基于GIS的物联网中间件架构与系统研究

书书书第36卷增刊2013年8月测绘与空间地理信息GEOMATICSSPATIALINFOMATIONTECHNOLOGYVol36，SuppAug，2013收稿日期:20130620作者简介:王尔琪(1971)，男，四川巴中人，研究员，硕士，1996年毕业于北京师范大学地理专业，主要从事网络地理信息系统研究工作。基于GIS的物联网中间件架构与系统研究王尔琪1，2，莫洪源1，徐旺兴1(1北京超图软件股份有限公司，北京100015;2超图地理信息技术研究所，北京100015)摘要:物联网正在快速发展，而地理信息系统能够为联网的物体提供空间位置与状态可视化、时空关系管理与时空过程分析的技术支撑，已在物联网业务中大量使用。本文在分析物联网的需求和GIS技术特点的基础上，针对物联网应用GIS较为分散、开发难度大的现状，提出基于GIS的物联网中间件架构，并基于该架构实现了交通状况示范应用系统，有利于数据共享、互联互通、统一服务、即时处理、实时预警和数据分析，降低了系统建设的成本和周期，提高了业务运维的效益，有利于促进物联网应用向空间化、可视化、协同化、普适化发展。关键词:GIS;物联网;中间件中图分类号:P208文献标识码:B文章编号:16725867(2013)S0009206esearchonInternetofThingsMiddlewareBasedonGISWANGErqi1，2，MOHongyuan1，XUWangxing1(1SuperMapSoftwareCo，Ltd，Beijing100015，China;2SuperMapGISTechnologyInstitute，Beijing100015，China)Abstract:InternetofThings(IOT)israpidlydeveloping，andGIScanprovidetheabilitytovisualizeofspatialpositionandstatus，spatialrelationmanagement，spatialandspaceprocessanalysistechnicalsupportforIOTAccordingtothecurrentsituationthatIOTsGISapplicationsweredispersedandgreatdevelopmentdifficulties，thispaperputsforwardGISInternetofThingsmiddlewarebasedonIOTsrequirementandGIStechnicalfeatures，whichachievedtheapplicationoftrafficstatussystemItisgoodfordatasharing，interconnection，unificationservices，onlineprocessing，realtimewarninganddataanalysisItdecreasesthecostandtimetobuildsystem，increasingbusinessbenefitandpromotingIOTsapplicationinspatiality，visualization，cooperativeandubiquityKeywords:GIS;internetofthings;middleware0引言“物联网”概念是在“互联网”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。是通过射频识别(FID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。物联网(InternetofThings)这个词，国内外普遍公认的是MITAutoID中心Ashton教授1999年在研究FID时最早提出来的。在2005年国际电信联盟(ITU)发布的同名报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于FID技术的物联网1。自2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度超过美国、欧盟、以及其他各国。国家国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要和国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定以及工业和信息化部制定的物联网“十二五”发展规划明确指出，要大力发展我国的物联网产业。