面向物联网的系统及其中间件设计

1、第36卷 第17期Vol.36 No.17 2010年9月Se 面向物联网的系统及其中间件设计邵华钢1,2,程 劲3,王 辉1,李 志2,4(1. 上海应用技术学院计算机科学与信息工程学院,上海 200235;2. 浙江银江电子股份有限公司,杭州 310030;3. 解放军第455医院,上海 200052;4. 上海交通大学软件学院,上海 200240摘 要:鉴于物联网(IOT的应用在医疗行业日益广泛,提出一种适合IOT 网络的系统设计方法TOA 和对应中间件TOC 。TOA 将“人”、“物”及所有相关的智能系统都抽象成一个地位完全平等的IOT 互联对象,统一了IOT 网络环境中联网对象之间的

2、交互模式。在TOC 中间件系统设计实现中,采用XMPP 协议进行消息交换,利用基于Pipe & Filter 的Agent 架构模式支持多样异构的智能设备,方便Agent 的升级和扩充。通过在某医院医疗垃圾管理系统的成功应用,验证了TOA 的设计思想和TOC 中间件系统,取得了较好效果。 关键词:物联网;架构;设计模式;代理;中间件Design of Internet of Things-oriented System and Its MiddlewareSHAO Hua-gang 1,2, CHENG Jin 3, WANG Hui 1, LI Zhi 2,4(1. School o

3、f Computer Science & Information Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 200235;2. Zhejiang Enjoyor Co., Ltd., Hangzhou 310030;3. PLA No. 455 Hospital, Shanghai 200052;4. School of Software, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240【Abstract 】This paper designs Things Oriente

4、d Architecture(TOA and Things Oriented Communication(TOC middleware which is consist of device Agent, TOC client, and TOC server. TOC is capable of isolating the innumerable diversity of Internet of Things(IOT objects and providing a unified interactive service and platform by applying Extensible Me

5、ssaging and Presence Protocol(XMPP and Pipe & Filter design mode. It implements TOC in the hospital medical trash management system. The results are very promising. It indicates that TOC can provide a unify system integration platform and enough flexible in IOT objects implementation.【Key words

6、】Internet of Things(IOT; architecture; design mode; Agent; middleware计 算 机 工 程 Computer Engineering ptember 2010·物联网专题· 文章编号:10003428(201017008403文献标识码:A中图分类号:TP3111 概述物联网(Internet of Things, IOT是指将各种信息传感设备,如射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器植入各种物品,实现物品的智能化,将这些信息传感设备与互联网结合起来形成的一个巨大网络,并在物品与人之间实现信息共享

7、和互联。近年来,物联网已显现出巨大发展潜力与应用空间,是21世纪最有发展前途的信息技术之一1。但是,由于物联网的联网对象非常广泛、种类极其繁多,而且这些联网对象来自不同的厂商,可能采用不同的系统平台,如何使这些对象实现有效的交互非常困难。此外,如果缺乏一种有效统一的“人-物”、“物-物”交互模型以及交互平台,那么对象之间的交互路径与联网对象之间呈现几何级数关系,在两两联网对象之间独立实现交互接口会引入 巨大工作量,造成大量资源浪费,也会给系统维护带来很大负担2。本文提出一种面向物联网的架构TOA(Things Oriented Architecture以及基于该架构的中间件TOC (Thing

8、s Oriented Communication。TOA 的基本理念是把IOT 网络环境中“人-物”、“物-物”之间的沟通和交互进行统一处理,注重独立实现各个IOT 联网对象的系统功能,并通过简单、统一的接口进行联系,接口采用中立方式进行定义,从而实现IOT 联网对象之间的松耦合。而中间件TOC 为快速部署IOT 应用提供了基础性的技术平台。TOA 的设计思想及基于该思想的中间件TOC 在某医院医疗垃圾管理系统的实际应用表明,系统部件运行稳定、维护方便、可扩展性好,取得了较好效果,得到了用户的肯定。2 TOA 思想及TOC 设计2.1 TOA 思想IOT 的目标是把一切“物”进行互联,但联网不

