【毕业学位论文】（Word原稿）基于目录服务的物联网元数据及公共服务管理系统的设计及实现-电子科学与技术

密级： 保密期限： 硕士学位论文 题目： 基于目录服务的物联网元数据及 公共服务管理系统的设计及实现 学 号： 姓 名： 专 业： 电子科学与技术 导 师： 学 院： 电子工程 学院 2014 年 1 月 6 日 独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知 识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定） 保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 基于目录服务的物联网元数据及公共服务管理系统 的设计及实现 摘 要 随着物联网时代的来临，愈来愈多的传感器部署在物理世界中，同时愈来愈多的物联网应用应运而生。由此产生了种类繁多、数量庞大的物联网应用。丰富的应用层是物联网的目标，目前物联网应用虽然已经非常丰富，但物联网系统之间彼此异构且总体分散，不能互相共享。为实现一个新功能，必须重复部署感知层的传感器、重新开发网关层和应用层，从而造成传感器设备的重复投资、网关层的重复开发等，这不利于进一步扩大 物联网应用规模。 本文从物联网应用系统之间互联的问题出发，研究实现异构物联网系统互联的方法。首先，本文研究和分析物联网的数据分类，定义物联网应用服务并分析物联网应用服务信息特点，提出物联网应用服务信息元数据模型 其次，基于 目录服务 技术和 型，本文提出物联网应用服务信息管理方法，包括构建物联网应用服务对象类模式、创建物联网应用服务目录信息树，并提出物联网应用服务信息的名字服务机制、语义扩展检索机制等，分析和总结物联网目录服务操作的特 点。 最后，在基于 目录服务 的物联网应用服务管理方法的基础上，本文设计与实现了基于目录服务的物联网元数据及公共服务管理系统（简称物联网目录服务管理系统）；设计与实现了城市道路环境管理系统，验证了物联网目录服务管理系统的功能，即对第三方交互用户及程序开发者的支持，使任意第三方可以互联、共享物联网感知层获取的数据。 最终，本文设计并实现的物联网目录服务管理系统能够为用户或各行业提供物联网应用服务资源的统一数据建模、信息管理与共享、目录服务、服务调用等的公共服务能力，从而避免物联网中设备资源重复投资、网关层重复开发 等问题。 关键词 ：物联网 目录服务 服务模型 资源共享 F F N a oT in A a oT A is oT a to to of in of It is oT to oT oT oT oT to oT a oT oT oT on on oT to a oT to rd to by of oT of 录 第一章 绪论 . 1 景介绍 . 1 究意义 . 2 内外研究现状 . 3 外研究现状 . 3 内研究现状 . 4 文内容及组织结构 . 5 文的内容 . 5 文的组织结构 . 5 第二章 相关理论与技术 . 7 录服务技术 . 7 录 . 7 术 . 7 术 . 10 义 . 10 名规则和分配方案 . 10 点 . 11 E 技术 . 11 E 技术简介 . 11 架技术 . 13 . 15 解驱动的控制器 . 15 格的 求 . 16 章小结 . 17 第三章 物联网应用服务信息元数据模型及研究 . 18 联网数据的分类 . 18 联网应用服务的定义及特点 . 19 联网应用服务的定义 . 19 联网应用服务的特点 . 20 联网应用服务信息元数据模型 . 20 务基本信息 . 21 务访问信息 . 21 务操作协议信息 . 22 务所属应用系统信息 . 23 章小结 . 23 第四章 基于 物联网应用服务信息管理方法 . 24 联网应用服务的目录信息树以及服务标识 . 24 录信息树 . 24 务标识 . 25 务信息的名字服务机制 . 26 务信息的语义扩展检索 . 27 联网目录服务操作的特点 . 28 录树层次结构 . 28 录子树的复制和移动 . 28 改 及迁移 . 29 目导入权限控制 . 30 别数据的修改限制 . 30 章小结 . 30 第五章 基于目录服务的物联网元数据及公共服务管理系统 . 31 统说明 . 31 联网应用系统与物联网 目录服务管理系统 . 31 联网应用系统 . 31 联网目录服务管理系统与物联网应用系统的联系 . 31 统功能 . 33 理员功能 . 34 通用户功能 . 34 统实现 . 34 建 . 34 统的实现 . 36 口的设计与实现 . 