“物联网”作为战略性新兴产业，面临前所未有的发展机遇。1物联网数据特点与GIS需求分析物联网所联系和管理的“物体”都具有时空属性，依赖于由GIS所管理的地理空间信息基础设施，因此GIS(地理信息系统)就自然而然成为了物联网的核心支撑技术之一，也是“智慧城市”建设的空间信息基础框架的关键平台。11GIS与物联网的融合需求国家测绘地理信息局测绘发展研究中心“智慧中国”研究课题组于2011年8月底赴江苏南京、无锡、苏州等地，围绕物联网建设情况、“数字中国”与“智慧中国”的关系以及测绘地理信息在“智慧中国”建设中的作用等方面开展调研。调研发现大部分的物联网示范应用尚未融入测绘地理信息的空间显示、智能分析和管理功能2。调研指出，应尽快研究地理信息技术与物联网的融合技术，让物联网不只停留在感知阶段，应充分利用地理信息技术，提升物联网时空分析能力，成为真正意义上的智慧物联网。为了更好地实现物联网应用，需要首先分析“物联网”的数据特点和GIS实现的功能支撑。12物联网数据及其处理特点3物联网主要处理大量离散的传感器数据，与常规数据相比具有以下的一些突出特点，需要在数据模型、处理流程、系统架构、数据分析技术等方面深入研究。1)数据量大每个物联网系统拥有成千上万甚至更多的传感设备，这些传感设备不断向数据中心传输采集到的数据。数据中心不仅要存储当前接收到的采集数据，同时需要保存历史数据，用以支持对象的状态跟踪、数据统计分析及数据挖掘。因此，物联网系统中数据挖掘任务面临的第一个关键问题是数据量大。2)数据类型复杂物联网系统监控的对象种类繁多，包括交通、生物、森林、建筑等。不同监控对象所采集的信息各不相同，例如交通系统中需要采集视频信息，医学监控系统需要采集诸如脉搏、血压等生理信息以及医学立体影响信息等。可见物联网系统采集的数据类型复杂，包括文本类型、图像类型、视频类型等。3)数据具有异构性物联网系统中包含多种传感终端，如GPS传感终端、FID传感终端、视频传感终端、无线传感器等。不同的传感终端采集到的数据的格式和语义均不相同。数据的异构性为数据存储与挖掘增加难度。4)高度动态性每个时刻都有不同的传感终端添加到物联网中或者从物联网中移除。随着传感节点的增加，其采集到的数据要插入数据库中。同样当一个传感节点从物联网中移除后，数据库不应再记录该传感节点采集到数据。一个物联网系统含有大量的传感节点，每个传感节点动态变化频繁，因此物联网系统中的数据具有高度动态性。5)时空特性物联网系统的传感终端分布在不同地区，每个传感终端采集到的数据均反应该时刻监控对象的状态及其他信息。感知数据在特定时间和特定空间内才有意义，如果不在这个地点或过了这个时间，数据的意义可能就不大了。因此，复杂的时空特性是物联网系统中数据的一个显著特点。6)不完整性物联网系统的传感终端在无人工监控状态下工作，每个传感终端随时可能受到自然因素或者人为因素的攻击，包括雷电破坏、人工恶意破坏等，导致传感终端数据接收不完整。另一方面，尽管传感终端可以被广泛的部署在不同地理位置，但是依然无法覆盖每一个角落，因此空间数据收集不完整也是物联网系统数据的特点之一。13基于GIS的物联网中间件46与此同时，GIS特有的信息集成、可视化表达及强大的空间分析等技术特点可以为物联网应用提供海量时空数据管理、时空关系与时空过程分析、时空信息动态可视化等强大能力，物联网与GIS的融合将创造全新的应用模式，促进时空关联信息应用的加速发展。未来，随着国家进一步加大物联网在工业、农业、流通业等的应用示范，在交通、电力、环保等领域的物联网应用示范工程建设，推动物联网在重大基础设施管理、运营维护方面的应用模式创新，提升重大基础设施的监测管理与安全保障能力，提升对重大突发事件的应急处置能力，对基于GIS的物联网应用系统需求扩大，预计国内基于GIS的物联网应用系统市场将出现快速增长。但是，传统的物联网应用都是基于操作系统、数据库和GIS基础平台直接进行开发，技术难度大、标准不统一、建设成本高、管理维护难。因此，本文提出，应研究、发展基于GIS的物联网中间件体系，实现物联网的传感设施管理空间化、数据传输流程规范化、应用访问接口标准化的软硬件一体化服务体系，从而促进跨领域、跨部门、跨区域的传感信息服务网络和多层次、多类型、社会化应用的快速发展。