李海威

(廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心，廣東 廣州 510033)

0 引 言

隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合并快速發(fā)展,對(duì)建設(shè)新型智慧城市起到了積極的推動(dòng)作用[1]。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，作為解決“物聯(lián)網(wǎng)”的數(shù)據(jù)傳感和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，具有廣泛的用途[2]。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)有效解決了“物聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展的數(shù)據(jù)鏈路問題，其市場(chǎng)需求必將隨著“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展而不斷增加，產(chǎn)業(yè)化前景非常美好[3]。

1 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)主要解決的功能和問題

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，既是多種傳感設(shè)備的通信控制網(wǎng)關(guān)，也是大量移動(dòng)傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)接收網(wǎng)關(guān)，利用云計(jì)算的服務(wù)模式在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代架起感知網(wǎng)和信息網(wǎng)絡(luò)間傳輸通信的“橋梁”，是軟硬件一體化集成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)交換中間件[4]。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)提供圖形化的數(shù)據(jù)流程定義工具，方便應(yīng)用，無需復(fù)雜開發(fā)，并支持多種接口協(xié)議(SMS、RFid、IM、Mail等)，支持常見數(shù)據(jù)庫(Oracle、SQL Server、DB2……)，支持消息隊(duì)列(MS MQ、IBM MQ……)，并可隨時(shí)擴(kuò)充協(xié)議、數(shù)據(jù)適配器接口[5]。

如圖1所示，文中研究開發(fā)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)參考restful架構(gòu)[6-7]，將通過各種有線和無線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(如Longwork、RuBee、串口、并口、電力線載波、藍(lán)牙、Zigbee、其他無線載波)連接多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)可以通過各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議(如有線無線寬帶Internet、3G、GPRS、WiFi等)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)通信的骨架[8]。各種智慧城市物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通過該網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的通信架構(gòu)匯總到云計(jì)算平臺(tái)中進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，然后以云服務(wù)的方式進(jìn)行發(fā)布，供各種應(yīng)用程序使用，使得應(yīng)用程序可以在統(tǒng)一的調(diào)用接口下透明地進(jìn)行智慧城市物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的管理[9]。

圖1 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)要解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議的多樣性、海量數(shù)據(jù)采集處理、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性等問題，使應(yīng)用程序可透明地訪問傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采集到的信息[10]?，F(xiàn)階段的各種信息網(wǎng)絡(luò)如果通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，則可以得到進(jìn)一步的延伸與擴(kuò)展，能夠構(gòu)建包括骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、近程感知網(wǎng)等各類網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的整體性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以將不同時(shí)空不同應(yīng)用的感知網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起。因此，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)便成為各網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)[11]。

2 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的技術(shù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采用分層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)技術(shù)架構(gòu)

(1)感知接入層。

感知接入層主要包括有源標(biāo)簽、RFID、ZigBee、WiFi等感知設(shè)備和感知網(wǎng)絡(luò)。主要通過這些設(shè)備的接入并支持外插拔模塊進(jìn)行多種協(xié)議的解析并感知各類型網(wǎng)絡(luò)，最終可能根據(jù)不同的場(chǎng)景選擇不同的特定協(xié)議，達(dá)到感知網(wǎng)絡(luò)的目的。

(2)適配器層。

適配器層主要包括接口管理和協(xié)議解析，用于管理感知層所接入和收集的標(biāo)準(zhǔn)接口，通過適配器處理不同的數(shù)據(jù)協(xié)議，最終標(biāo)準(zhǔn)化各類數(shù)據(jù)和指令。

(3)轉(zhuǎn)換控制層。

轉(zhuǎn)換控制層主要包括遠(yuǎn)程管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。其將下層的感知網(wǎng)絡(luò)、適配器兩層的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝，將上層的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)進(jìn)行通信對(duì)接，實(shí)現(xiàn)管理協(xié)議在上下層之間的相互轉(zhuǎn)換和通信。這一層還提供數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、存儲(chǔ)功能，可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，也可以發(fā)送到消息隊(duì)列，由消息隊(duì)列進(jìn)行后續(xù)處理。

(4)信息網(wǎng)絡(luò)接入層。

支持多種接入方式，這樣數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)可以通過信息網(wǎng)絡(luò)傳送到上層管理平臺(tái)，為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、行業(yè)應(yīng)用開發(fā)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來源。

3 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)所采用的關(guān)鍵技術(shù)

1)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)處理技術(shù)。

文中利用高性能、高并發(fā)服務(wù)器的開發(fā)技術(shù)，使得數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具備大吞吐量數(shù)據(jù)接收處理服務(wù)的能力和大并發(fā)移動(dòng)傳感設(shè)備接入的能力，實(shí)現(xiàn)并發(fā)處理多事件的應(yīng)用程序，主要包括：

