泛在业务环境设备能力的汇聚与系统框架设计

3.0 闻远设计 2024-03-10 57 4 268.13KB 5 页免费

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1 引言

随着信息技术的发展，人们对信息的获取和使用方式由原来的单一网络连接逐渐向泛在信息服

务迁移．在泛在业务环境中，各类信息设备被应用到生活中的各类场景中．泛在业务环境是

通过对这些无处不在的数字信息进行采集、管理、有效利用，使各类功能各异、无处不在的网

络和设备能够协同工作，实现泛在业务环境下物与物、物与人、人与现实之间的高效交互模

式．如图 1 所示，传统的设备能力利用方案多是面向特定行业和场景的垂直型应用，应用开发

的壁垒高，通常使用封闭的私有接口和通信协议，难以满足泛在业务环境下跨网络、跨行业的

水平型应用需求．所以，本文提出了一种系统架构，采用模块化的方法将设备映射为抽象的

web 资源，使各类应用能够通过统一的Ｒ ESTful( ＲEpresentational State Transfer) 接口与之实

现访问和交互．架构考虑到了泛在网中设备海量、异构、移动的特点，因此模块的划分和功能

设计使架构具有较好的低耦合和可扩展性．对设备的统一资源抽象使得这些数据源网络具备应

用层的互操作能力，能够实现一个应用同时聚合使用多种设备的能力，同时，同一个设备的能

力也能够被多个应用所复用，因此可以较好的满足泛在业务环境下设备能力的汇聚与开放的需

求．经过一个在具体硬件环境中实施的演示系统验证了该架构的可行性和有效性．

2 相关工作

“早期的泛在网研究重点在于将无处不在的数字设备与现实世界进行关联整合，形成 Internet of

Things” ．然而，早期应用的结构一般都是垂直方向的解决方案，每个应用通常只针对特定的

场景，需要专用的软件和通信协议才能工作．这种结构在设备数量不多，用户较少的情况下是

可行的，然而它不适合泛在业务环境下大量异构设备在应用层的服务聚合与开放．为了实现较

好的互操作性，研究人员尝试将传统网络中的协议移植到泛在网环境中． 6LoWPAN［3］即

是这种工作的成果，它能使设备具有简单的 IPv6 通信能力．文献［2，6，8］利用该方法在设

备中植入精简的 web 服务．但是该方案的实施过程仍然非常精细，例如，在各类异构设备上

实施 6LoWPAN 本身便需要解决各类兼容性的问题，在受限设备上实施 web 服务也需要针对存

储和计算能力进行专门优化．这个过程相当于在各类设备上重新实现一套网络协议栈，成本和

专业门槛较高，不适合大规模推广．在文献［4］中描述了一种通过对设备能力进行抽象，从

而屏蔽异构差异，实现泛在网中可插拔式( Plug and Play) 开放服务市场的前景．该工作缺少对

下行通信的抽象方法进行讨论．文献［7］尝试在社交网络环境中实现设备信息的共享，该工

作重点考虑了实施设备信息共享时的隐私保护和接入控制等相关问题．该工作主要针对规模和

数量较小的数据源网络信息共享，缺少对泛在网中海量设备、众多数据源网络的情况下可扩展

性的考虑．利用已被广泛接受和推广的技术来实现泛在设备的能力汇聚与开放是非常合适的．

Web 技术的大规模普及使之具备这种条件，具有准入门槛低、易于推广的优势．在泛在网

中，通常使用Ｒ EST 架构［1 ］的方法将设备的能力抽象成能够使用统一接口访问的 web 资

源，这主要是由于其相对于其它方法更为简洁轻量的结果．

3 系统架构和组件功能

相比传统的传感器网络应用，在泛在业务环境下设备的能力汇聚与开放所面对的应用需求种类

更多，服务范围也相对更为分散，加上泛在业务环境下设备数量众多，架构和功能各异，因

此，在架构上，除了要满足对不同平台的兼容性和能力汇聚开放的需求外，还需要充分考虑整

个系统的低耦合和可扩展性．系统架构如图 2 所示．架构的设计以数据为中心，将数据源的能

力汇聚与面向用户的能力开放进行分离．系统由数据源、预处理模块、Ｒ ESTful 接口模块、

控制适配模块、数据仓储组成．当数据从传感网中汇聚到系统中后，首先由预处理模块进行必

要的规整处理，将可能来自不同网络不同类型节点的原始数据预处理成数据仓储中所要求的格

式．用户与系统之间的数据传输采用 HTTP 协议，交互过程采用Ｒ ESTful 风格的接口进行．

3. 1 数据源

数据源通常由普通传感器节点和 sink 节点组成．普通节点通常装备有能够感知某类参数( 如温

度、位置信息等) 的专用传感模块．传感器节点采集数据后，通常通过其自身装备的无线发射

模块在传感网中汇聚到 sink 节点．根据应用需求场景的不同，传感器节点有时也需要接收和

响应处理来自sink 下发的控制类请求报文．Sink 节点连接传感器网络和全功能外部设备，同时

具备与传感器网络中的节点和全功能设备进行通信的能力．普通节点的数据汇聚到 sink 节点

后，由 sink 交给全功能设备上的预处理程序进行处理．对传感器网络的控制指令也首先交由

sink 节点然后向下传达．

3. 2 预处理模块

在泛在业务环境中，平台需要能够支持不同种类，功能和架构各异的数据源设备的接入．这意

味着接入平台的泛在设备的能力、上传的数据类型、数据的封装方式等等也是非常多样化的．

因此，当数据汇聚到 sink 节点后，需要由预处理模块对数据进行必要的规整和格式化操作，屏

蔽差异，使之符合平台对数据格式的要求，然后将其存入数据仓储模块．举例来说，预处理通

常需要完成的功能如下:

1) 针对各类 sink 节点上传的报文，进行相应的解析，提取出相关的数据字段;

2) 若节点为能力受限节点，不能随报文提供数据采集的时间戳信息，则预处理模块有必要在数

据进入仓储模块前为其添加当前的时间信息;

3) 当数据源网络缺少标识，相互之间无法区分时，预处理模块可以在收到数据后为其添加相应

的网络信息标识;

4) 如有必要，需要对采集的数据进行单位换算，或者进行异常值检测，便于统计处理;

5) 为了增加传输的效率、延长数据源网络的生命周期，数据源节点可能会积累多个感知数据后

用封装到同一个报文中发出．在这种情况下，预处理模块可能需要将其分拆开，作为单个数据

条目存入数据仓储模块．

3. 3 ＲESTful 接口模块

ＲESTful 接口模块用于对泛在业务环境下的设备进行功能抽象和能力开放．将设备的能力封

装为Ｒ ESTful 风格的接口供外部应用系统调用．Ｒ ESTful 接口通常使用 HTTP 协议作为数据

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泛在业务环境设备能力的汇聚与系统框架设计1引言随着信息技术的发展，人们对信息的获取和使用方式由原来的单一网络连接逐渐向泛在信息服务迁移．在泛在业务环境中，各类信息设备被应用到生活中的各类场景中．泛在业务环境是通过对这些无处不在的数字信息进行采集、管理、有效利用，使各类功能各异、无处不在的网络和设备能够协同工作，实现泛在业务环境下物与物、物与人、人与现实之间的高效交互模式．如图1所示，传统的设备能力利用方案多是面向特定行业和场景的垂直型应用，应用开发的壁垒高，通常使用封闭的私有接口和通信协议，难以满足泛在业务环境下跨网络、跨行业的水平型应用需求．所以，本文提出了一种系统架构，采用模块化的方法将设...

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