9、是目的,只是手段。在完成各种“物”的联网后,需要利用这种连接改进业务、提高效率、实现需求。在物联网环境中,不仅 “人-人”之间存在交互,“人-物”之间及“物-物”之间都存在普遍的联系和交互。TOA 的基本理念是把IOT 网络环境中“人-物”、“物-物”之间的沟通和交互进行统一处理,使IOT 网络中的“人”、“物”及所有相联的智能系统都能基于完全平等的地位在IOT 全网络范围内进行沟通和交互。TOA 注重独立实现各个IOT 联网对象的系统功能,并通过简单、统一的接口进行联系,接口采用中立方式进行定义,从而实现IOT 联网对象之间的松 耦合。基金项目:上海市教委优秀青年教师科研专项基金资助项目“核

10、心无状态网络的分布式准入控制研究”(YYY08028作者简介:邵华钢(1976-,男,讲师、博士,主研方向:物联网,分布式系统;程 劲,硕士;王 辉,讲师、博士;李 志,助理研究员、博士收稿日期:2010-05-24 E-mail :hghao84为支持基于TOA 思想的物联网应用系统具体开发,本文设计实现了一基于TOA 思想的中间件TOC ,中间件TOC 为快速部署IOT 应用提供了基础性的技术平台。在TOC 中间件中,每个IOT 联网对象维护一个交互列表(Concerning Things List, CTL,在进行IOT 联网对象间交互时,只要选取列表中的IOT 对象,即可实现对象间的协

11、作与通信。CTL 支持IOT 对象的添加和删除,交互过程支持基于Push 的菜单式协作及服务(Service发布,一方面可简化交互过程和交互接口的设计,另一方面,Push 过程可完成IOT 对象自身服务的自解释,在不熟悉的对象或服务之间也可轻松完成沟通。 2.2 TOC 整体结构TOC 中间件系统由Server 、Client 、Agent 3个部分组成,整体上采用P2P 设计技术,Server 与Client 之间采用XMPP 协议(Extensible Messaging and Presence Protocol, XMPP格 式3进行消息交换,如图1所示。 图1 TOC 系统结构(1S

12、erver 。Server 的主要作用是负责Client 基本信息的注册、存储及IOT 对象的维护等,同时实现对异步交互的支持,为离线对象的信息提供临时存储转发,此外,Server 还承担呈现状态(Presence的维护功能。(2Client 。Client 模块是TOC 交互模块的基本部分,Client 负责与Server 之间进行基于TCP/IP 的Socket 通信,负责交互会话(Session的管理和维护,负责交互列表的本地管理和展示。交互过程支持一种基于Push 的菜单式协作,一方面可简化交互过程和交互接口的设计,另一方面,Push 过程可完成IOT 对象自身服务的自解释,在不熟悉的

13、对象或服务之间也可轻松完成沟通。Client 的原型系统界面如图2所示。图2 TOC Client 及对应的CTL 列表(3Agent 。Agent 在整个TOC 系统中起到关键性的作用,Agent 为抽象和统一“人-物”、“物-物”间的交互提供支持。Agent 由外部接口(External Interface和消息解释器(Interpreter组成。2.3 Agent 设计Agent 是整个TOC 架构完成复杂IOT 对象互联的基础,其中解释器是Agent 的大脑,用于解释外部其他IOT 联网对象的交互请求。外部接口连接具体IOT 联网对象,该模块一方面发送外部设备能够理解的请求至外部设备,