基于GIS的物联网中间件架构与系统位于物联网三层架构的应用层，从地理空间与时间的维度为物联网应用提供信息整合、处理和计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用，需求遍及安防、电力、交通、物流、医疗、环保等多种领域。基于GIS的物联网中间件架构与系统主要解决泛在的传感器和嵌入系统所获取的具有时间和空间特征的海量信息的基于时空框架融合、整合及分析计算和应用问题，是物联网应用的关键支撑技术。要实现基于GIS的物联网中间件，需要对感知系统与传感器控制器、传感网络与物联网接入网关、物联网服务总线与交换服务系统、物联网应用支持软件、中间件体系架构与接口标准规范、面向应用的物联网解决方案与集成技术等内容进行深入研究。2基于GIS的物联网中间件体系结构21总体组成基于GIS的物联网中间件包括物联网传感器、时空信息接入网关、时空信息总线、时空数据仓库和和数据展示模块、实时预警模块以及数据分析系统等(如图1所示)。22分层结构分为传感器层、物联网关、交换总线、存储系统、处理39增刊王尔琪等:基于GIS的物联网中间件架构与系统研究图1基于GIS的物联网中间件体系结构示意图Fig1ThearchitectureofIOTmiddlewarebasedGIS系统、应用系统6个主要部分。下面进一步阐述每一部分的作用和与其他部分的关系。221传感器层传感器层包括各种传感器、控制器等配套模块。为了降低开发难度，便于集成、互换和维护，需要尽可能屏蔽不同传感器之间的物理差异，中间件需要研制统一的模块化控制系统，并基于统一的规范化协议进行通讯。传感器控制器中间件包括电源系统、传输系统、控制系统、外部接口等内容(如图2所示);并且传输系统支持ZigBee，BlueTooth，WiFi，USB，Ethernet技术;外部接口包含数字接口、模拟接口、天线接口、电源接口、电源开关等。开放的Arduino硬件平台采用标准的电路板框架实现了模块的快速插拔，并具有强大的扩展板支持，非常适合作为传感控制器进行传感设备的开发，其开发采用C语言编程而且支持库全部开源，可以快速搭建实验环境并在成熟后快速投入批量化生产，已经在众多的传感器方案研发中广泛使用。图2传感器控制器中间件逻辑组成Fig2Thecomponentsofcontrollermiddlewareforsensor常见的传感器包括电磁、光线、声音、辐射、加速度、姿态、方位、温度、湿度、大气压、风向、风速、气体、空气质量、雨量等(分类如图3所示)。为了便于数字化测量和传输，首先需要将各种物理量转换为电信号，包括电流、电压和频谱，并通过模数转换器最终转化为统一的数字量，这一过程中需要对量纲进行标准化。标准化后的数字量可以进一步通过控制器的通讯模块发送到网关，供后续的分发、交换和处理。图3常见传感器的分类Fig3Thecategoryofsensors222物联网关物联网关负责传感器信息的接入并发送到交换总线，包括电源系统、传输系统、处理系统、接口规范。其中，传输系统支持ZigBee，Bluetooth，WiFi，3G/4G，ADSL，Ethernet，USB等多种接入技术。处理系统包含采样、滤波、转换、统计等前处理步骤。物联网关是连接传感器和交换服务总线的中间环节，也是架起WSN(传感器网络)和Internet的核心桥梁，需要包括向下的传感器通讯接口和向上的交换总线访问接口，向下使用WSN协议，向上使用Internet网络。接口规范需要定义通讯的协议和数据包协议。由于物联网信息的不完整性，需要考虑通讯具有较好的容错和抗干扰能力。223交换总线物联网服务总线提供传感器信息的交换功能，实现基于EIP(企业集成模式)的广播、转换、递交、过滤、分解、合并等操作，支持传感器数据的分布式的实时预警、并行处理和可视化展现。物联网服务总线功能包括:高并发消息收发，实时消息动态交换，消息路由服务，分布式并行存储和并行化信息处理支持。物联网服务总线实现基于OSGi的服务容器，支持多机集群，具有高可用、高负载特性，提供远程管理工具。224存储系统由于物联网的数据量大、时效性要求高的特点，传统数据库存储方式已经难以满足要求，可以采用分布式数据库、NoSQL数据库或者专门开发的实时数据库来进行物联网传感器的信息存储。但是，考虑到传统的大量管49测绘与空间地理信息2013年理和分析软件仍然使用传统存储，需要建立一个转换机制，能够动态地将传感器实时存储转换为传统数据库模式，以充分利用已有的软件工具和应用系统的能力。1)实时存储采用实时数据库来存储，可以采用NoSQL数据库来修改实现或者专门针对应用特点进行开发，支持大量数据的分布式并行化快速存储和访问。