0 引言

    多元感知設(shè)備隨傳感器技術(shù)的發(fā)展逐漸推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并已正式被列為國家五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。物聯(lián)網(wǎng)是嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成，由計(jì)算系統(tǒng)和執(zhí)行器的嵌入式系統(tǒng)等異構(gòu)系統(tǒng)組成。隨著非標(biāo)準(zhǔn)化感知設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的大規(guī)模接入，多元通信協(xié)議、異構(gòu)設(shè)備信息、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)管理等異構(gòu)問題成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)，應(yīng)用開發(fā)者不僅需要關(guān)注用戶的需求業(yè)務(wù)，也需要以模型化方式處理底層的基礎(chǔ)化數(shù)據(jù)^[1-2]。國內(nèi)外對這種碎片化異構(gòu)接入問題的研究主要側(cè)重于針對具體的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)來進(jìn)行底層數(shù)據(jù)采集與融合，如采用中間件技術(shù)利用融合器消除針對ZigBee和RFID的異構(gòu)接入問題^[3]。但是目前針對平臺化業(yè)務(wù)擴(kuò)展以及融合互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的物聯(lián)接入系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，也沒有統(tǒng)一的碎片化異構(gòu)處理模型。本文提出一種基于Web服務(wù)的物聯(lián)接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，該系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的客戶端服務(wù)器(Client/Server，C/S)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，將單一化基礎(chǔ)操作業(yè)務(wù)進(jìn)行面向服務(wù)架構(gòu)(Service-Oriented Architecture，SOA)建模，再利用Web技術(shù)進(jìn)行模型化服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)封裝整套感知設(shè)備物聯(lián)接入流程與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用業(yè)務(wù)與感知設(shè)備之間的無縫交互。

1 物聯(lián)接入系統(tǒng)模型

    物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為三層架構(gòu)，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層^[4]，本文基于Intel ATOM處理器和Fedora操作系統(tǒng)，以SOA模式，將程序運(yùn)行流程建模為若干接入服務(wù)模型。物聯(lián)接入系統(tǒng)將上下位機(jī)封裝在同一系統(tǒng)內(nèi)部，將三層架構(gòu)業(yè)務(wù)貫通，通過USB、RS485等硬件接口及其協(xié)議直接獲取感知層的物理實(shí)體數(shù)據(jù)，通過核心處理模塊完成碎片化異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析，通過Web應(yīng)用接口聯(lián)通具體信息化業(yè)務(wù)。

1.1 面向服務(wù)模型

    傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的接入系統(tǒng)針對單一業(yè)務(wù)的一種或一類設(shè)備進(jìn)行針對性較強(qiáng)的閉環(huán)控制，底層控制業(yè)務(wù)細(xì)節(jié)描述較多，耦合度較高，不利于擴(kuò)展應(yīng)用。SOA架構(gòu)的引入可以將程序流程抽象為服務(wù)模型，并實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)松耦合，將具體的閉環(huán)控制流程轉(zhuǎn)換為粗粒度服務(wù)邏輯，便于服務(wù)模型以組件形式進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)與部署^[5]。引入SOA的物聯(lián)接入系統(tǒng)模型如圖1所示，模型擴(kuò)寬單一業(yè)務(wù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)為一種直接基于Web端服務(wù)配置的接入設(shè)備管控平臺，在實(shí)際物聯(lián)接入系統(tǒng)中將通過HTTP協(xié)議請求的人機(jī)交互界面稱為上位機(jī)，并作為服務(wù)提供者；將通過操控線程實(shí)際管理接入設(shè)備的接入控制器稱為下位機(jī)，并作為服務(wù)消費(fèi)者。二者之間的交互業(yè)務(wù)為封裝在消息管道中的一系列服務(wù)，該服務(wù)通過服務(wù)代理進(jìn)行規(guī)約，來面向不同的基礎(chǔ)操作。服務(wù)代理以文本和數(shù)據(jù)表的形式存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，通過此種文件類協(xié)議對服務(wù)進(jìn)行分發(fā)和約束。在服務(wù)提供者、服務(wù)消費(fèi)者和服務(wù)代理之間的SOA模型構(gòu)建完成后，上位機(jī)可直接通過訂閱發(fā)布模式，統(tǒng)一下發(fā)需求指令，消息管道中的各類服務(wù)在協(xié)同完成操控接入設(shè)備任務(wù)后，將所需返回的統(tǒng)一化數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，完成這個(gè)接入基礎(chǔ)化操作流程。接入設(shè)備的碎片化異構(gòu)問題通過各類服務(wù)按照代理規(guī)約的處理協(xié)議進(jìn)行消除。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)模型