14、另一方面接收外部设备的响应和外部设备的感知,同时需要把该类信息转换成其他IOT 对象能够理解的格式。另外,Agent 的模块设计采用管道过滤器(Pipe & Filter的设计模式4,管道负责数据的传递,它把原始数据传递给第1个过滤器,把一个过滤器的输出传递给下一个过滤器,作为下一个过滤器的输入,重复这个过程直到处理结束。过滤器负责数据的处理,过滤器可以有多个,每个过滤器对数据做特定的处理,它们之间没有依赖关系,一个过滤器不必知道其他过滤器的存在。这种松耦合的设计使过滤器只需要实现单一的功能,从而降低了系统的复杂度,也使过滤器之间依赖最小,从而可以更加灵活地组合实现新的功能,保证新功能

15、的添加或更新驱动接口不需要重构(Rebuilding整个Agent 。2.4 呈现模型设计在TOC 实现IOT 网络对象交互过程中,呈现模型(Presence Model也是一个很重要的组成部分。依靠Presence 技术,交互能以“用户多种状态设置”等功能为基础提供“订阅其他对象状态信息”、“基于Push 的智能服务”等多种丰富的交互方式和服务内容。在IOT 网络中,因为IOT 网络的对象极其丰富,可以是人、打印机、手术室、仓库及其他各种可能的“物”,所以Presence 信息极其丰富。虽然Presence 信息很多,但基本上可以分为两大类:(1物理呈现由系统提供,用户无法定制的信息,包括传

16、感器获取的客观数据等。物理呈现通常通过RFID 标签和传感器等技术 手段实现,用于表达物品的位置、数量、状态等信息。(2逻辑呈现这类信息完全由提供Presence 信息的用户自己控制。相比物理呈现,逻辑呈现则复杂得多。逻辑呈现具有2种特征:1单选特征(exclusive,如打印机联机、脱机2个状态,两者只能二选一;2关联性,如打印机卡纸状态会和打印机联机状态一起出现。TOC 的逻辑呈现模型可采用UML 的有限状态机进行表达,见图3,表达了医院医疗垃圾运输车的状态变迁。图3 有限状态机表示的垃圾车Presence 信息852.5 TOC 的规模互联基于TOC 中间件的IOT 网络支持互联网部署,

17、在TOC Server 之间通过P2P 技术架构使整个系统具有良好的规模可扩展性,如图4所示。 TOC ServerFaxProjectorDrinkingInternetTOC ServerTOC Server图4 TOC 的规模互联 3 TOA 与TOC 在医院医疗垃圾管理系统中的应用如何有效监管医院内部医疗垃圾的收集储存,严格按规定路径从医院的污染通道进行运输以及医疗垃圾交接、处理过程的可追溯等一系列问题都是现代医院必须加强管理的重要环节5。使用以RFID 技术为硬件基础、以TOC 中间件为软件基础的物联网相关技术,可以实现医院医疗垃圾运输管理的信息化与智能化。3.1 物理设计RFID

18、是物联网技术的重要基础设施6-7,在本系统实现中,为医疗垃圾运输车安装远距离的有源RFID 标签,垃圾运输人员也佩戴远距离的有源RFID 标签,并在固定通道安装相应的RFID 读写设备。当垃圾运输车按照规定路径通过RFID 读写设备附近时,垃圾运输车上的RFID 标签就会被自动识别,运输人员信息和通过时间也会一并记录到数据库系统中。同时,在垃圾运输车的起点和终点,还安装了电子称重设备,可对垃圾车的垃圾重量进行监管。3.2 交互设计根据IBA 的设计理念,每一辆垃圾车是一个独立的联网对象,垃圾车根据自身支持的属性、方法及服务进行设计。图5描述了管理人员与垃圾车的一个交互过程。 图5 TOC 客户

19、端向垃圾车询问位置的交互过程3.3 系统特点基于TOC 平台的医疗垃圾运输管理系统具有如下特点: (1医疗垃圾的运输过程实现了有效的轨迹监控,并具有良好的可追溯性,可有效避免因医疗垃圾运输监管不力而造成的二次污染事故。交接记录和监控记录可用于医疗垃圾处理的工作量统计,实现质量控制、成本核算和绩效考核。 (2在TOC 设计、实现过程中,对复杂事件及交互采用了统一策略,事件规则定义灵活,符合IOT 网络“万物”互联理念,并能很好地适应医院业务流程变动。(3TOC 的Agent 采用Pipe&Filter 设计模式,可对系统有效屏蔽外设细节,支持多样化RFID 硬件设备,在更新RFID 标签

