一種面向服務的物聯網網關設計

楊建棟，司 農，陳道新，王 普，楊 昊

（1.北京工業大學 電子信息與控制工程學院，北京100124；2.首都信息發展股份有限公司，北京100080）

一種面向服務的物聯網網關設計

楊建棟1，2，司 農1，陳道新2，王 普1，楊 昊2

（1.北京工業大學 電子信息與控制工程學院，北京100124；2.首都信息發展股份有限公司，北京100080）

提出了一種普遍適用面向服務的物聯網網關的設計實現方式，通過對感知設備進行識別、建立應用路由并進行控制管理，接收感知層發送的數據并進行清洗和事件分析，向上層應用傳遞清洗和篩選后的數據或事件信息，利用組件建立與感知設備間透明的、標準的對話模式。從設備管理、運轉引擎、邏輯引擎等技術方面詳細描述了將底層設備統一化管理，使得當感知設備的數據庫軟件或后端發生變化情況發生時，應用端無需修改或做簡單修改就能處理，節省多對多連接的維護復雜性問題，從而解決現在物聯網領域產品眾多、標準不統一的問題。

物聯網；網關；中間件

0 引言

物聯網IoT(Internet of Things)是通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物體與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1]。物聯網是應用信息通信技術的最新產物，是繼計算機、互聯網和移動通信之后引發新一輪信息產業浪潮的核心領域，已成為國際新一輪信息技術競爭的關鍵點和制高點。

物聯網應用領域可全面覆蓋市政管理、公共安全、智能交通、能源公用、智能家居、金融和商業、醫療衛生、工業和制造、農業、生態環境等多個方面的市政管理與公共管理領域。大量、迫切的物聯網應用需求帶來物聯網應用支撐平臺的機遇和強烈需求，物聯網應用支撐平臺可實現各種標簽和傳感器等感知元件與應用系統之間數據傳輸、過濾、數據格式轉換，具有統一的傳感信息接入標準，具有對傳感信息進行身份認證和安全傳輸的能力。物聯網應用中間件就是在企業應用系統和物聯網應用感知層感知元件間數據流入和數據流出和對其進行管理的軟件，是連接和管理感知層和上層應用系統的紐帶，使用戶能夠將感知層采集的數據應用到業務過程中[2]。物聯網應用中間件是物聯網應用支撐平臺關鍵，其扮演感知元件和應用程序之間的中介角色。在存儲感知元件信息的數據庫軟件或后端發生變化，如應用程序增加、改由其他軟件取代或者讀寫感知元件種類增加等情況發生時，應用端無需修改或只需做簡單修改就能處理，節省多對多連接的維護復雜性問題。物聯網應用中間件組件設計主要分為感知層終端設備組件設計、中間件網關層組件設計及服務端組件設計。其中，感知層終端設備的設備驅動程序是實現標準化設計的關鍵，中間件網關層組件設計是系統工作運轉的核心。

本文提出了一種面向服務的物聯網網關中間件的設計實現方式。在典型的物聯網應用場景中，物聯網應用中間件通過其感知元件管理功能對感知層各感知元件進行識別、建立應用路由并控制讀寫，接收感知層發送的數據并進行清洗和事件分析，向上層應用傳遞清洗和篩選后的數據或事件信息?？衫镁W關組件建立與感知元件間透明的、標準的對話模式。

1 物聯網中間件應用模型設計

物聯網應用中間件從下往上分為三層，分別為數據采集層、數據處理層以及上層應用接口層，其示意圖[3]如圖1所示。

圖1 物聯網應用中間件分層架構示意圖

（1）數據采集層：為底層不同的數據采集設備提供適配、管理以及異構數據解析的功能。

（2）數據處理層：對數據采集層傳回的物聯網元數據進行處理并根據事先配置的業務規則，生成上層應用能直接使用業務事件數據，交由上層應用使用。其中數據隊列管理組件對采集的數據提供緩存服務；數據過濾引擎通過元事件匹配規則對數據采集層傳回的初始數據進行去冗余操作，并生成元事件隊列；復雜事件處理組件通過查詢業務規則，使用基于有限自動機和活動實例棧的方法來檢測和處理復雜事件；業務規則配置組件提供靈活的業務配置管理機制，實現物聯網應用中間件的可配置、可擴展性。

（3）上層應用接口層：為上層應用系統提供統一接口支持，如消息管理、事件管理、業務規則配置、應用管理等，屏蔽物聯網應用中間件內部更改對外圍應用的服務產生的耦合依賴。

物聯網中間件的技術實現通過網關層組件將各種感知設備的數據采集并進行處理整合到網關，并經過網關進行數據封裝并傳遞給上層應用[4]，詳見圖 2。

圖2 物聯網中間件的技術實現框架結構

2 網關層組件設計

網關層組件是物聯網應用中間件的關鍵組件，它既要將服務器端發來的數據發送至感知層交互，又要將感知層采集的數據傳輸至服務器端。網關層的運轉機制數據傳輸至關重要。整個網關應用的設計都是以事件驅動進行設計的，事件驅動是整個數據采集和流轉關鍵所在，同時，設備管理設計是實現終端設備統一化管理的關鍵，設備驅動程序提供設備的統一化接口和設備IP化的標準。網關層組件設計重點是運轉引擎和設備管理驅動程序設計，如圖3所示。

