基于J2EE和云計(jì)算的智慧社區(qū)架構(gòu)設(shè)計(jì)

王令群, 何世鈞， 袁小華， 張術(shù)臺

(上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院, 上海 201306)

0 引 言

智慧社區(qū)的建設(shè)目的是對內(nèi)提供社區(qū)業(yè)務(wù)管理，對外提供社區(qū)宣傳，而住戶則于安全居家的同時(shí)，既能獲取信息資訊，還能處理相關(guān)業(yè)務(wù)。為此，在智慧社區(qū)建設(shè)中，需對：智慧社區(qū)需滿足社區(qū)管理和住戶對社區(qū)安防、設(shè)備管理和信息通訊等的多種需求；社區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)在不斷革新和變化；智慧社區(qū)多在現(xiàn)有硬件設(shè)施和管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，涉及到對現(xiàn)有信息資源的整合和集成等，提出有效方案。

在現(xiàn)有智慧社區(qū)建設(shè)中，文獻(xiàn)[1-2]將智慧社區(qū)劃分為設(shè)備控制和信息兩個(gè)模塊，文獻(xiàn)[3-5]劃分為安防、設(shè)備管理和信息通信系統(tǒng)三個(gè)組成，文獻(xiàn)[6]按功能將智慧社區(qū)劃分為感知、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、業(yè)務(wù)層等四個(gè)層次；針對社區(qū)控制，文獻(xiàn)[2,4,7]認(rèn)為分布式控制存在諸多不足，提出了基于LonWorks的現(xiàn)場總線控制，文獻(xiàn)[7]還給出基于LonWorks的社區(qū)測控系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)的信號采集和設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)過程；針對硬件集成，文獻(xiàn)[3,8]提出的網(wǎng)絡(luò)集成模式主張成本低但抗干擾能力弱的的多網(wǎng)合一，文獻(xiàn)[2,4,7]主張采用成本高但安防性能強(qiáng)的現(xiàn)場總線控制；針對軟件集成，文獻(xiàn)[5]提出基于多平臺集成，其中C/S模式用于構(gòu)建小區(qū)安防和物業(yè)管理系統(tǒng)，B/S用于建立信息通信系統(tǒng)，在基于Web Services[2,9-10]的系統(tǒng)集成方面，主要有J2EE[2]和ROR[9]的兩種集成方案，前一方案過于簡略，后者基于的ROR尚不能承載大型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在智慧社區(qū)的網(wǎng)絡(luò)接入方式上，主要有xDsL、HFC、寬帶無線(LMDS) HomePNA和以太網(wǎng)等接入方案[8,11]。

總體看來，現(xiàn)有解決方案主要考慮的是對第一個(gè)問題的解決，對第二和第三個(gè)問題考慮較少?？紤]到J2EE支持對復(fù)雜、可移植性、安全和可再用軟件體系的設(shè)計(jì)開發(fā)，是廣泛被采用的技術(shù)框架，云計(jì)算虛擬化技術(shù)則支持信息系統(tǒng)對基礎(chǔ)資源的動(dòng)態(tài)管理，因此基于J2EE和云計(jì)算對智慧社區(qū)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，對智慧社區(qū)建設(shè)的上面三個(gè)問題，提出了系統(tǒng)的解決方案。

1 總體設(shè)計(jì)

在分析了智慧社區(qū)的建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，將給出基于J2EE和云計(jì)算的智慧社區(qū)云平臺總體架構(gòu)。

1.1 智慧社區(qū)建設(shè)目標(biāo)

智慧社區(qū)云平臺不僅對內(nèi)實(shí)現(xiàn)社區(qū)管理和信息服務(wù)，對外作為智慧城市的組成部分，還為智慧城市提供構(gòu)件服務(wù)，因此智慧社區(qū)主要需求如圖1所示。

圖1 智慧社區(qū)需求

依據(jù)上述需求，智慧社區(qū)建設(shè)要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和技術(shù)兩個(gè)方面的目標(biāo)：在業(yè)務(wù)方面，實(shí)現(xiàn)社區(qū)業(yè)務(wù)管理、安防、信息通訊等豐富功能；在技術(shù)方面，整合社區(qū)現(xiàn)有信息資源，建立穩(wěn)定運(yùn)行的、方便擴(kuò)展和開放的平臺。