    物聯(lián)接入系統(tǒng)核心處理模塊采用Intel公司ATOM芯片作為核心處理器(CPU)，1 GB同步隨機(jī)存儲器(DDR SDRAM)，8 GB固態(tài)硬盤（SSD）；外圍設(shè)備提供串行數(shù)據(jù)收發(fā)的USB接口，支持界面開發(fā)調(diào)試的VGA接口；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)置網(wǎng)卡，并提供WLAN模塊和Ethernet以太網(wǎng)口。CPU采用雙發(fā)射復(fù)雜指令集（CISC），可處理規(guī)模較為龐大的工程。系統(tǒng)移植Fedora Linux操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)安全性能高，目錄結(jié)構(gòu)精簡，并且適合多平臺開發(fā)操作。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。控制臺、中央處理單元以及RS485總線接口和USB接口均集成在以ATOM中央處理單元為核心的植入Fedora操作系統(tǒng)的嵌入式控制設(shè)備上。控制臺與中央處理單元雖然在同一硬件系統(tǒng)之中，但是中央處理單元偏重于描述嵌入式系統(tǒng)對基礎(chǔ)信號與數(shù)據(jù)的基于CISC的運(yùn)算處理，而控制臺側(cè)重于描述在可視化界面下通過瀏覽器的人機(jī)交互接口以及SOA模型關(guān)于服務(wù)在消息管道中的交互流程。由于Web服務(wù)可擴(kuò)展性良好，因此可以通過HTTP協(xié)議從遠(yuǎn)程PC端或其他嵌入式終端對本系統(tǒng)進(jìn)行訪問。對于底層感知設(shè)備，支持RS485的總線型感知設(shè)備直接與RS485總線接口相連接，根據(jù)RS485通信幀格式進(jìn)行交互；支持ZigBee協(xié)議的感知設(shè)備可與ZigBee終端進(jìn)行綁定，若干ZigBee終端借由通過協(xié)議棧構(gòu)建的自組網(wǎng)絡(luò)將無線感知設(shè)備的數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總到ZigBee協(xié)調(diào)器，并通過協(xié)調(diào)器的USB接口傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)。

2 物聯(lián)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    根據(jù)Web服務(wù)的物聯(lián)接入系統(tǒng)模型，分別設(shè)計(jì)SOA模型與系統(tǒng)上位機(jī)、下位機(jī)及其交互過程的結(jié)構(gòu)流程。設(shè)計(jì)基于RS485和ZigBee協(xié)議的接入流程，完成整體系統(tǒng)的軟硬件對接工作。

2.1 SOA模型的組件設(shè)計(jì)

    如圖3所示，Web服務(wù)根據(jù)具體應(yīng)用需求抽象為消息形式，通過統(tǒng)一化發(fā)布模式在SOA模型組件中下發(fā)，持久化在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的配置數(shù)據(jù)以交互協(xié)議的身份對下發(fā)的消息進(jìn)行規(guī)約，規(guī)約過程通過修改原始信息幀格式以及添加狀態(tài)碼等方式，將統(tǒng)一的消息分割為相互獨(dú)立的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)解耦過程。獨(dú)立服務(wù)中嵌入執(zhí)行器描述性指令，在下發(fā)指令時(shí)向線程池申請線程，并通過多線程并發(fā)方式將指令信息以各種執(zhí)行器的執(zhí)行模式下發(fā)到控制器。控制器直接與感知層物聯(lián)接口相連，可將各執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)以串行輸出的形式寫入到實(shí)際設(shè)備中，完成對應(yīng)用的實(shí)際設(shè)備的管理。設(shè)備的接入與數(shù)據(jù)回饋過程與之流程相反，因而通過SOA模型組件可以實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備接入管理過程中的數(shù)據(jù)透傳。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    根據(jù)物聯(lián)接入系統(tǒng)模型的劃分，按照上位機(jī)、下位機(jī)和消息管道分別進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

