陳琦帆 舒 堅(jiān) 孟令沖 劉琳嵐

1(南昌航空大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究所 江西 南昌 330063)2(南昌航空大學(xué)軟件學(xué)院 江西 南昌 330063)3(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 江西 南昌 330063)

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基于虛擬接入物聯(lián)網(wǎng)中間件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳琦帆1,2舒 堅(jiān)1,2孟令沖1,3劉琳嵐1,3

1(南昌航空大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究所 江西 南昌 330063)2(南昌航空大學(xué)軟件學(xué)院 江西 南昌 330063)3(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 江西 南昌 330063)

提出一種基于虛擬接入的物聯(lián)網(wǎng)中間件平臺(tái)VAM(Virtual Access Middleware)。通過(guò)引入虛擬接入層，將異構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換為中間件平臺(tái)的內(nèi)部協(xié)議，從而屏蔽了傳感網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，為應(yīng)用層訪(fǎng)問(wèn)異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)。詳細(xì)介紹此中間件平臺(tái)虛擬接入模塊以及平臺(tái)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，并通過(guò)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下的應(yīng)用，驗(yàn)證了VAM中間件的可行性，降低了應(yīng)用層軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度。

中間件 物聯(lián)網(wǎng) 虛擬接入 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)[1]是以互聯(lián)網(wǎng)作為核心，在其基礎(chǔ)上通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)[2]、無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別(RFID)[3]以及智能嵌入式技術(shù)[4]等實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息交互與共享。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)在日常生活用品中嵌入各種具有短距離移動(dòng)收發(fā)功能的嵌入式設(shè)備，使得人與物、物與物之間能夠以一種新穎的方式進(jìn)行相互通信。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)主要包含感知層和應(yīng)用層。感知層的功能是對(duì)所有物理的和虛擬的“物”的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。應(yīng)用層則負(fù)責(zé)對(duì)底層感知設(shè)備的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。應(yīng)用層與感知層的高耦合性導(dǎo)致應(yīng)用層軟件在感知層的感知設(shè)備改變時(shí)需要進(jìn)行大幅調(diào)整以適應(yīng)不同的感知設(shè)備。

為了解決上述問(wèn)題,在物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)中引入了“中間件”。物聯(lián)網(wǎng)中間件是位于感知層與應(yīng)用層之間的軟件層，它能夠屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的個(gè)體特征，解決了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中感知層設(shè)備的多樣性和復(fù)雜性問(wèn)題[5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中間件已有相關(guān)研究。例如：TinyDB[6]是一種基于TinyOS[7]操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)中間件，雖然其可以通過(guò)數(shù)據(jù)融合機(jī)制減輕冗余數(shù)據(jù)對(duì)帶寬的損耗，但它只支持同構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，不能滿(mǎn)足實(shí)用性需求。FoK等[8]則提出一種基于移動(dòng)代理的中間件“Agilla”。通過(guò)Agent的移動(dòng)，能夠有效消減網(wǎng)絡(luò)通信開(kāi)銷(xiāo)從而加快任務(wù)執(zhí)行，但由于其是基于TinyOS 1.X的操作系統(tǒng)，故不太適用于較復(fù)雜的傳感器環(huán)境。王凡[9]通過(guò)數(shù)據(jù)過(guò)濾的方式將ZigBee[10]和射頻識(shí)別網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中間件的設(shè)計(jì)。Terzis等[11]提出了一種基于虛擬機(jī)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中間件，其良好的柔韌性使得傳感網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行快速部署和開(kāi)發(fā)。

本文提出一種基于虛擬接入的物聯(lián)網(wǎng)中間件(VAM)模型，并基于該模型實(shí)現(xiàn)了適用于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的中間件系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)虛擬接入技術(shù)接入異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一化底層網(wǎng)絡(luò)并使感知層的網(wǎng)絡(luò)接入透明化。同時(shí)，本平臺(tái)提供豐富的服務(wù)并保證了中間件服務(wù)的可擴(kuò)展性，為上層應(yīng)用提供了統(tǒng)一的接口。

1 VAM中間件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于虛擬接入的物聯(lián)網(wǎng)中間件平臺(tái)的基本功能是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的底層網(wǎng)絡(luò)的接入并為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù)和統(tǒng)一的接口。

1.1 VAM中間件平臺(tái)的總體架構(gòu)

基于虛擬接入的物聯(lián)網(wǎng)中間件平臺(tái)主要由應(yīng)用層、中間件層和感知層組成，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 VAM中間件架構(gòu)

VAM中間件平臺(tái)的核心職責(zé)是提供服務(wù)支撐。服務(wù)支撐主要包括基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)交換服務(wù)以及應(yīng)用管理服務(wù)。其中，基礎(chǔ)服務(wù)實(shí)現(xiàn)VAM中間件平臺(tái)的基本功能，包括數(shù)據(jù)管理、目錄服務(wù)等。數(shù)據(jù)交換服務(wù)用于平臺(tái)內(nèi)部的數(shù)據(jù)分發(fā)與訂閱。應(yīng)用管理服務(wù)向應(yīng)用層提供應(yīng)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(gè)性特征，轉(zhuǎn)換為平臺(tái)層能夠識(shí)別的共性特征，使得各種各樣的底層網(wǎng)絡(luò)能夠統(tǒng)一接入平臺(tái)內(nèi)部。

