物联网技术及应用7.物联网应用系统设计

物联网技术及应用（第2版）第7章物联网应用系统设计7.1物联网应用系统概述7.2物联网应用系统设计7.3基于M2M“智慧城市”平台设计【主要内容】7.1物联网应用系统概述物联网应用系统：是综合物联网应用共性特点，贯穿感知、传输、服务三层的功能模块、协议和平台等的总称，是物联网应用的核心支撑平台。功能：能提供终端远程管理、运行监控、警告管理、协议适配、业务数据传输、行业应用接入等综合服务功能。为物联网各种应用系统提供强大、稳定的运行支撑环境。核心：是利用各种通信设备和线路（包括有线和无线）将分布在不同地理位置、功能各异的物品连接起来，通过功能完善的软件系统（包括通信协议）实现数据传输及资源共享。物联网应用系统的建设，将打破孤立“竖井式”应用架构所形成的“信息孤岛”为物联网应用提供标准体系架构，并支持多应用业务信息融合和服务共享，实现应用业务间无缝集成与协作。强大易扩展的物联网应用系统支持多种类型感知设备适配接入，兼容现有各类传输网络，提供灵活的应用服务部署和业务交互共享模式，并可根据用户需求在系统上动态添加新的应用。强大的平台开发及运行维护支撑能力可显著降低物联网业务应用开发成本、服务运营成本及维护成本，降低物联网的准入门槛。先进、成熟、符合国际标准的软硬件技术和易扩展的开放式体系结构，能根据技术、业务的发展需要对系统功能进行调整、增加，支持二次开发和快速集成。多种信息加密手段与安全管理协议以及灵活的访问权限机制，为物联网应用提供坚实的安全保障。价值与优势：7.2物联网应用系统设计7.2.1物联网应用系统的设计原则可靠性：要求物联网应用平台系统能够长时间稳定运行，即使出现故障或突发性事故时，也应具有能够保障系统正常运行和快速恢复正常运行的措施。要保证网络中各类电源的可靠供应，尤其是关键网络设备和关键客户机，必须配置足够功率的不间断电源（UninterruptedPowerSupply，UPS），以免数据丢失。应尽量避免出现单点故障而波及整个系统的现象发生。必须建立一套全面的实时监管方案。实用性：性价比高、实用性强、易于扩展，是任何一个网络系统的基本要求。在选择具体的网络通信和数据处理技术时，应尽可能采用先进和成熟的主流技术；构建的应用平台应尽可能简单易用，使用户经过短期培训，就可掌握使用方法；应具备充分灵活的适应能力、可扩展能力和自动升级能力，提供可视化的二次开发、配置工具，并充分考虑软、硬件接口和通信协议的标准化和开放性，使系统具备支持多种通信媒体和多种物理接口能力，能方便地实现技术升级和设备更新；应具备完整的统计、分析、授权、预警、短信、邮件、视频监控、GPS定位、打印等通用服务功能。安全性：主要解决如下问题物联网机器/感知节点的本地安全、传输网络和承载网络的信息安全等；应用平台中的病毒、黑客入侵；用户访问权限；用户账户（特别是高权限账户）安全。7.2.1物联网应用系统的设计步骤图7-1物联网系统设计的内容和步骤用户需求分析基本配置需求分析性能和功能需求分析应用和安全需求分析成本和效益评估初步方案设计确定网络规模和覆盖范围构建网路总体架构物联网系统设计确定网络拓扑结构：

基本的物联网拓扑结构有总线型、星型、树型和混合型等总线型：是一种基于多点连接的拓扑结构。星型：是一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构。树型：是一种层次型树状结构。混合型：是将两种或两种以上的拓扑结构混合使用，这样可以取长补短，但网络配置难度较大。节点规模设计：

根据用户网络规模、功能和应用需求、相应设备布局等，确定物联网主要的节点数量和布局、节点设备性能、容量和应具备的功能等。

确定网络操作系统目前主要有3大类：Windows操作系统：包括WindowsNT4.0、Windows2000、Windows2003以及最新的Windows2008等；Unix系统：版本主要有UnixSUR4.0、SVR4.2、HP-UX11.0，SUN的Solaris8.0等。Linux操作系统：它是一种新型的网络操作系统，其最大的特点就是源代码开放，可以免费得到许多应用程序，而且安全性和稳定性好。网络设备的选型和配置主要的网络设备有：服务器、交换机、路由器、不停电电源等。网络服务器：是网络服务的核心设备，应按照稳定第一、需求够用、知名品牌等原则选型；交换机：是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备；路由器：主要用于各种不同网络或网段之间的联结，并对所连接网络的数据信息进行相互“翻译”，以实现不同网络或网段之间的互联互通；同时它还具有判断网络地址和选择路径的功能，以及过滤和分隔网络信息流的功能。UPS：是一种含有一定能量存储能力的不停电电源设备。是指采用标准化措施，将多种应用布线系统进行统一综合，实现统一材料、统一设计以及统一安装施工，以使整个系统结构清晰、便于管理和维护。要求根据用户需求的感知节点部署和网络规模等，设计整个网络的综合布线图。网络综合布线系统要采用国内外标准化部件和模块化组合方式，把语音、数据、图像、控制等各种信号，用统一的传输媒介进行综合，形成一套标准、适用、灵活、开放的布线系统。综合布线系统设计应用系统设计：分模块设计出满足用户需求的各种应用系统框架和对网络系统的要求，特别是一些特定行业和关键应用。设备配置：根据用户业务特点、应用需求和数据流量，对整个系统的服务器、感知节点、用户终端等外设进行配置和设计。软件选择：为计算机系统选择适当的数据库（DBS）、企业资源计划（ERP）系统、经营管理系统（MIS）等及开发平台。机房环境设计：确定用户端系统的服务器所在机房和一般工作站机房环境，包括温度、湿度、通风等要求。系统集成：将整个系统涉及的各个部分加以集成，并最终形成系统集成的正式文档。系统调试和试运行。物联网应用系统平台设计主要包括：具体的用户应用系统设计、M2M系统、ERP系统、MIS管理系统选择等。7.3基于M2M“智慧城市”平台设计智慧城市：是以地理空间框架为定位基准，集成城市自然、社会、经济、人文、环境等综合信息，基于网络基础设施实现城市信息的广泛共享。M2M：是机器对机器（Machine-to-Machine）通信的简称。目前，M2M重点在于机器对机器的无线通信。7.3.1平台的功能要求提供统一的终端接入平台提供统一的应用基础运行平台提供统一的安全认证提供统一的数据交换平台提供统一门户支撑平台提供多种业务构件7.3.2平台的性能要求处理能力要求支持300用户并发M2M应用业务请求；满足10万个以上终端的监控管理需求；支持300个以上用户在线进行并网操作，且系统内响应时间不超过2s；CPU忙时利用率平均不超过60%。稳定性和可靠性要求1）