1.2 智慧社區(qū)的總體架構(gòu)

依據(jù)智慧社區(qū)的建設(shè)目標(biāo)，基于業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)、現(xiàn)有資源整合、適應(yīng)集成和擴(kuò)展的原則，對智慧社區(qū)的內(nèi)部組成、外部環(huán)境及相互關(guān)系，進(jìn)行了設(shè)計(jì)，形成如圖2所示的社區(qū)總體架構(gòu)。

1.2.1內(nèi)部組成

為方便開發(fā)和管理，對智慧社區(qū)由頂向下，分為應(yīng)用層(SaaS)，計(jì)算和集成與交換層(PaaS)，以及軟平臺支撐層(IaaS)等三層。其中：

(1) SaaS層提供智慧社區(qū)的應(yīng)用。包括：構(gòu)建智慧社區(qū)的多個(gè)門戶，實(shí)現(xiàn)社區(qū)管理、小區(qū)服務(wù)等；智慧社區(qū)的平臺用戶可訂購相應(yīng)門戶及應(yīng)用。

(2) PaaS層支持構(gòu)件開放和第三方的應(yīng)用接入。包括：為SaaS的功能開發(fā)提供BI支持類、應(yīng)用引擎類等多種構(gòu)件服務(wù)；通過ESB實(shí)現(xiàn)平臺內(nèi)外部應(yīng)用整合；通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的分層，提供數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享。該層包含的基礎(chǔ)軟件為操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和中間件等。

(3) IaaS向居民、物業(yè)，提供智慧社區(qū)的訪問通道。該層部署于包含了各種基礎(chǔ)設(shè)施云的云平臺上。

1.2.2外部環(huán)境

智慧社區(qū)與外部環(huán)境間的關(guān)系為：電信系統(tǒng)為智慧社區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)接入和信息通訊；智慧社區(qū)與國家基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；以及為智慧城的其他項(xiàng)目提供應(yīng)用接入。

3 架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于J2EE和省級的云計(jì)算中心，給出了智慧社區(qū)的軟件、數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)及基礎(chǔ)平臺的架構(gòu)。因篇幅限制，智慧社區(qū)的網(wǎng)絡(luò)與安全架構(gòu)省略。

2.1 軟件架構(gòu)

智慧社區(qū)的軟件架構(gòu)上需解決三個(gè)特殊問題:① 需考慮軟件平臺內(nèi)部多個(gè)子系統(tǒng)的集成，以及與外部的協(xié)調(diào)；② 平臺的業(yè)務(wù)應(yīng)用需調(diào)用若干基礎(chǔ)構(gòu)件，而基礎(chǔ)構(gòu)件存在交集；③ 需求的變化和技術(shù)革新。

對此，基于先進(jìn)性、靈活性和可擴(kuò)展性等原則，我們對智慧社區(qū)平臺的軟件的思路是：對復(fù)雜的軟件體系進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，以解決第1個(gè)問題；對基礎(chǔ)構(gòu)件建進(jìn)行抽取，形成一個(gè)通用的公共服務(wù)層，以解決第2個(gè)問題；采用面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA，Service Oriented Architecture)，通過對現(xiàn)有服務(wù)的復(fù)用和新業(yè)務(wù)需求擴(kuò)展的支持,以解決第3個(gè)問題,從而形成如圖3所示的分層式的、可抽取和替換的智慧社區(qū)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。

在智慧社區(qū)軟件的分層設(shè)計(jì)中，各層向下依賴。其中：

(1) 展現(xiàn)層。展現(xiàn)層是智慧社區(qū)平臺的用戶入口，負(fù)責(zé)接收輸入和呈現(xiàn)輸出，進(jìn)行用戶驗(yàn)證，處理功能模塊和平臺通信間的交互。該層設(shè)計(jì)中采用MVC三層體系，并融入了Web2.0的Web3.0的理念，特別是AJAX特性，以實(shí)現(xiàn)豐富的用戶體驗(yàn)；選用技術(shù)成熟Struts2框架做為技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