VAM中間件平臺(tái)為上層應(yīng)用屏蔽底層因接入不用網(wǎng)絡(luò)而帶來(lái)的差異,使得上層應(yīng)用可以集中于服務(wù)層面的開(kāi)發(fā),與底層硬件實(shí)現(xiàn)低藕合。中間件的使用降低了應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)難度,同時(shí)使上層應(yīng)用不需要直接面對(duì)底層架構(gòu)，而通過(guò)中間件進(jìn)行調(diào)用,增強(qiáng)了應(yīng)用服務(wù)的可復(fù)用性。

1.2 VAM通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

協(xié)議是為網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定的集合。協(xié)議也是一個(gè)通信程序的精華所在。VAM中間件平臺(tái)不僅需要保證平臺(tái)內(nèi)部虛擬接入模塊與服務(wù)支撐模塊的數(shù)據(jù)傳輸，而且還需要與異構(gòu)的底層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。所以，本文設(shè)計(jì)了兩種通信協(xié)議即：與底層網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和與平臺(tái)內(nèi)部通信的協(xié)議。

由于底層網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，虛擬接入層與底層網(wǎng)絡(luò)的通信無(wú)法采用通用的通信協(xié)議。所以，VAM中間件平臺(tái)向用戶(hù)提供協(xié)議注冊(cè)服務(wù)，用戶(hù)可以根據(jù)不同的底層網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)不同的協(xié)議。VAM會(huì)將注冊(cè)的協(xié)議寫(xiě)入XML文件中。虛擬接入層與底層網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，首先讀取XML文件，解析出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議以實(shí)現(xiàn)與異構(gòu)的底層網(wǎng)絡(luò)通信。

虛擬接入層與平臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互所需的協(xié)議是平臺(tái)內(nèi)部協(xié)議。當(dāng)虛擬接入層完成底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的解析后，需要將數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP通信方式發(fā)送到平臺(tái)內(nèi)部。平臺(tái)內(nèi)部根據(jù)數(shù)據(jù)的封裝的格式再將數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，最后將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)并分發(fā)給服務(wù)訂閱者。此過(guò)程的數(shù)據(jù)封裝和數(shù)據(jù)的還原需要設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用的通信協(xié)議格式，以便虛擬接入層與平臺(tái)內(nèi)部有效的通信。

為了有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議格式的通用性，底層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包由4部分組成：必備數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、其他數(shù)據(jù)。必備數(shù)據(jù)表示每一種協(xié)議必不可少的數(shù)據(jù)，主要有消息類(lèi)型、節(jié)點(diǎn)ID、消息長(zhǎng)度等。感知數(shù)據(jù)表示應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)，例如節(jié)點(diǎn)的電壓值等。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)表示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括路由信息、鄰居信息等。其他數(shù)據(jù)表示程序無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)，以便日后擴(kuò)展使用。平臺(tái)內(nèi)部通用通信格式如圖2所示。

圖2 平臺(tái)內(nèi)部通信協(xié)議

1.3 虛擬接入模塊的設(shè)計(jì)

虛擬接入層的主要職責(zé)是屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的差異性，為底層網(wǎng)絡(luò)提供一套相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和協(xié)議來(lái)完成不同傳感網(wǎng)上傳的感知數(shù)據(jù)的解析。這就要求虛擬接入層能夠完成底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式到平臺(tái)內(nèi)部數(shù)據(jù)包格式之間的轉(zhuǎn)換，虛擬接入層體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 虛擬接入層結(jié)構(gòu)圖

虛擬接入層可與底層網(wǎng)絡(luò)Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)收到不同底層網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)，虛擬接入層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將相關(guān)數(shù)據(jù)流持久化寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

虛擬接入層在解析Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)XML文件中所注冊(cè)的協(xié)議來(lái)解析消息包中的數(shù)據(jù)區(qū)，最終得到底層網(wǎng)絡(luò)的感知數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。通過(guò)解包過(guò)程得到有效消息后，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的平臺(tái)內(nèi)部的消息格式對(duì)有效消息進(jìn)行封裝，然后通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送給上層應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行處理。

2 VAM中間件平臺(tái)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)下的應(yīng)用

本文以水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用為背景，通過(guò)對(duì)VAM中間件平臺(tái)的部署與實(shí)際應(yīng)用來(lái)驗(yàn)證其可行性和有效性。

