劉明輝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 電子科學(xué)研究院，北京 100041）

物聯(lián)網(wǎng)信息共享演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉明輝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 電子科學(xué)研究院，北京 100041）

文章針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)分散管理、信息共享程度不高等問(wèn)題，提出一種物聯(lián)網(wǎng)信息共享演示系統(tǒng)構(gòu)建方案，演示物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用背景下的感知、傳輸、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)共享平臺(tái)對(duì)各類服務(wù)的注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)等功能，并通過(guò)開發(fā)基于瀏覽器的交互界面，為用戶提供直觀的瀏覽、操控界面。

物聯(lián)網(wǎng)；信息共享；面向服務(wù)；演示系統(tǒng)

作為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大降低成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力。物聯(lián)網(wǎng)被廣泛認(rèn)為是振興經(jīng)濟(jì)、確立競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵戰(zhàn)略。目前，有越來(lái)越多的政府部門和企業(yè)構(gòu)建了自己的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，而如何使各部門和企業(yè)的信息能夠及時(shí)互通，將是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)。應(yīng)對(duì)目前數(shù)據(jù)分散和利用率不高的問(wèn)題，亟須建立面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)信息共享平臺(tái)。

本文將重點(diǎn)研究如何構(gòu)建一套面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)信息共享演示系統(tǒng)，為物聯(lián)網(wǎng)中的感知域和應(yīng)用域搭建橋梁，探討如何通過(guò)面向服務(wù)的技術(shù)體制，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域各類原始數(shù)據(jù)、信息服務(wù)或數(shù)據(jù)產(chǎn)品的按需共享，以技術(shù)上松耦合的方式支持各類政府部門、企業(yè)、機(jī)構(gòu)等用戶的靈活應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)隨需應(yīng)變。

1　系統(tǒng)整體架構(gòu)

演示系統(tǒng)定位于物聯(lián)網(wǎng)多傳感器數(shù)據(jù)融合與共享，擬通過(guò)各類傳感器（壓力、聲音、震動(dòng)、紅外、RFID等）采集模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊或RFID讀頭將傳感器采集到的數(shù)據(jù)收集到數(shù)據(jù)庫(kù)中，由面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)信息共享平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，將各類傳感器的感知能力封裝為服務(wù)，向用戶提供靈活的服務(wù)組合與編排能力，用戶可通過(guò)自定義服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類傳感器的個(gè)性化使用，以及靈活地進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)展示等功能。

1.1系統(tǒng)整體布局

在一個(gè)2.4m×3.6m大小的沙盤上，部署多個(gè)傳感器，并操控各種車輛模型在沙盤上行駛，通過(guò)分析、融合傳感器采集到的數(shù)據(jù)，生成目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將相關(guān)的航跡信息封裝為服務(wù)，供各類上層應(yīng)用程序調(diào)用，最終在顯示界面上顯示各類車輛模型的運(yùn)動(dòng)軌跡，演示系統(tǒng)整體布局示意如圖1所示。

1.2系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

演示系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖2所示，通過(guò)壓力、聲音、震動(dòng)、紅外、RFID等傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、清洗后，存儲(chǔ)到采用虛擬化技術(shù)構(gòu)建的云平臺(tái)中，其中采用SOA架構(gòu)開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)全局核心服務(wù)共享平臺(tái)就部署在該云平臺(tái)中。上層的各類應(yīng)用可通過(guò)門戶系統(tǒng)查找、調(diào)用、組合相應(yīng)的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)用戶自定義的按需服務(wù)和柔性重組等功能。

圖1　演示系統(tǒng)整體布局示意

圖2　演示系統(tǒng)邏輯架構(gòu)示意

1.3系統(tǒng)物理架構(gòu)

演示系統(tǒng)的物理架構(gòu)如圖3所示，為了真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用場(chǎng)景，感知層（各類傳感器）和服務(wù)層（全局核心服務(wù)共享平臺(tái)）可能會(huì)分散在各地，之間的網(wǎng)絡(luò)連接可能是廣域網(wǎng)，傳輸速率和傳輸質(zhì)量與局域網(wǎng)環(huán)境差距較大，因此，在構(gòu)建演示系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)開源路由模擬軟件vyatta搭建了由四個(gè)子網(wǎng)組成的模擬廣域網(wǎng)環(huán)境，其中R2子網(wǎng)是由各類傳感器組成的傳感網(wǎng)絡(luò)；R3子網(wǎng)是由虛擬化技術(shù)構(gòu)建的云環(huán)境，核心服務(wù)共享平臺(tái)就部署在該云環(huán)境中；R1子網(wǎng)和R4子網(wǎng)分別模擬各類用戶。