(2) 服務(wù)層。服務(wù)層中包含了智慧社區(qū)業(yè)務(wù)所需的各種服務(wù),依據(jù)業(yè)務(wù)邏輯，完成服務(wù)的組裝。該層的設(shè)計(jì)中我們采用接口與實(shí)現(xiàn)分離的思路。具體說：① 基于面向?qū)ο蟮乃枷?，由抽象層中的抽象類及接?即圖中的“服務(wù)接口”)規(guī)定具體類的特征，而由抽象類的派生類(圖中的“服務(wù)實(shí)現(xiàn)”)定制各自的行為。② 采用IoC框架提供的依賴注入(Dependency Injection)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)接口與具體實(shí)現(xiàn)的分離;③ 由事務(wù)管理(Transaction Manager)模塊管理被整合的服務(wù)的有效性。

圖2 智慧社區(qū)的系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 智慧社區(qū)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

(3) 業(yè)務(wù)邏輯層。該層是軟件架構(gòu)的核心層，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)規(guī)則的制定和業(yè)務(wù)流程的實(shí)現(xiàn)。該層在數(shù)據(jù)訪問層與服務(wù)層之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，是前者的調(diào)用者，被后者調(diào)用，如何實(shí)現(xiàn)兩種依賴關(guān)系的解耦，是軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對此，我們在業(yè)務(wù)邏輯層的幾個(gè)模塊中，分別：依賴IoC框架定義業(yè)務(wù)邏輯接口和其具體實(shí)現(xiàn)；采用JBoss Rules(Drools )作為規(guī)則引擎；采用JBoss jBPM(Java Business Process Management)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程。

(4) 數(shù)據(jù)訪問層。數(shù)據(jù)訪問層隱藏對數(shù)據(jù)庫的操作細(xì)節(jié)，隔離業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)庫，增加代碼的重用。該層的各模塊中: 數(shù)據(jù)訪問組件建立應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)系,我們采用JDBC對其實(shí)現(xiàn)；對象關(guān)系映射(ORM)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)形式，解決面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫間的匹配問題，我們采用Hibernate對其實(shí)現(xiàn)；而連接池創(chuàng)建和管理連接的緩沖池，以改善用戶應(yīng)用程序的性能，其實(shí)現(xiàn)采用dbcp。

(5) 公共組件服務(wù)層。公共服務(wù)層提供與業(yè)務(wù)無關(guān)的基礎(chǔ)公共服務(wù),相應(yīng)服務(wù)以構(gòu)件方式組裝，通過平臺服務(wù)目錄對外提供服務(wù)。

(6) IoC框架?？刂品崔D(zhuǎn)(Inversion of Control，IoC)，關(guān)注組件的依賴性、配置以及生命周期，在設(shè)計(jì)中，我們采用IOC：描述創(chuàng)建各類對象的方式；描述各個(gè)組件所需的服務(wù)。在智慧社區(qū)平臺軟件架構(gòu)中，我們選用主流的Spring做為IoC框架。

2.2 智慧社區(qū)的數(shù)據(jù)架構(gòu)

在智慧社區(qū)中，我們將所包含的實(shí)體和關(guān)系劃分為5個(gè)主題域，包括：參與者、服務(wù)、內(nèi)容、交互和地域。各個(gè)主題域之間的關(guān)系如圖4所示。其中：

(1) 參與者主題域。指系統(tǒng)的所有用戶，包括居民、社區(qū)管理者、商家等多種實(shí)體，其中居民以計(jì)生委為準(zhǔn)，按民政、公安的需求加以細(xì)化，其他以系統(tǒng)需求為準(zhǔn)。

(2) 服務(wù)主題域。指參與者提供的所有服務(wù)，包括志愿者服務(wù)、商品、產(chǎn)品等，其中志愿者服務(wù)按照社區(qū)提供的需求設(shè)計(jì)和細(xì)化，另兩者分別依據(jù)電信和商家的需求設(shè)計(jì)和細(xì)化。

圖4 智慧社區(qū)信息的主題域及其關(guān)系

(3) 內(nèi)容主題域。是指系統(tǒng)內(nèi)的所有信息，包括新聞、通知公告、文檔等，其中，通知公告以社區(qū)需求為準(zhǔn)，其他以可快速檢索和可擴(kuò)展為原則設(shè)計(jì)。