2.1 總體設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由VAM中間件平臺(tái)、應(yīng)用客戶(hù)端和底層感知網(wǎng)絡(luò)三部分組成。底層感知網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)水質(zhì)信息的監(jiān)測(cè)與采集；VAM中間件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的接入與應(yīng)用服務(wù)的支撐；應(yīng)用客戶(hù)端為用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 VAM通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML)[12]用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語(yǔ)言，可以用來(lái)標(biāo)記數(shù)據(jù)、定義數(shù)據(jù)類(lèi)型，是一種允許用戶(hù)對(duì)自己的標(biāo)記語(yǔ)言進(jìn)行定義的源語(yǔ)言。在本文中，XML主要用于存儲(chǔ)平臺(tái)內(nèi)部的協(xié)議格式及用戶(hù)注冊(cè)的協(xié)議格式。XML的讀寫(xiě)是通過(guò)基于C++語(yǔ)言的TinyXML模塊實(shí)現(xiàn)的。

平臺(tái)內(nèi)部協(xié)議格式中，協(xié)議里的每一個(gè)字段對(duì)應(yīng)XML協(xié)議的每一個(gè)item，而每一個(gè)item中又包含了id、type、length、等基本屬性。其中，id表示協(xié)議編號(hào)；divide表示當(dāng)前item下是否存在子item；length表示這個(gè)字段的長(zhǎng)度；type表示這個(gè)字段對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是何種數(shù)據(jù)類(lèi)型(0表示感知數(shù)據(jù)，1表示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，2表示必備數(shù)據(jù)，3表示無(wú)關(guān)數(shù)據(jù))。以下片段展示了平臺(tái)內(nèi)部協(xié)議配置的XML文件：

…

…

2.3 VAM通信流程

VAM通信主要通過(guò)SinkSocket類(lèi)來(lái)完成，它是TCP/IP的多線(xiàn)程Socket通信類(lèi)[13]。虛擬接入層初始化工作完成后，此時(shí)SinkSocket服務(wù)已經(jīng)啟動(dòng)。首先SinkSocket服務(wù)會(huì)啟動(dòng)一個(gè)守護(hù)線(xiàn)程，該線(xiàn)程除非是關(guān)閉SinkSocket，否則是不會(huì)掛起或銷(xiāo)毀，守護(hù)線(xiàn)程的主要目的是監(jiān)聽(tīng)Socket的連接請(qǐng)求。當(dāng)有一個(gè)新的連接到來(lái)時(shí)，守護(hù)線(xiàn)程即為該連接創(chuàng)建一個(gè)新的線(xiàn)程，該線(xiàn)程專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)此連接Socket的數(shù)據(jù)收發(fā)。

SinkSocket數(shù)據(jù)包接收過(guò)程如下：首先SinkSocket從Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)[14]，如果接收成功則將該組數(shù)據(jù)發(fā)往上一層進(jìn)行二次解包。在上一層中，根據(jù)所注冊(cè)的協(xié)議來(lái)解析數(shù)據(jù)包。當(dāng)把感知數(shù)據(jù)消息包頭和包尾信息(節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、路由跳數(shù)等基本信息)去掉后，余下部分?jǐn)y帶節(jié)點(diǎn)上行消息的主要內(nèi)容。根據(jù)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型不同，數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不同，因此使用XML文件中自定義的數(shù)據(jù)段描述進(jìn)行解包。解包完成后，根據(jù)包頭的消息類(lèi)型將數(shù)據(jù)包分發(fā)給各個(gè)函數(shù)進(jìn)行處理。VAM與底層通信活動(dòng)圖如圖5所示。

圖5 與底層網(wǎng)絡(luò)通信工作活動(dòng)圖

2.4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部署與實(shí)現(xiàn)

本文通過(guò)在南昌航空大學(xué)前胡校區(qū)的湖泊內(nèi)部署基于VAM中間件平臺(tái)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以驗(yàn)證VAM中間件平臺(tái)的有效性。其中，VAM中間件平臺(tái)由C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，采用了Socket通信編程、共享內(nèi)存、并發(fā)編程等技術(shù)。應(yīng)用客戶(hù)端是由Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的Web端程序，采用JNI[15]、DWR[16]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)與VAM中間件平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互間。感知層由TinyOS網(wǎng)絡(luò)與Zigbee網(wǎng)絡(luò)兩種異構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其應(yīng)用層軟件、中間件平臺(tái)層和感知層系統(tǒng)部署圖如圖6-圖8所示。

圖6 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用層軟件

圖7 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中間件平臺(tái)

圖8 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感知層部署

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于虛擬接入的物聯(lián)網(wǎng)中間件平臺(tái)。首先，本文介紹了VAM中間件平臺(tái)的基礎(chǔ)架構(gòu)。接著詳細(xì)介紹了虛擬接入模塊和平臺(tái)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。隨后，詳細(xì)描述了VAM中間件平臺(tái)的通信協(xié)議和通信流程。最后，通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，驗(yàn)證了VAM中間件平臺(tái)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(xué)?？萍悸涞赜?jì)劃項(xiàng)目(KJLD14054)。陳琦帆，碩士生，主研領(lǐng)域：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。舒堅(jiān)，教授。孟令沖，碩士生。劉琳嵐，教授。

TP311

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