圖3 物聯網中間件網關層架構

2.1 設備管理

設備管理是對計算機的I/O系統的管理，其主要功能為[5]：

（1）選擇和分配I/O設備進行數據傳輸操作；

（2）控制I/O設備與CPU（或內存）之間交換數據；

（3）為用戶提供一個友好的接口，把用戶和設備硬件特性分開，使得用戶在編制應用程序時不必涉及具體設備，由系統按用戶的要求來對設備的工作進行控制。

（4）提高設備與設備之間、CPU與設備之間以及進程與進程之間的并行操作程度，使操作系統獲得最佳效率。

設備控制器是CPU與I/O設備之間的接口，它接收從CPU發來的命令并控制I/O設備工作。設備控制器是一個可編址設備，當它僅控制一個設備時，它只有一個惟一的設備地址；當它控制多個設備時，則應具有多個設備地址，使每一個地址對應一個設備。設備控制器由三部分組成，如圖4所示。

圖4 設備控制器的組成

網關設備管理主要是管理物聯網網關內的所有設備,包括：網關設備、近程接入網絡設備及感知設備。設備管理分為設備地址管理、設備屬性管理和設備注冊與注銷管理。

2.2 接口管理

接口管理是通過設置I/O通道實現，設置I/O通道的目的是使一些原來由CPU處理的I/O任務轉由通道來承擔，從而把CPU從繁雜的I/O任務中解脫出來。

在設置了通道后，CPU只需向通道發送一條 I/O指令。通道在收到該指令后，便從內存中取出本次要執行的通道程序，然后執行該通道程序。僅當通道完成了規定的I/O任務后，才向CPU發中斷信號。

I/O控制方式分為程序I/O方式、中斷驅動I/O控制方式和DMA控制方式。

網關層組件接口管理采用多通路I/O系統及中斷驅動I/O控制的方式，從而使進程要啟動某個 I/O設備工作時能實現CPU與I/O設備并行操作。

2.3 邏輯處理引擎

邏輯處理引擎的主要功能是當一個設備事件觸發后根據數據等因素觸發其他設備的事件，邏輯引擎根據預先配置好的配置文件里的邏輯流程處理設備的相關邏輯。

邏輯流程可以根據業務配置，并把邏輯流程以JSON格式存入配置文件中。格式為：邏輯ID={邏輯判斷條件，觸發設備地址}。

物聯網網關的邏輯處理主要針對該網關內的設備相關邏輯處理，網關間和復雜的邏輯處理都交由服務端應用層進行處理。物聯網網關邏輯處理流程[6]如圖5所示。

2.4 運轉引擎

運轉引擎是物聯網網關層組件運轉的核心組件，整個應用中間件是以事件驅動為動力、運轉引擎任務處理為核心的運轉體系。運轉引擎具有多線程并發處理、多任務調度處理、優先級處理、自動伸縮線程池和接口對接的特點。

運轉引擎需要調度處理各個模塊產生的任務，具體包括事件處理任務、數據處理任務、邏輯處理任務、數據傳輸任務、指令處理任務、配置管理任務等。

圖5 邏輯引擎處理流程

3 結語

物聯網中間件網關設計是物聯網系統工作運轉的核心，物聯網中間件網關層組件的設計是通過分析最下層感知設備(主要包括標簽類設備、計量類傳感器及開關狀態量傳感器等)的特點，充分發揮網關層組件的作用，通過設備管理的驅動程序、運轉引擎、邏輯引擎、連接池、事件處理引擎等技術將底層設備統一化管理，使得當感知設備信息的數據庫軟件或后端發生變化情況發生時，應用端無需修改或只需做簡單修改就能處理，節省多對多連接的維護復雜性問題。同時形成傳感信息統一接入規范，解決物聯網領域產品眾多、標準不統一的問題。

[1]劉化君，劉傳清.物聯網技術[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]楊慧，丁志剛，鄭樹泉，等.一種面向服務的物聯網中間件的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2013，30(5)：65-67.

[3]孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33(3)：1-9.

[4]VILLANUEVA F J，VILLA D，MOYA F，et al.Internet of Things architecture for a RFID-based product tracking business model[C].2012 Sixth International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing，Palermo，2012：811-816.

[5]李杰.物聯網中無線傳感器節點和 RFID數據融合的方法[J].電子設計工程，2011，19(7)：103-106.

[6]張慧麗.JavaEE平臺上松耦合 Web應用模型設計與實現[J].科技信息，2007(16)：334-335.

The design of gateway layer of IoT

Yang Jiandong1，2，Si Nong1，Chen Daoxin2，Wang Pu1，Yang Hao2
（1.School of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Capinfo Compay Limited，Beijing 100080，China）

A service oriented middleware gateway design is proposed in this paper,which sets up the application route and control management through the identification of sensors,receives the data that send from perception layer,conducts the data cleaning and event analysis,then transfers the data or event information that has been cleaned and filtered to the upper layers,and constructs a transparent and standard model of conversation between perception equipment components.The underlying equipment unification management is described from equipment management,engine operation,logic engine and other technical aspects in detail, so that when changes occur in the sensing devices or backend database software,the application client could handle the change without modifying or do simple modification,which will save the maintenance complexity problem of the many-to-many connection, and solve the unified standard problem between numerous products.

IoT；gateway；middleware

TP393

：A

：0258-7998(2015)03-0035-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.007

2014-11-06)

楊建棟(1975-)，男，博士研究生，工程師，主要研究方向：物聯網應用技術。

司農（1979-），男，博士研究生，講師，主要研究方向：物聯網安全。

陳道新（1973-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：物聯網應用技術。