第6章-物联网中间件

物联网技术

InternetofThings2024/1/10北京物资学院信息学院1第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院26.1中间件技术概述6.2中间件的体系结构6.3主流的中间件技术平台6.4物联网中间件关键技术第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院3本章重点★掌握中间件的作用和分类★掌握中间的体系结构★熟悉主流的中间件技术平台★熟悉物联网中中间件的关键技术第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院46.1

中间件技术概述6.1.1

中间件的作用和意义中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。中间件位于客户机/服务器的操作系统之上，管理计算机资源和网络通讯，是连接两个独立应用程序或独立系统的软件，相连接的系统即使它们具有不同的接口，但通过中间件相互之间仍能交换信息，执行中间件的一个关键途径是信息传递，通过中间件应用程序可以工作于多平台或OS环境。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院5物联网中间件技术是物联网的核心关键技术，是物联网应用的共性需求（感知、互联互通和智能），是已存在的各种中间件及信息处理技术的聚合与提升。物联网中间件处于物联网的集成服务器端和感知层、传输层的嵌入式设备中。物联网中间件扮演底层数据采集节点和应用程序之间的中介角色，中间件可以收集底层硬件节点采集的数据；同时，应用程序端可以使用中间件所提供一组通用的应用程序接口(API)，连接并控制底层硬件节点。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院6中间件的特点是它固化了很多通用功能，但在具体应用中多半需要二次开发来实现个性化的行业业务需求，因此，所有物联网中间件都要提供快速开发(RAD)工具。6.1.2

物联网中间件研究现状软件巨头微软的CEO比尔·盖茨早在1995

年《未来之路》一书中就提到和看到了物联网的潜力。物联网产业发展的关键在于把现有的智能物件和子系统连接起来，实现应用的大集成(GrandIntegration)和“管控营一体化”。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院76.1.3

物联网中间件研究内容物联网中间件是各类物联网应用的重要基础软件设施和共性软件平台，是实现物联网产业发展的战略性支撑。虽然物联网中间件的研究已经取得了一定的进展，但仍存在如下问题有待进一步研究：硬件、网络和操作系统的异构性问题移动性和网络环境变化问题通信与数据交换问题不同中间件体系的融合问题物联网中间件支撑环境的实现问题第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院86.1.4

物联网中间件特性研究物联网中间件特性首先要研究其处理的数据的特性，根据硬件传输上来的数据的不同，才能体现其特色，首先与普通数据相比，物联网数据具有如下特征：时间性、关联性和动态性丰富的隐含语义冗余性、实时性和异构性流动性、海量性和批量性第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院9根据处理的数据的特点物联网中间件具有下列基本特征：(1)

独立架构(InsulationInfrastructure)：物联网中间件独立并且存在于后端应用程序与数据采集器之间，并且能够与多个或者多种后端应用程序以及多个数据采集器连接，以减轻架构与中间件维护的复杂性。(2)

数据处理(DataFlow)：物联网主要目的在于将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是物联网最重要的特征，物联网中间件具有数据的搜集、整合、过滤与传递等特性，以便将正确的对象信息传到企业后端的应用系统。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院10(3)

流程处理(ProcessFlow)：物联网中间件采用程序逻辑及储存再转送(store-and-forward)的功能来提供顺序的消息流，具有数据流程设计与管理的能力。(4)

标准化(Standard)：这里主要针对RFID来说，控制器和传感器现有的标准还不够统一，RFID为识别实体对象与自动数据采集技术的应用，EPCgloba目前正在研究为各种产品的全球唯一识别号码提出通用标准ElectronicProducCode(EPC)。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院116.1.5

物联网中间件分类

结合当前对RFID中间件和WSN/USN中间件的研究，本文按照中间件的运行层次将物联网中间件分为两大类：应用服务中间件和嵌入式中间件。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院121.

应用服务中间件应用服务中间件也称为服务级中间件，一般是运行在网络环境中的大型应用服务器平台之上。这种类型的中间件通常能够构建出企业级的服务总线，对物联网感知数据进行融合处理，实现与其他应用服务器的通信整合。服务级中间件利用ALE标准将原始标签数据转换成为符合企业应用需求的事件数据，初步满足了物联网系统与企业管理系统融合的需要。目前市场上典型的应用中间件产品主要有：BEA公司的Weblogic、IBM公司的Websphere、Oracle公司的SensorEdgeServer等。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院132.