大部分NoSQL数据库都具有比较好的实时访问性能，能存储大量数据，但缺乏空间索引，数据检索和随机访问速度较慢，需要进行改进。2)传统存储机制仍然采用数据库来进行存储，但通过扩展支持分布式的并行操作，是一种折衷的方案，优点是能够更好地兼容现有的模式，但缺点是消耗资源较大，而且扩展已有的系统的技术难度也是比较大的，有的存在限制难以进行修改。3)存储转换器为了同时满足实时访问和数据库访问需要，需要在二者之间建立桥接，通过开发专门的转换器服务来完成。转换器可以通过接收交换系统的消息实时地转换，也可以定期地批量转换，根据应用场景进行设计、开发和使用。由于通过服务总线进行异步交换，因此转换器可以运行多份拷贝来实现数据的并行写入，从而有效地缓解了数据写入慢的瓶颈问题，非常适合云计算环境部署;而且还可以实现同一数据的多份同时写入和冗余存储，从而提高系统的可靠性。225处理系统后台处理系统是物联网应用的大脑，既可以通过服务总线直接接收数据进行流方式在线处理，也可以通过访问转换后的数据库实现离线分析。需要建立空间化传感器信息处理基础设施，实现空间数据库管理、高可用特性、自动化流程、系统管理等功能。物联网信息处理主要完成:1)实时分析，实现在线统计、趋势分析等;2)实时预警，根据位置和状态启动电子围栏、超限预警、异常通知等;3)报表输出，完成即时状态查询，定期报表生成等;4)离线分析，执行时间趋势分析、空间关系分析、影响分析、模式分析等等数据量大、计算复杂度高的操作。226应用系统基于GIS的物联网中间件提供系统工具，能够支持物联网设备的可视化布设和基于空间的资源管理。同时，提供应用端开发SDK或者应用，能够支持多种设备快速访问传感器信息，能够提供基于地图或三维场景的传感器资源和状态、监测数据的高效率动态展示，支持异步数据获取和缓存、空间属性双向查询、动态专题图可视化、时空分析函数等功能。23应用模式基于GIS的物联网中间件可以直接部署，立即运行。既可以作为私有云方式运行，也可以部署在云计算数据中心，直接访问服务即可实现物联网应用的功能。传感器和后台应用都遵循标准的接口进行访问，因此可以适应多种应用的需要，快速搭建物联网应用系统。3基于GIS的物联网中间件系统实现基于上述架构，我们基于SuperMapGIS基础平台实现了基于GIS的物联网中间件框架系统。该系统采用Ja-va技术，可以运行在Windows、Linux等多种操作系统之上，可以部署在云计算环境中。31系统组成物联网云服务系统包括门户网站、在线应用系统、移动应用软件、桌面应用系统、服务接口API、客户开发SDK、在线开发环境;其中，服务接口API支持SOAP、EST、AMQP、JMS技术;客户开发SDK包含WebSDK、移动SDK、组件SDK;在线开发环境包含开发工具下载、开发支持插件、SVN开放工程、组件共享仓库、在线测试系统、持续集成系统、在线运行系统等(如图4所示)。图4基于GIS的物联网云服务系统Fig4IOTcloudservicesystembasedGIS32应用领域物联网应用方案包括智慧城市、智慧农业、智能楼宇、智慧办公、智能家居、文化创意;而智慧城市部分包括城管、通讯、交通、能源、供水、环境、食物等方面;智慧农业包括气象、土壤、水利、植物、仓储等方面(分类如图5所示)。33技术实现基于GIS的物联网中间件采用SuperMapGIS基础平台作为GIS内核，具有服务器、桌面、组件、Web、移动端等全系列产品支持，技术体系完整、开发扩展性好，能够满足物联网中间件的多场景、多领域、多设备应用的需要。而且，SuperMapGIS基础平台支持强大的二维三维一体化管理和应用能力，可以容易地将应用扩展到二维场景，满足目标监控、厂区管理、智慧交通、市政管线等应用的59增刊王尔琪等:基于GIS的物联网中间件架构与系统研究图5基于GIS的物联网中间件应用领域Fig5TheapplicationofIOTmiddlewarebasedGIS需要。基于GIS的物联网中间件系统能够支持麒麟等国产操作系统和AIX等小型机操作系统。同时采用Karaf作为服务容器，支持基于OSGi标准的组件动态插入;采用Camel作为路由定义和执行组件，支持EIP的几乎所有模式;采用abbitMQ作为消息服务器，具有并发量高、稳定可靠的特点，支持通过集群方式进行备份和扩展，采用标准的AMQP协议，支持多种客户端类型。4交通状况物联网应用示范本文在面向交通状况感知的物联网中间件技术研究及实现项目中对基于GIS的物联网中间件架构与系统进行了初步的应用。