1.4演示系統(tǒng)組成

演示系統(tǒng)共包含如下幾個(gè)模塊：IO接線板、IO數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器信號(hào)采集模塊、485總線轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)接口模塊、RFID讀頭模塊、數(shù)據(jù)采集程序等。

傳感器信號(hào)采集模塊包括壓力、聲音、紅外、震動(dòng)、金屬等傳感器，主要用于通過(guò)多種手段感知運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。由于單一傳感器對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的識(shí)別精度較低，而且覆蓋范圍有限，因此，在本演示系統(tǒng)中，布設(shè)多個(gè)不同類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)活動(dòng)范圍的全覆蓋，確保目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到每個(gè)位置，都有多個(gè)傳感器同時(shí)探測(cè)到該目標(biāo)，從而融合形成比較精確的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。

485總線轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)采集模塊數(shù)據(jù)的上傳，由于傳感器信號(hào)采集模塊通過(guò)485總線進(jìn)行連接，而數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行在一臺(tái)PC機(jī)中，為了將485總線的數(shù)據(jù)接入該P(yáng)C中，需要接口轉(zhuǎn)換模塊將485總線上的數(shù)據(jù)封裝為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，提供給數(shù)據(jù)采集程序使用。

RFID讀頭模塊主要用于讀取貼在目標(biāo)上的RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)屬性的獲取，可以類比為在現(xiàn)實(shí)生活中讀到車輛的車牌號(hào)碼等信息，便于對(duì)通過(guò)傳感器采集模塊獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行印證和比對(duì)。

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

2.1傳感器類型

演示系統(tǒng)共使用了5類傳感器和RFID讀頭，紅外傳感器用來(lái)判別目標(biāo)是否穿越了收發(fā)端連成的直線；壓力傳感器用來(lái)判別目標(biāo)是否對(duì)傳感器造成了足以觸發(fā)傳感器的壓力，并能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行稱重；金屬傳感器能夠識(shí)別金屬目標(biāo)接近指定區(qū)域；RFID讀頭能夠讀取貼在目標(biāo)模型表面的RFID標(biāo)簽，用來(lái)判別目標(biāo)的屬性。

2.2網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)的核心路由器采用開源路由模擬軟件vyatta，基于BSD系統(tǒng)平臺(tái)的可擴(kuò)展的路由軟件，支持常見路由協(xié)議和QoS策略，可快速設(shè)置路由系統(tǒng)；在開源路由器上模擬路由協(xié)議BGP和OSPF，實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)路由協(xié)議，BGP控制路由信息傳播，OSPF以最短路徑選擇路由；針對(duì)業(yè)務(wù)流程對(duì)帶寬的需求，預(yù)留網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，通過(guò)流量整形的方法，實(shí)施端到端QoS保障。

2.3云環(huán)境

全局核心服務(wù)共享平臺(tái)所在的云環(huán)境采用citrix的XenServer平臺(tái)搭建，通過(guò)在物理機(jī)上構(gòu)建多個(gè)虛擬機(jī)，并在虛擬機(jī)上部署全局核心服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全局核心服務(wù)共享平臺(tái)的門戶、協(xié)同、存儲(chǔ)、搜索等功能。

具體部署的時(shí)候采用了3臺(tái)物理機(jī)，其中物理機(jī)01和02用來(lái)提供計(jì)算資源池，安裝有XenServer和Hyperic Agent，其中XenServer用來(lái)創(chuàng)建虛擬機(jī)，Hyperic Agent為Hyperic Server提供虛擬機(jī)資源信息。

物理機(jī)03用來(lái)做Cluster Controller，部署有NFS 服務(wù)器，物理機(jī)在創(chuàng)建虛擬機(jī)的時(shí)候掛載NFS Sever共享的文件夾，Hyperic Sever用來(lái)監(jiān)控云里所有物理機(jī)及虛擬機(jī)的資源使用情況，創(chuàng)建虛擬機(jī)時(shí)可根據(jù)不同的模板來(lái)創(chuàng)建虛擬機(jī)，從而能夠提供不同的服務(wù)。

2.4系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)采用SOA的架構(gòu)原則，自下而上分為4層：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層和界面顯示層。