嵌入式中间件嵌入式中间件将中间件的层次结构下放到感知硬件节点上，有助于利用节点对数据进行快速过滤和转换，实现对应用需求的快速实时响应。同时嵌入式中间件能够提供节点级别的硬件抽象接口，无论是针对嵌入式应用还是企业级应用的开发，都能迅速部署和完成。相对于原先的由纯软件构成的应用服务中间件，嵌入式中间件具有应用部署成本低、部署方式灵活的特点。此外，嵌入式中间件有助于改善物联网应用的网络状况，由于其部署更接近数据产生源头，使网络中数据通信量得到有效地降低。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院14目前在嵌入式中间件的设计和研究上主要以WSN和RFID嵌入式中间件研究为主，这也是物联网中间件的两个重要的组成部分，此外面向特定领域的嵌入式中间件也是重要的嵌入式中间件种类之一。WSN嵌入式中间件RFID嵌入式中间件面向特定领域的嵌入式中间件第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院156.2中间件的体系结构中间件是位于操作系统层和应用程序层之间的软件层，能够屏蔽底层不同的服务细节，使软件开发人员更专注于应用软件本身功能的实现。物联网中间件提供了一个编程抽象，方便应用程序开发，缩减应用程序和底层设备的间隙。物联网中间件主要解决异构网络环境下分布式应用软件的通信、互操作和协同问题，提高应用系统的易移植性、适应性和可靠性，屏蔽物联网底层基础服务网络通信，为上层应用程序的开发提供更为直接和有效的支撑。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院161.通用物联网中间件体系架构物联网底层基础网络形式多样，无线传感网络、RFID网络是主要感知层网络。物联网感知具有多源性,信息格式多样性及信息内容实时变化等特点。为了应对日益更新的物联网应用需求，需要从不同角度对海量传感信息进行过滤和分析处理。在设计物联网中间件时，必须考虑网络处理能力、能量资源及其采用技术平台及实现接口各不相同等特性。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院17通用物联网中间件体系结构第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院18通用物联网中间件体系架构，将物联网中间件分为两大层次，上层应用和底层感知，其中执行环境层包括应用服务中间件(可选项)和嵌入式中间件，也称物联网中间件软件层。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院19(1)

应用服务中间件通常由三大模块构成：与上层应用交互的通用服务接口、向下提供运行平台支持的通用操作系统接口及中间的应用与服务的匹配调用组件。应用服务中间件主要完成数据融合、事件管理通信机制管理及数据库管理等功能。(2)

嵌入式中间件层运行于具体的嵌入式操作系统平台之上，一般包括通信接口、消息管理及操作系统(OS)接口三大模块，对于某些没有操作系统的硬件节点，则相应的嵌入式中间件模块不包含OS接口模块。对于不同的嵌入式设备，其所设计的嵌入式中间件也有所不同。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院202.

基于SOA物联网中间件模型针对物联网系统软、硬件资源可重用性低，上层应用与下层服务组合调用复杂等问题，结合SOA本身的特点和诸多优势，SOA是一种适应物联网中间件特性的解决方案。将SOA整合到物联网的服务应用中，可以对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和使用，实现了服务提供和和服务具体使用方式的分离，从而实现对各种粗粒度松耦合服务的集成，为处理企业应用中的复杂性问题提供有效的解决方案。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院21基于SOA物联网中间件架构模型第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院223.

Hydra中间件结构欧盟Hydra（NetworkedEmbeddedSystemMiddlewareforHeterogeneousPhysicalDevicesinaDistributedArchitecture）物联网中间件项目（FP6IST-2005-034891）致力于开发可广泛部署的智能网络嵌入式中间件平台，使之可运行于新的或已存在的分布式有线/无线网络设备中。Hydra采用对底层通信透明的面向服务的体系结构（见下页图），可运行在固定或移动设备中，支持集中或分布式的体系结构，以及安全和信任、反射特性和模型驱动的应用开发。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院23面向服务的体系结构第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院244.IOT-A体系框架欧洲IOT-A（InternetofThingsArchitecture）项目致力于当前物联网（IntranetsofThings）向未来物联网的转变，以及物联网业务流程建模、原型实现，并对物联网工业应用作出贡献。其具体内容包括搭建物联网系统互操作模型，建立有效的服务层响应机制，提供基于开放协议的服务协议，定义官方物联网体系结构以及设备平台组件等（见下页图）。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院25IOT-A体系框架第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院265.其他中间件体系框架无线传感网络中间件系统架构第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院27

RFID中间件原型系统架构第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院286.3

主流的中间件技术平台6.3.1OMGCORBA平台CORBA分布计算技术是OMG组织基于众多分布对象互操作内容的基础上制定的公共对象请求代理体系规范,具有模型完整、先进、独立于系统平台和开发语言、被支持程度广泛的特点,已逐渐成为分布计算技术的标准。COBRA标准主要分为3个层次：对象请求代理、公共对象服务和公共设施。CORBA规范的近期发展,增加了面向Internet的特性，服务质量控制和CORBA构件模型(CORBAComponentModel)。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院29Internet集成特性包括了针对IIOP传输的防火墙(Firewall)和可内部操作的定义了URL命名格式的命名服务(NamingService)。服务质量控制包括能够具有质量控制的异步消息服务，一组针对嵌入系统的CORBA定义，一组关于实时CORBA与容错CORBA的请求方案。CORBA构件模型是OMG组织制定的一个用于开发和配置分布式应用的服务器端中间件模型规范，主要包括三项内容：抽象构件模型构件容器结构构件的配置和打包规范第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院306.3.2SunJ2EE平台为推动基于Java的服务器端应用开发，Sun于1999年底推出了Java2技术及相关的J2EE规范，J2EE的目标是：提供平台无关的、可移植的、支持并发访问和安全的，完全基于Java的开发服务器端中间件的标准。6.3.3MicrosoftDNA2000平台MicrosoftDNA

