(fā)布或使用bundle前，首先需要注冊(cè)和獲取bundle所提供的服務(wù)。服務(wù)的注冊(cè)和獲取主要包括如下兩種方式：

（1）通過(guò)編碼的方式在bundle激活器中完成；

（2）使用聲明式服務(wù)的方式管理bundle，由組件配置文件定義bundle的服務(wù)接口以及插件倚賴(lài)。

相對(duì)于第一種方式，第二種方式具有更大的靈活性。本系統(tǒng)對(duì)插件的管理使用第二種方式，聲明式服務(wù)可以保證在服務(wù)接口不變的情況下，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)配置、升級(jí)、替換bundle，并在服務(wù)切換過(guò)程中無(wú)需重啟系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“熱插拔”。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于Kura框架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)bundle對(duì)原有服務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展，包括JMS服務(wù)bundle（JMS Service）、服務(wù)實(shí)現(xiàn)bundle（JMS Service Implement）和JMS服務(wù)支持bundle（JMS bundle）。JMS Service提供框架級(jí)別的服務(wù)，該服務(wù)注冊(cè)后可被其他bundle使用。JMS Service Implement提供具體的服務(wù)實(shí)現(xiàn)，將接口與實(shí)現(xiàn)分離，對(duì)其他插件隱藏了服務(wù)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，符合OSGi對(duì)模塊動(dòng)態(tài)性和松耦合的要求。網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展bundle之間的依賴(lài)關(guān)系如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展bundle之間的依賴(lài)關(guān)系

JMS bundle封裝與ActiveMQ通信的基礎(chǔ)類(lèi)，該bundle不依賴(lài)框架的任何bundle，是一個(gè)完全獨(dú)立的bundle，它可以根據(jù)需要向外發(fā)布軟件包，供其他bundle進(jìn)行功能調(diào)用。

以上三個(gè)bundle使用OSGi機(jī)制管理bundle的生命周期，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的注冊(cè)和發(fā)布。JMS Service Implement和JMS Service bundle還需要使用Kura框架提供的底層服務(wù)，如通過(guò)事件機(jī)制與其他bundle通信。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境包含兩塊樹(shù)莓派3B開(kāi)發(fā)板，板上運(yùn)行Raspbian操作系統(tǒng)，分別作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)運(yùn)行Apache ActiveMQ 5.13.0消息中間件和網(wǎng)關(guān)管理軟件Kura3.1，系統(tǒng)工作在Internet和WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。測(cè)試環(huán)境硬件連接如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以10 s為周期采集環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，并以消息的形式發(fā)送到特定的主題或消息隊(duì)列中。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)服務(wù)器消息中間件ActiveMQ和Kura管理軟件后，ActiveMQ將來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的消息保存在隊(duì)列中，Kura的功能擴(kuò)展插件讀取消息隊(duì)列消息，并由其他插件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同節(jié)點(diǎn)之間異構(gòu)應(yīng)用的集成。

圖4 測(cè)試環(huán)境硬件連接

5 結(jié) 語(yǔ)

本文使用消息中間件實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的異構(gòu)集成，重點(diǎn)對(duì)Kura的服務(wù)功能進(jìn)行了擴(kuò)展，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了面向服務(wù)的JMS bunble，部署到OSGi框架之上，使Kura支持JMS消息通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，消息集成模式可以簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的異構(gòu)集成，在保持原有節(jié)點(diǎn)功能不變的情況下，只需添加JMS功能模塊即可可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。但由于消息通信的時(shí)間延遲，只能在非實(shí)時(shí)的場(chǎng)景下應(yīng)用。