要求平台具有较高的可靠性和稳定性。关键设备应采用负荷分担、分布式多处理机构，主要模块冗余度至少为1+1。2）

系统各服务器应保证数据实时的一致性、可用性，主设备和备用设备的切换时间不超过3min。3）

系统故障恢复时间不超过30min。4）

设备必须支持热插拔功能。5）

系统应满足7×24h不间断工作。6）

存储设备应具有极高的可靠性，有良好的备份和恢复策略。系统数据和业务数据可联机备份、联机恢复，恢复的数据必须保持其完整性和一致性。7）

应对系统的配置数据、操作日志进行备份，并永久保存；8）

在系统失效的情况下，应能够从数据记录中恢复最近的数据。软件要求

平台软件必须基于业界开放式标准，包括各种网络协议、硬件接口、数据库接口等，以保证系统的生命力，体现良好的扩展性和互操作能力。应提供维护管理和实时监控功能，简化系统的使用和维护。各类软硬件系统应采用先进成熟的设备和技术，确保技术的先进性，投资的有效性和延续性。充分考虑可扩展性。应用软件能够以多种方式支持系统的扩展，包括业务功能的增加，系统升级以及系统容量和规模的扩大等。内置服务总线ESB、ETL工具、搜索引擎、ORM中间件、工作流引擎、报表定制工具、BI引擎(OLAP、Analysis、Query)等辅助产品与工具。

整体要求①应具备可移植性，能平滑移植到其它主流操作系统和主流硬件平台上。②应采用组件化设计，支持各种组件的在线拆卸、在线加载；支持组件间通信流程的灵活控制及业务流程的灵活变更；组件应具有开放的管理和服务接口。③能够实现应用部分与数据库部分在逻辑上的分离，便于对应用部分进行修改，从而方便随时添加新的功能或对原有功能进行改动而不影响数据库。④能够提供二次开发功能，以适应不断增加的支撑功能和不断拓展的业务空间。应用软件具备可视化的二次开发工具，以及集成开发环境，提高二次开发的效率。⑤提供灵活多样的服务，快速适应新业务的开展，应用软件的设计应采用结构灵活、面向对象、面向服务、中间件等技术。⑥整个应用软件系统应能够连续7×24h不间断工作。⑦具有完整的操作权限管理功能和完善的系统安全机制，能够对每个操作员的每次操作有详细的记录，对每次非法操作进行警告。⑧应能为系统管理员提供多种发现系统故障和发现非法登陆的手段。⑨提供通用的商业智能组件，如报表、数据抽取及转换、数据挖掘等。⑩提供通用的工作流引擎、电子地图、及移动定位、短信、邮件、视频等服务。⑾采用简洁、直观、友好的图形化界面。⑿支持中文大字符集等相关国家标准规定的汉字字符处理、显示和打印。7.3.3平台的总体构架设计基于M2M平台的“智慧城市”物联网应用模式

图7-3基于M2M平台的“智慧城市”物联网应用系统模式

M2M平台的技术功能

终端接入数据转发行业平台能力提供统一门户M2M平台的系统架构设计要求：基于XML/J2EE/Portlet/WFMC等开放技术，遵循SOA架构体系，采用统一的基于J2EE的软件平台和全程建模、基于组件分层开发的技术路线，支持大颗粒构件的复用；技术架构：遵循构件化、模块化、可扩展、可复用，以满足物联网应用未来的数据扩展和业务发展；总体架构：终端层、通信层、业务和数据处理层、用户层等4层结构。

终端层：位于平台体系的最底层，涵盖了各行业所能涉及的所有终端设备；通信层：是各种数据的传输网络，其主要功能是提供数据的透明传输，是终端层与基础平台层沟通的桥梁；业务和数据处理层：是各种应用业务和数据的处理中心；用户层：涵盖了物联网统一管理门户及各行业应用的所有用户。图7-4智慧城市M2M平台体系架构

M2M平台的技术架构设计终端感知层、中间平台层、顶端应用层等3层结构。图7-5M2M平台技术架构图

感知层：是各类数据的感知和终端传输网络，主要完成所有行业各类数据的采集、处理和上下传输任务。平台层：是M2M应用平台的核心，采用模块化设计，完成所有应用功能。主要组件包括：基础运行平台统一安全身份认证系统统一数据应用集成中心应用集成业务基础构件应用层：是面向对象的系统功能模块，