37 联网目录服务管理系统对应用场景的支持 . 39 章小结 . 40 第六章 应用场景：城市道路环境管理系统 . 43 求分析 . 43 要设计 . 43 能设计 . 43 据库设计 . 46 统实现 . 46 况查询实现 . 47 备查询实现 . 49 结 . 49 第七章 总结与展望 . 50 结 . 50 望 . 51 参考文献 . 52 附录 一 物联网目录服务管理系统接口描述 . 55 附录 二 城市道路环境管理系统的数据库的表结构 . 65 致 谢 . 69 攻读学位期间发表论文 . 70 第一章 绪论 1 第一章 绪论 景介绍 1999 年，美国麻省理工 学院的自动识别实验室（ 心主任授在研究 频识别）技术时提出了物联网（ 概念 1。此后，物联网概念得到了国内外的普遍认可，物联网技术被人们广泛研究从而快速发展。人们正在进入一个将人与物以及物与物的交流形式连在一起的物联网新时代。 欧盟对物联网的定义：物联网是一个能够动态地基于标准和互操作通信协议进行自组织的全球的网络基础设施，物联网中的物理的 “物”和虚拟的“物”具有 份标识）、物理属性、智能的接口以及虚拟的特性，并且能够与信息网络无缝地整合在一起 1。 结合物联网技术在中国的实践发展而提出的“中国式”物联网定义：物联网是指将无处不在的末端设备和设施，包括具有“内在智能”的传感器、移动终端等，以及具有“外在使能”的“智能化物件或动物”或“智能尘埃”，如贴有 带无线终端的车辆或个人等，通过各种无线或有线的、长距离或短距离的通信网络实现机器与机器之间的互联互通（ 基于云计算的 as a 运等模式，在内网、专网或者 用适当的信息安全保障机制，提供安全可控的个性化的实时在线监测、远程控制、报警联动、定位追溯等管理和服务功能，实现对“物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化 as a 务 1。 随着物联网时代的来临，物联网技术已经广泛地运用在人们的日常生活中。愈来愈多的传感器部署在物理世界中，同时愈来愈多的物联网应用应运而生。由此产生了种类繁多、数量庞大的物联网应 用，如智能家居、物流管理、智能医疗、智能交通、气象与环境监测、工业监控和城市管理等应用。 物联网体系结构分为感知层、网络层（或称为传输层）、处理层、应用层，如图 1示。感知层的主要任务是感知物体的物理性质（如温度、位置等），各种传感器设备（如红外传感器、 维条码等）将采集到的感知信息转换为数字信息，以方便网络传输。网络层负责传输从感知层收到的数据，通过各种网络（如无线网络、有线网络等）发送到数据处理中心。处理层主要用于存储、分析和处理从网络层接收到的感知数据。应用层则是根据处理层处理好的数据，开发多种关于物联网的运用（如智能交通、身份认证、基于位置服务和安全等的北京邮电大学工学硕士学位论文 2 应用），为各行各业提供各种应用服务。 传 输 网 络（ 无 线 网 、 蓝牙 ）传 输 网 络（ Z i g b e e 、 红外 ）智 能 家 居 中 心网 关 层智 能 医 疗 中 心网 关 层处 理 层网 络 层感 知 层智 能 家 居 中 心 智 能 医 疗 中 心应 用 层图 1联网体系结构 究意义 虽然目前物联网应用已经非常丰富，但是由于各个物联网应用系统部署不同的设备资源、采用不同的数据标准和通信协议，系统之间彼此异构且分散在不同的地方，这导致难以实现数据信息的共享。如图 1知，在智能家居中心系统中，射频标签 者其他传感终端将感知数据经过网络层传输到处 理层进行数据处理，处理层将处理完成后的数据提供给应用层使用；在智能医疗中心中，传感设备将采集到的信息通过 红外传递到网关数据中心，最后传递给智能医疗中心应用层。 物联网应用系统之间互为异构，表现在以下两个方面：（ 1）物联网应用系统找不到别的物联网应用系统；（ 2）当一个物联网应用系统找到别的物联网应用系统之后，由于系统各自采用不同的数据交换标准和协议，第一个系统无法直接使用第二个系统的数据和信息。由于这样的异构存在，开发者找不到别的可以利用第一章 绪论 3 的物联网应用系统。为实现一个新业务功能，他们必须重复部署感 知层、网络层的设备，重新开发处理层和应用层的程序，从而造成设备资源重复投资、处理层（或网关层）重复开发等问题，这不利于物联网应用规模的进一步扩大。为了解决多个物联网应用系统中传感器设备资源重复投资、网关层重复开发等问题，需要一个平台能够为用户或各行业提供物联网服务 资源的统一数据建模、信息管理与共享、目录服务、服务调用等的公共服务能力 。 