2.2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    上位機(jī)采用Java語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合J2EE框架實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)管理前后臺，通過Tomcat輕量級服務(wù)器發(fā)布，可通過瀏覽器直接訪問。上位機(jī)軟件流程如圖4所示，主要實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)的動(dòng)態(tài)配置以及接入管理數(shù)據(jù)的消息流形式下發(fā)，其間不僅要監(jiān)聽本地的配置響應(yīng)，還偵聽遠(yuǎn)程訪問中的基于HTTP協(xié)議的請求數(shù)據(jù)流。此外，上位機(jī)也實(shí)時(shí)接收下位機(jī)上傳的物聯(lián)接入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更上層的具體應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯支持及可視化數(shù)據(jù)展示等功能。

2.2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    下位機(jī)采用C++語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過Linux操作系統(tǒng)下的多線程庫pthread進(jìn)行類庫支持，通過GCC標(biāo)準(zhǔn)編譯器進(jìn)行源碼編譯，最后通過與附加文件的連接，直接在嵌入式系統(tǒng)中生成可執(zhí)行文件。下位機(jī)軟件流程如圖5所示，主要通過偵聽消息通道獲取上位機(jī)下發(fā)的操作流消息。如表1所示，根據(jù)配置數(shù)據(jù)庫約定的協(xié)議規(guī)則解析拆分消息為控制字?jǐn)?shù)據(jù)，標(biāo)定服務(wù)類型的數(shù)據(jù)直接持久化在ROM中，并掃描存儲注冊設(shè)備的文件信息，如存在合法接入的設(shè)備，則將控制字中實(shí)際用于操作設(shè)備的字節(jié)進(jìn)行分發(fā)。

2.2.3 消息管道軟件設(shè)計(jì)

    消息管道遵循管道過濾器設(shè)計(jì)模式^[6]，以松耦合框架技術(shù)，融合消息過濾機(jī)制實(shí)現(xiàn)。消息管道將數(shù)據(jù)以過濾器鏈形式上傳下發(fā)。消息管道如圖6所示，將程序初始化完畢即與上位機(jī)對接并輪詢掃描配置文件中的系統(tǒng)內(nèi)通信協(xié)議，并據(jù)此以規(guī)則分配服務(wù)，該分配過程通過框架維護(hù)的獨(dú)立代碼類實(shí)現(xiàn)。服務(wù)過濾器以組件形式集成于框架之中，并與相關(guān)代碼類動(dòng)態(tài)組合，按不同服務(wù)封裝為不同執(zhí)行的描述信息。過濾器采用多層結(jié)構(gòu)，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)編解碼、數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)套接字傳輸。通過過濾器鏈的服務(wù)各自排隊(duì)申請線程池中的資源，得到資源的服務(wù)即刻向下觸發(fā)服務(wù)，該過程通過多線程調(diào)度，可并發(fā)執(zhí)行。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    根據(jù)基于Web服務(wù)的SOA模型以及物聯(lián)接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，在嵌入式環(huán)境下的操作系統(tǒng)中，利用Java Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與消息管道功能，利用C++與多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)功能。系統(tǒng)對接完畢后，感知層實(shí)際設(shè)備接入部分，分別利用Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)ZigBee星型自組網(wǎng)，利用ModBus協(xié)議下的差分信號開關(guān)端子實(shí)現(xiàn)RS485接口。通過硬件接口利用無線和有線方式收集各類感知設(shè)備的接入信息。實(shí)測表明，本系統(tǒng)可正確實(shí)現(xiàn)從Web界面到感知設(shè)備之間所有管控操作流程，將感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層之間的基礎(chǔ)性操作以服務(wù)方式有效封裝。

3 結(jié)論

    本文提出了一種基于Web服務(wù)的SOA模型，并將該模型的建模思想利用嵌入式編程和Web編程技術(shù)通過松耦合類模式實(shí)現(xiàn)，各服務(wù)間通過軟件接口進(jìn)行動(dòng)態(tài)對接。用戶可根據(jù)具體應(yīng)用需求在Web端進(jìn)行服務(wù)流程以及系統(tǒng)內(nèi)通信協(xié)議的配置，之后利用系統(tǒng)的處理流程直接按需操控感知層的接入設(shè)備并觸發(fā)具體的需求，對基礎(chǔ)接入流程中的各類碎片化信息異構(gòu)進(jìn)行了有效消除。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶-業(yè)務(wù)-實(shí)體之間的三元域交互，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下有一定的通用性和擴(kuò)展性。

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