是Microsoft在推出Windows2000系列操作系统平台基础上，在扩展了分布计算模型以及改造BackOffice系列服务器端分布计算产品后，发布的新的分布计算体系结构和规范。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院316.3.4

主流平台相关性分析对于上述三个分布计算平台，通常从以下三个方面进行比较分析：(1)

集成性：集成性主要反映在基础平台对应用程序互操作能力的支持上。它要求分布在不同机器平台和操作系统上、采用不同的语言或者开发工具生成的各类商业应用必须能集成在一起，构成一个统一的企业计算框架。这一集成框架必须建立在网络的基础之上，并且具备对于遗留应用的集成能力。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院32(2)可用性：要求所采用的软件构件技术必须是成熟的技术，相应的产品也必须是成熟的产品，在至关重要的企业应用中能够稳定、安全、可靠地运行。另外，由于数据库在企业计算中扮演着重要角色，软件构件技术应能与数据库技术紧密集成。(3)

可扩展性：集成框架必须是可扩展的，能够协调不同的设计模式和实现策略，可以根据企业计算的需求进行裁剪，并能迅速反应市场的变化和技术的发展趋势。通过保证当前应用的可重用性，最大程度地保护企业的投资。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院33下表从集成性、可用性、可扩展性三个方面，给出了上述三种主流分布计算平台的比较结果。

CCMEJBDCOM集成性

跨语言性能好差（限于Java）好跨平台性能好好差（限于Windows）网络通讯好好一般公共服务构件好好一般可用性

事务处理好一般一般消息服务一般一般一般安全服务好好一般目录服务好一般一般容错性一般一般一般软件开发商支持度一般好好产品成熟性一般一般好可扩展性好好一般第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院346.4

物联网中间件关键技术6.4.1EPC中间件EPC（ElectronicProductCode）中间件扮演电子产品标签和应用程序之间的中介角色。应用程序使用EPC中间件所提供的一组通用应用程序接口，即可连到RFID读写器，读取RFID标签数据。基于此标准接口，即使存储RFID标签数据的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者读写RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性等问题。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院35EPCGlobal主要针对RFID编码及应用开发规范方面进行研究，其主要职责是在全球范围内对各个行业建立和维护EPC网络，保证供应链各环节信息的自动、实时识别采用全球统一标准。EPC技术规范包括标签编码规范、射频标签逻辑通信接口规范、识读器参考实现、Savant中间件规范、ONS对象名解析服务规范、PML语言等内容。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院366.4.2OPC中间件OPC（OLEforProcessControl）是一个面向开放工控系统的工业标准。OPC基于微软的OLE(ActiveX)、COM

（构件对象模型）和DCOM

（分布式构件对象模型）技术，包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统，现已成为工业界系统互联的缺省方案。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院37OPC适用于很多系统的具有高厚度柔软性的接口标准。OPC接口既适用于通过网络把最下层的控制设备的原始数据提供给作为数据的使用者(OPC应用程序)的HMI／SCADA，批处理等自动化程序，以至更上层的历史数据库等应用程序，也适用于应用程序和物理设备的直接连接。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院38OPC统一架构（OPCUnifiedArchitecture）是OPC基金会最新发布的数据通信统一方法，它克服了OPC之前不够灵活、平台局限等的问题，涵盖了OPC实时数据访问规范

(OPCDA)、OPC历史数据访问规范(OPCHDA)、OPC报警事件访问规范

(OPCA&E)和OPC安全协议(OPCSecurity)的不同方面，以使得数据采集、信息模型化以及工厂底层与企业层面之间的通讯更加安全可靠，见下页图。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院39

OPC开放分层式统一架构第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院406.4.3WSN中间件WSN中间件主要用于支持基于无线传感器应用的开发、维护、部署和执行，其中包括复杂高级感知任务的描述机制，传感器网络通信机制，传感器节点之间协调以在各传感器节点分配和调度该任务，对合并的传感器感知数据进行数据融合以得到高级结果，并将所得结果向任务指派者进行汇报等机制。针对上述目标，目前的WSN中间件研究提出了许多不同的设计方法。包括：第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院411.分布式数据库基于分布式数据库设计的WSN中间件把整个WSN网络看成一个分布式数据库，用户使用类SQL的查询命令以获取所需的数据。2.虚拟共享元组空间所谓虚拟共享元组空间就是分布式应用利用一个共享存储模型，通过对元组的读、写和移动以实现协同。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院423.事件驱动基于事件驱动的WSN中间件支持应用程序指定感兴趣的某种特定的状态变化。当传感器节点检测到相应事件的发生就立即向相应程序发送通知。应用程序也可指定一个复合事件，只有发生的事件匹配了此复合事件模式才通知应用程序。4.服务发现基于服务发现机制的WSN中间件，可使得上层应用通过使用服务发现协议，来定位可满足物联网应用数据需求的传感器节点。第6章物联网中间件2024/1/10北京物资学院信息学院435.移动代理移动代理（或移动代码）可以被动态注入并运行在传感器网络中。这些可移动代码可以收集本地的传感器数据，然后自动迁移或将自身拷贝至其他传感