41架构与模块组成交通服务中间件以交通状态空间数据库为基础，通过分布式交通状态时空数据服务引擎提供对外服务;分析交通业务信息需求和发展趋势，分析和设计信息处理流程;研究各种中间件的体系结构及其特点，设计体系结构及其部署结构、网络结构;划分功能模块组成及其内外部接口，实现原型框架，整体结构如图6所示。42研究内容与系统功能研究在多源交通状况接入时的物联网中间件信息接入技术，通过物联接入认证服务实现对于接入物联网中图6基于GIS面向交通状况感知的物联网中间件体系结构图Fig6ThearchitectureoftransportationIOTmiddlewarebasedGIS间件的每一个接入节点进行信息、权限、设备的统一认证管理。同时，针对接入的交通状况信息数据内容的完整程度进行数据清洗与弥补，通过自定义的算法规则，实现物联网中间件接入的交通状况信息在缺失部分时空信息的条件下，能够自动进行交通状况信息数据弥补与融合。研究对交通状况信息的统一标识与解析技术，包括实现对各类交通对象，如交通事件、交通状况、交通设施等交通对象的解析服务(TONS)，以及面向交通状况感知的交通标识信息服务(TIDIS)服务，实现面向交通状况感知的物联网中间件对各种不同交通状况的分析服务，同时能够基于各类交通对象、状况的时空属性，完成空间属性的标识工作。研究基于交通状况信息的数据交换与发布服务技术，在完成交通状况信息的接入、处理等工作后，研究交通状况信息在不同技术、网络环境下的信息发布与服务管理技术，以及针对不同网络与硬件环境下的交通状况数据交换与传输服务技术，并实现交通状况信息数据结合时空属性进行综合展示。研究在原型实现过程中交通服务中间件对于不同感知设备的信息接入格式以及协议的规范要求，实现能够对FID，ZigBee，WSN等感知设备的协议转换，满足对于不同类型车载节点、传感节点等感知设备的信息接入;并能够对不同感知设备进行信息标识、解析，实现基于交通状况信息的时空分析与数据挖掘等工作;研究交通服务中间件在不同技术环境下的交通状况信息服务发布、时空数据呈现技术，实现能够与其他物联网应用进行安全、稳定的交通状况数据交换与传输服务。中间件需要满足对底层多种信息采集手段的透明支持，提供动态交通信息与静态交通信息两种信息服务手段，同时，作为基础支撑层，中间件系统还提供空间数据69测绘与空间地理信息2013年引擎服务，空间数据引擎可以为之上的工程应用类课题提供统一的地图和空间数据服务与空间功能服务。5结束语物联网应用中面临着一系列的问题，包括大量节点带来的数据处理瓶颈问题、传感器多样带来的数据规范性问题、动态数据的快速处理和预警响应、信息的时空化管理的需求等。针对物联网应用较为分散、开发难度大的现状，本文提出了一套基于GIS的物联网中间件架构，并基于该架构实现了交通状况示范应用系统，有利于数据共享、互联互通、统一服务、即时处理、实时预警和数据分析。还基于该中间件框架搭建了云服务系统，并采用交通状况的接收交换作为应用目标，建立了示范系统进行实验验证。通过中间件的研究成果，可以提供规范的数据、规范的接口、规范的SDK，实现有效的数据挖掘，支撑用户的实时应用需求，帮助用户快速开发应用。降低了系统建设的成本和周期，提高了业务运维的效益，有利于促进物联网应用向空间化、可视化、协同化、普适化发展。实践证明，通过建立中间件及其服务基础设施，然后基于中间件架构进行物联网应用建设，能更好地实现信息的互联互通，而且通过调用规范的SDK即可快速接入传感器和开发应用，使物联网应用开发的难度大大降低，大幅度节约了系统建设和维护的成本，具有很好的推广应用价值。参考文献:1徐永清，熊伟，桂德竹，等赴江苏调研“智慧中国”建设有关情况报告G北京:测绘地理信息发展动态总第45期，20112卜范玉，王鑫，张清辰基于云计算的物联网数据挖掘模型J电脑与信息技术，2012(6):49523邵华钢，程劲，王辉，等面向物联网的系统及其中间件设计J计算机工程，2010，36(17):84864陈静，物联网时代新型网络应用技术中间件技术展望J安徽农业科学，2012，40(19):10340103425张福生，边杏宾物联网中间件技术是物联网产业链的重要环节J科技创新与生产力，2011(3):4143编辑:胡雪(上接第82页)功能，移动三维GIS的未来发展趋势是成为三维GIS的全功能平台，因此也应该具备上述的全系列功能。另外，由于移动设备的使用场景以及在数据通信上的优势，移动三维GIS应当有一套完善的空间数据库以及地理服务器架构进行支持。移动三维GI