目录应用在人们的日常生活中随处可见，例如字典、词典、电话薄的索引以及餐厅的菜谱都属于目录应用；但是我们所说的信息网络领域中的目录服务并不是指印刷品目录，而是指基于标准的、具有 通用目的目录服务 2。目前，目录服务是解决开放系统互联、异构系统融合的一种成熟技术和方法。在目录服务中，各种资源信息以分层的形式存储在目录树结构中。目录服务向用户和其他程序提供科学数据、服务资源的发布、发现和访问机制以及单一的逻辑视图，从而允许用户和其他程序能够透明地访问网络上的各种资源，进而实现数据、服务等资源的共享。 基于目录服务的物联网元数据及公共服务管理系统（以下简称物联网目录服务管理系统）就是这样一个系统，能够对现有物联网应用服务进行统一数据建模、管理和共享，以目录服务形式提供用户检索物联网应用 服务资源，解决物联网应用系统异构的第一个问题，实现物联网服务资源的定位、共享和互联互通。 内外研究现状 外研究现状 物联网信息采集的基础之一是标识物理对象，但是目前物联网中的标识标准种类较多且不统一。例如，针对 际上有很多标准化组织都在制定 是这些标准大多数互不兼容。要实现物联网互联，数据之间的互操作是互联过程中一个重要的环节。目前，国际上的标准化组织在积极制定物联网的数据交换标准，然而这些标准一般都是针对某一个特定的领域，导致每个标准都具有一定的行业局限性， 通常是互不兼容的。例如， 出了的物理标识语言（ 一种以计算机能够理解的方式来描述物品的标记语言，旨在让所有的计算机都可以通过使用统一的格式来进行数据的共享 3；结构化信息标准促进组织（ 应急管理技术委员会提出的公共预警协议（ 是一种统一的开放的、能够支持在不同网络环境之间进行公共预警信息和灾难警报信息的交换的信息格式标准北京邮电大学工学硕士学位论文 4 4。 为实现对单个物品的标识和识别， 验室在美国统一代码协会的支持下提出了电子产品代码（ 概念。他们指出赋予每个对象一个唯一的 ，并且由采用 术的信息系统来管理这些 息；而数据的传输和储存则由 络来进行处理 5。由国际物品编码协会和美国统一代码协会联合成立的非营利性组织 入了全球统一标识系统。 为物联网主要由 码系统、 统及信息网络系统组成，其中 息网络系统包括 间件、发现服务和息服务，而 息发现服务包括对象名解析服务（ 及配套服务 5。 另一方面，为了实现物联网互联，国外各研究机构和企业主要采用物联网中间件实现，包括 间件、企业研发的专用中间件产品等。一些国际上的标准组织正在进行中间件研究，例如 盟推出了 间件技术架构，在物联网产业的服务器端和嵌入式系统中都得到了广泛的应用 6。国外企业研发专用中间件产品也正在进行，如 司提出了 备关系管理） 7。 针对目录服务研究和应用方面，微软公司提出了活动目录（ D），它是面向 及 目录服务。微软的活动目录采用 准，集成了域名服务（ 事务服务（ 息队列服务（ 的关键服务8。 一个成功的目录服务的典型例子，它实现域名与 址之间的转换 ，能够使人们不用去记住能够被机器直接读取的 串就能够方便地访问互联网。 内研究现状 针对目前物联网的标识标准众多且不统一的问题，有国内研究者从物联网的标准体系的角度出发，研究和分析 国内已经使用的 准，提出相关物联网标识的元数据模型并通过该元数据模型找出标准之间的映射关系，从而提出了一种物联网标识兼容模型 9。 针对物联网互操作问题，有国内研究者从物联网数据交换标准体系的角度出发，研究和分析国际上成熟和典型的数据交换标准的共同特征，提出物联网信息资源元数据模型 以及定义物联网互操作协议 解决第一章 绪论 5 了多种数据交换标准之间的转换问题 10。 针对物联网中间件的问题，中国同方公司从 2004 年开始进行研究，推出了间件产品和 据交换标准，间件主要解决多种通信协议的兼容问题，并采用 为数据交换标准，但未解决不同数据交换标准之间的兼容和互操作问题 11。 针对将目录服务和物联网结合起来解决互联问题的研究，目前国内研究较少。但是国内研究者在其他领域中使用目录服务技术和元数据技术来解决信息共享问题。例如，在政务领域中引入元数据概念，按照一定的标准采集、抽取各政务部门的信息资源并对这些信息资源进行注册管理，然后通过目录服务的方式加以利用，从而解决政务业务系统之间目前存在着的信息孤岛问题 12。考虑到元数据可以有效地描述和表示数据，有研究者通过目录服务的方式提供一个统一界面来组织、存储异构、分散的信息资源，关联元数据与物理数据，最终实现对物理数据资源的访问 13。虽然这些研究没有直接解决异构物联网系统的互联问题，但是对本课题的研究有很好的参考作用。 文内容及组织结构 文的内容 本文首先对分析物联网系统互联问题的必要性，然后提出一种将目录服务技术和物联