(4) 交互主題域。是指參與者之間所關(guān)聯(lián)的事件，包括交易、共享、信息推送等。主要設(shè)計(jì)居民之間、以及居民與商家、社區(qū)管理者等間的交互過程。

(5) 地域主題域。是指社區(qū)所在的地域空間，可

按行政區(qū)域劃分、郵政與電信區(qū)域劃分等需求，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 業(yè)務(wù)功能

智慧社區(qū)為用戶提供通訊和信息資源共享，并支持社區(qū)的業(yè)務(wù)協(xié)同管理和設(shè)施管控，為此我們設(shè)計(jì)了門戶、業(yè)務(wù)和能力等三方面的功能。

2.3.1門戶群功能

在智慧社區(qū)門戶網(wǎng)站群中，主要包括從省到社區(qū)及部落的各級社區(qū)門戶網(wǎng)站。其中：社區(qū)門戶網(wǎng)站欄目包括社區(qū)政務(wù)、便民服務(wù)等；部落門戶網(wǎng)站為由相同興趣愛好的居民提供在線交流；“智慧社區(qū)平臺管理門戶網(wǎng)站”定制門戶模板的欄目和信息，自助建網(wǎng)，并對用戶、運(yùn)行和系統(tǒng)進(jìn)行管理；“智慧社區(qū)平臺運(yùn)營門戶網(wǎng)站”則作為平臺運(yùn)營的門戶，主要負(fù)責(zé)用戶(商家)注冊、用戶行為分析等。門戶網(wǎng)站群的組成與邏輯關(guān)系，如圖5所示。

圖5 智慧社區(qū)門戶網(wǎng)站群架構(gòu)

2.3.2應(yīng)用功能

應(yīng)用分為專有應(yīng)用和公共應(yīng)用兩類。其中：專有應(yīng)用專門為居委會(huì)、居民、商家和第三方等提供管理服務(wù)；公共應(yīng)用面向所有用戶提供各種通訊和信息服務(wù)。

2.3.3能力

能力是指智慧社區(qū)系統(tǒng)中的各類構(gòu)件的功能實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)構(gòu)件作為可復(fù)用的軟件模塊，可提供給系統(tǒng)內(nèi)部和第三方調(diào)用。本系統(tǒng)能力包含的主要控件類別如圖6所示。

圖6 智慧社區(qū)的能力架構(gòu)

2.3.4云平臺設(shè)計(jì)

基于云計(jì)算的虛擬化技術(shù)，設(shè)計(jì)了智慧社區(qū)云平臺，該平臺內(nèi)各種物理資源，分別被虛擬化為計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的資源池，以支持對社區(qū)物理資源管理上的動(dòng)態(tài)架構(gòu)和調(diào)配。智慧社區(qū)的云平臺架構(gòu)如圖7所示。

3 實(shí)現(xiàn)實(shí)例

在福建廈門的四個(gè)智能社區(qū)建設(shè)中，采用了我們提出的基于J2EE和云計(jì)算的解決方案，其中，建成后的廈門某智慧社區(qū)信息平臺。因其內(nèi)容和功能完整，技術(shù)先進(jìn)和系統(tǒng)管理方便，已在我國智能社區(qū)建設(shè)中被推薦加以推廣。

圖7 智慧社區(qū)云平臺架構(gòu)

4 結(jié) 語

建設(shè)智慧社區(qū)需要考慮復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求，需求變化與技術(shù)擴(kuò)展，以及對現(xiàn)有信息資源的整合等問題?，F(xiàn)有的智慧社區(qū)解決方案尚未對這三個(gè)問題系統(tǒng)地解決，為此，基于J2EE和云計(jì)算虛擬化技術(shù)，我們提出一個(gè)較為系統(tǒng)的智慧社區(qū)解決方案，對智慧社區(qū)的總體結(jié)構(gòu)，以及軟件、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)和設(shè)施平臺的架構(gòu)等，進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中對一些關(guān)鍵技術(shù)的選型進(jìn)行了說明。本解決方案在福建廈門智慧社區(qū)的成功應(yīng)用，說明其可資參考。

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