(1)多線程模型。

該模型簡(jiǎn)單易用，效率也不錯(cuò)，主要采用能夠隱式地運(yùn)行和維護(hù)堆棧狀態(tài)信息和歷史的阻塞型I/O等同步操作進(jìn)行程序編寫，為每一個(gè)鏈接均創(chuàng)建一個(gè)線程。特別是對(duì)于少量并發(fā)連接的情況，該模型能夠很好地通過創(chuàng)建相應(yīng)的線程數(shù)進(jìn)行處理，采用普通的PC機(jī)均能勝任。如果出現(xiàn)需要處理特別多的并發(fā)數(shù)據(jù)，達(dá)到千萬級(jí)別的連接數(shù)量時(shí)，就需要采用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算[12]。

(2)事件驅(qū)動(dòng)的單線程模型。

跟多線程模型相比，該模型具有擴(kuò)展性高、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。其主要由一個(gè)主線程和多個(gè)異步操作組成，并由主線程統(tǒng)一調(diào)度和管理。當(dāng)出現(xiàn)多任務(wù)阻塞時(shí)，可以自動(dòng)轉(zhuǎn)化為異步操作，這些異步操作均由主線程發(fā)起并處理相應(yīng)的結(jié)果。該模型通常具有較好的性能，因?yàn)橹骶€程的主要任務(wù)用于處理實(shí)際的計(jì)算任務(wù)，節(jié)省了多線程調(diào)度所損耗的時(shí)間。但由于需要將阻塞任務(wù)轉(zhuǎn)化為異步操作，因此編程較復(fù)雜[13]。

文中提出了半異步模式，即將多線程模型和事件驅(qū)動(dòng)的單線程模型相結(jié)合，使系統(tǒng)既有異步處理又有同步處理。利用異步處理改善系統(tǒng)的性能，使用多線程、即同步處理簡(jiǎn)化開發(fā)人員的編程難度，使數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)在處理應(yīng)用程序時(shí)達(dá)到一定的平衡，提高綜合的數(shù)據(jù)處理能力?；谠朴?jì)算的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)主要采用異步服務(wù)通信層和同步服務(wù)通信層兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)，將需要多線程處理的應(yīng)用采用同步處理通信層，將需要提高性能的應(yīng)用分配給異步處理通信層，但兩層之前能夠相互通信并能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，知道各層之前的應(yīng)用處理情況。

值得注意的是，基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)為更好地利用云計(jì)算技術(shù)，達(dá)到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)彈性配置和綜合應(yīng)用的目的，在同步通信層和異步通信層之間增加一個(gè)交互層，用于協(xié)調(diào)異步和同步層中服務(wù)之間的通信，在獨(dú)立線程或進(jìn)程中同步地處理高層服務(wù)(如耗時(shí)長的數(shù)據(jù)庫查詢或文件傳輸)，從而簡(jiǎn)化并發(fā)編程。相反，異步處理底層服務(wù)(如從網(wǎng)絡(luò)連接上讀取數(shù)據(jù))，以增強(qiáng)性能。如果駐留在相互獨(dú)立的同步和異步層中的服務(wù)需要相互通信或同步它們的處理，則應(yīng)允許它們通過一個(gè)排隊(duì)層向?qū)Ψ絺鬟f消息。這種解決方案將極大地提升服務(wù)器的性能。

2)對(duì)象數(shù)據(jù)庫編碼與格式轉(zhuǎn)換。

該數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)主要處理對(duì)象數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)，如ORACLE、SQL SERVER、SYSBASE等主流數(shù)據(jù)庫。對(duì)象編碼兼容多個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如EPC的編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)象信息采用XML編寫。網(wǎng)關(guān)采用SOAP協(xié)議提供對(duì)象數(shù)據(jù)庫的檢索服務(wù)[14]。

該數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方面，綜合了8種編碼類型[15]：GID，SGTIN，SSCC，SGLN，GRAI，GIAI，GSRN，GDTI；按編碼方式分類，它們的轉(zhuǎn)換方案(針對(duì)EPC標(biāo)簽URI格式)如圖3所示。

圖3 編碼格式轉(zhuǎn)換

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)種類繁多，格式各異，對(duì)于各種數(shù)據(jù)和設(shè)備管理存在多種困難。通過基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)開發(fā)，可以解決如下問題：

(1)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集要解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議的多樣性、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性等問題，使應(yīng)用程序可透明地訪問傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采集到的信息。

(2)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該是多樣性的，不局限于某一類或某一領(lǐng)域的應(yīng)用情景。對(duì)于不同的應(yīng)用，展現(xiàn)技術(shù)是不同的。通過該網(wǎng)關(guān)可以支持多種不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這樣就對(duì)數(shù)據(jù)展現(xiàn)架構(gòu)提出了靈活性和擴(kuò)展性的需求。

因此，文中提出的開發(fā)基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具有一定的社會(huì)效益。

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