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：選用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，把壓力傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)、煙霧傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)、溫度傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)等部署到數(shù)據(jù)庫(kù)中。（2）基礎(chǔ)服務(wù)層：采用Apache的Tuscany，提供基于SCA和SDO的SOA基礎(chǔ)服務(wù)。例如數(shù)據(jù)讀取服務(wù)等。（3）應(yīng)用服務(wù)層：采用Apache的Tuscany，融合基礎(chǔ)服務(wù)和進(jìn)行流程編排，提供識(shí)別服務(wù)和打擊服務(wù)。（4）界面顯示層：采用Flex技術(shù)，允許用戶動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建和修改矢量圖形，有豐富的組件庫(kù)，對(duì)多媒體廣泛支持，支持高級(jí)數(shù)據(jù)通信方式。

通過(guò)SOA方式，在已有業(yè)務(wù)所擁有的服務(wù)模塊基礎(chǔ)上，能夠快速整編生成新業(yè)務(wù)，并自動(dòng)為新業(yè)務(wù)分配計(jì)算和存儲(chǔ)資源。業(yè)務(wù)整編使得新業(yè)務(wù)的開發(fā)具有快速高效的特點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)開發(fā)流程，能充分適應(yīng)用戶不斷變化的業(yè)務(wù)需求。系統(tǒng)能夠提供的基礎(chǔ)服務(wù)有紅外傳感服務(wù)、金屬傳感服務(wù)、壓力傳感服務(wù)、聲音傳感服務(wù)、RFID傳感服務(wù)；融合服務(wù)有軌跡融合服務(wù)和目標(biāo)識(shí)別服務(wù)。

從用戶選擇服務(wù)，進(jìn)行編排到最終的界面展示，整個(gè)過(guò)程大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)流程，如圖4所示，用戶通過(guò)瀏覽器界面對(duì)服務(wù)進(jìn)行編排與組合，發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)總線（ESB）收到服務(wù)請(qǐng)求后，向云環(huán)境發(fā)出資源請(qǐng)求，由云環(huán)境統(tǒng)一進(jìn)行資源的調(diào)配與組合，為用戶提供定制化的服務(wù)，服務(wù)調(diào)用的結(jié)果通過(guò)服務(wù)總線（ESB）返回到使用Flex技術(shù)開發(fā)的電子沙盤，以嵌入到瀏覽器的形式顯示給用戶，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，整套系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)構(gòu)建的，用戶只需要與瀏覽器進(jìn)行交互即可。

圖4　系統(tǒng)運(yùn)行流程示意

2.5結(jié)果顯示

系統(tǒng)建成后，可以通過(guò)操控手中的遙控器控制目標(biāo)模型在沙盤上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)模型穿越紅外傳感器，或觸碰到壓力傳感器、震動(dòng)傳感器，接近聲音傳感器、金屬傳感器時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，計(jì)算出目標(biāo)所出的位置。當(dāng)操作遙控器控制目標(biāo)在沙盤上連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶選擇、編排的服務(wù)生成目標(biāo)模型的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與跟蹤。

3　結(jié)語(yǔ)

面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）是一種將功能模塊化為服務(wù)的架構(gòu)風(fēng)格，其核心是實(shí)現(xiàn)服務(wù)和技術(shù)的完全分離，從而達(dá)到服務(wù)的可重用性。本文提出的基于SOA和云平臺(tái)的信息共享演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠較好地展示典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景下信息共享的過(guò)程，是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與SOA技術(shù)進(jìn)行結(jié)合的一次有益嘗試，相信在未來(lái)更廣闊的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中，各種相對(duì)封閉的信息資源如果能以服務(wù)的形式開放出來(lái)，勢(shì)必會(huì)給物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)更大的生機(jī)和活力。

［1］徐鵬，王玉玨，李健.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜述［J］.軟件導(dǎo)刊，2011（5）：50-52.

［2］張毅，唐紅.物聯(lián)網(wǎng)綜述［J］.數(shù)字通信，2010（8）：24。

［3］胡云華.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展［J］.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（3）：119.

［4］彭曉珊.關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景的研究［J］.汕頭科技，2010（1）：25.

［5］胥斌.基于物聯(lián)網(wǎng)的信息共享平臺(tái)設(shè)計(jì)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2010.

Design and Implementation of the IOT Information Sharing Demonstration System

Liu Minghui
（CAEIT of CETC，Beijing 100041， China）

Aiming at decentralized management of application data and low level of information sharing of IOT， proposed a solution of an IOT information sharing demonstration system， to demonstrate perception， transmission， and other aspects of a typical IOT application， to verify registration， discovery and other functions， and through the development of browser-based interface， provides users with an intuitive browsing，control interface.

Internet of things； information sharing； service oriented； demonstration system

劉明輝（1979-），男，河南?？h，高級(jí)工程師；研究方向：綜合電子信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成。

圖3 演示系統(tǒng)物理架構(gòu)示意