20、或读卡设备后,只需修改一个对应的Pipe 环节,不用重建应用系统的其他代码。4 结束语本文提出一种适合IOT 网络的智能系统设计架构TOA ,TOA 思想抽象和统一了IOT 网络环境中“人-物”、“物-物”之间的交互模式,把“人”、“物”及所有相关的智能系统都抽象成一个地位完全平等的基于IOT 网络互联的对象,实现IOT 对象之间的松耦合。此外,为快速部署基于TOA 思想的物联网应用,本文设计实现了TOC 中间件,并在某医院医疗垃圾管理系统中验证了TOC 设计思想和功能,为提高医院智能化水平起到了促进作用。参考文献1 成修治, 李宇成. RFID 中间件的结构设计J. 计算机应用, 2008,

21、28(4: 1055-1060.2 Krishnamurthy S, Anson O, Sapir L, et al. Automation of FacilityManagement Processes Using Machine-to-Machine Technolo- giesC/Proc. of the 1st International Conference on Internet of Things. Zurich, Switzerland: s. n., 2008: 68-86.3 Jabber Inc. Extensible Messaging and Presence Pro

22、tocol(XMPPZ.(2010-02-13. /.4 Buschmann F. Pattern-oriented Software ArchitectureM. Chiche-ster, UK: John Wiley & Sons, 2007.5 廖晨达, 李 云. 一种医疗废物集中处置中心营运信息管理系统J. 计算机应用, 2006, 26(10: 2519-2521.6 Hoag J E, Thompson C W. Architecting RFID MiddlewareJ. IEEEInternet Computing, 2006, 10(5:

23、88-92.7 褚伟杰, 田永民, 李伟平. 基于SOA 的RFID 中间件集成应用J.计算机工程, 2008, 34(14: 84-86.编辑 张正兴(上接第80页7 Adi A, Etzion O. Amit the Situation ManagerJ. InternationalJournal on Very Large Data Bases, 2004, 13(2: 177-203.8 EPCglobal Inc. The Application Level Events(ALE Specification:Version 1.0S. RFC 5134, 2005.9 刘立冬. RF

24、ID 中间件技术在商品防伪的应用研究D. 北京:北京工业大学, 2008.10 Symbol Technologies Inc. XR Series RFID Readers: C APIProgrammer Reference Guide, Revision AR. S. l.: Symbol Technologies Inc. Tech. Rep: 72E-73028-02, 2002.编辑 陆燕菲86 面向物联网的系统及其中间件设计作者:邵华钢, 程劲, 王辉, 李志, SHAO Hua-gang, CHENG Jin, WANG Hui, LI Zhi作者单位:邵华钢,SHAO Hua

25、-gang(上海应用技术学院计算机科学与信息工程学院,上海,200235;浙江银江电子股份有限公司,杭州,310030, 程劲,CHENG Jin(解放军第455医院,上海,200052, 王辉,WANG Hui(上海应用技术学院计算机科学与信息工程学院,上海,200235, 李志,LI Zhi(浙江银江电子股份有限公司,杭州,310030;上海交通大学软件学院,上海,200240刊名: 计算机工程英文刊名:COMPUTER ENGINEERING年,卷(期:2010,36(17被引用次数:0次参考文献(7条1.成修治.李宇成RFID中间件的结构设计 2008(42.Krishnamurthy

26、 S.Anson O.Sapir L Automation of Facility Management Processes Using Machine-to-Machine Technologies 20083.廖晨达.李云一种医疗废物集中处置中心营运信息管理系统 2006(104.Hoag J E.Thompson C W Architecting RFID Middleware 2006(55.褚伟杰.田永民.李伟平基于SOA的RFID中间件集成应用 2008(146.Jabber Inc Extensible Messaging and Presence Protocol(XMPP 2

27、0107.Buschmann F Pattern-oriented Software Architecture 2007相似文献(10条1.期刊论文武传坤.Wu Chuankun物联网安全架构初探-中国科学院院刊2010,25(4物联网是信息技术发展到一定阶段的产物,是全球信息产业的又一次科技与经济浪潮,将影响到许多重大技术创新和产业的发展,受到各国政府、企业和科研机构的高度重视.同时,物联网的信息安全问题是关系物联网产业能否安全可持续发展的核心技术之一,必需引起高度重视.因此如何建立合理的物联网安全架构和安全体系将对物联网的安全使用和可持续发展有着重大影响.本文试图从不同层次分析物联网的安全

28、需求,搭建物联网的安全架构体系,希望为物联网可靠的信息安全系统提供理论参考依据.2.期刊论文诸瑾文.王艺.Zhu Jinwen.Wang Yi从电信运营商角度看物联网的总体架构和发展-电信科学2010,26(4本文从电信运营商角度,分析、探讨对物联网整个体系架构的理解,对物联网发展趋势的看法以及在这样的技术和产业背景下,作为电信运营商的发展机会和应对策略.3.期刊论文孙玉砚.刘卓华.李强.孙利民.Sun Yuyan.Liu Zhuohua.Li Qiang.Sun Limin一种面向3G接入的物联网安全架构-计算机研究与发展2010,47(z2物联网正处于全面发展阶段,无线传感器网络、RFID

29、网络、3G通信网络等各种不同网络结构与无线通信技术不断融合,物联网网络规模迅速扩大,物联网环境变得越来越复杂,物联网内实体间的信任关系、安全通信及安全体系等安全问题将比现有网络系统更加复杂和难以解决.简要介绍物联网的系统结构和基本的安全需求,重点介绍了已有的3G接入和前端无线传感器网络安全研究,提出了一种面向3G接入的物联网安全架构,最后详细介绍了已实现的面向3G接入的物联网安全验证系统,包括系统组成和安全协议.4.期刊论文宁祥峰.张春业.万伟.李仁波.李婧卿.NING Xiang-feng.ZHANG Chun-ye.WAN Wei.LI Ren-bo.LI Jing-qing基于LTE系统

30、的物联网架构的研究与设计-计算机应用2010,30(z1由于通信网络在物联网架构中的缺位,使得早期的物联网应用往往在部署范围、应用领域等诸多方面有所局限,终端之间以及终端与后台软件之间都难以开展协同.随着物联网发展,建立端到端的全局物联网将成为必须,通信网络将成为物联网的基础承载网络,移动通信终端也可实现与物联网终端的融合.首先简单地介绍了物联网和长期演进(LTE系统,分析了两种技术融合的可能性和必要性,然后提出了一种LTE技术与物联网技术相互融合的一种架构,最后研究了基于新架构的物联网在供应链中的应用.5.期刊论文李健.LI Jian物联网关键技术和标准化分析-通信管理与技术2010,&qu

31、ot;"(3介绍了物联网的概念,阐述了物联网与传感网、RFID、M2M的关系,给出了物联网的基本架构,分析了物联网技术和标准的国内外发展情况及存在的问题.6.期刊论文洪建.邵华钢.李志物联网在医院垃圾管理中的应用-中国数字医学2010,5(10物联网IOT的应用在医疗行业日益广泛,提出一种适合IOT网络的智慧系统设计架构,把"人"、"物"及所有相关的智能系统都抽象成一个地位完全平等的IOT互联对象,抽象和统一了IOT网络环境中联网对象之间的交互模式.在系统实现中,采用XMPP协议进行消息交换,同时提出基于Pipe & Filter的agent架构模式,支持多样异构的智能设备,方便Agent的升级和扩充.通过基于该平台的医院医疗垃圾管理系统开发和在医院的成功应用,验