物聯(lián)網(wǎng)開放服務(wù)平臺

榮浩，江凌云

（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003；2.江蘇南郵物聯(lián)網(wǎng)科技園有限公司，江蘇南京210003）

運(yùn)營技術(shù)廣角

物聯(lián)網(wǎng)開放服務(wù)平臺

榮浩1，2，江凌云1，2

（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003；2.江蘇南郵物聯(lián)網(wǎng)科技園有限公司，江蘇南京210003）

針對目前物聯(lián)網(wǎng)以垂直服務(wù)系統(tǒng)為主、缺乏跨系統(tǒng)的資源共享等問題，提出了一個(gè)可擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)體系架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了統(tǒng)一的服務(wù)數(shù)據(jù)模型，通過消息發(fā)布中間件，屏蔽底層設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)平臺、操作系統(tǒng)等多源異構(gòu)問題，加入認(rèn)證授權(quán)機(jī)制，從而形成一個(gè)可擴(kuò)展、可以接入各種服務(wù)、安全可靠的物聯(lián)網(wǎng)智慧開放服務(wù)平臺。最后設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)開放服務(wù)平臺的系統(tǒng)原型，通過實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用系統(tǒng)，驗(yàn)證了所提架構(gòu)的可行性與優(yōu)越性。

物聯(lián)網(wǎng)；服務(wù)平臺；數(shù)據(jù)模型；中間件

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)［1，2］通過智能感知、識別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)在靈活性、開放性、可擴(kuò)展性等方面不能滿足不斷增長的用戶定制需求，物聯(lián)網(wǎng)與Web的融合在一定程度上打破了物聯(lián)網(wǎng)封閉高耦合性的局面，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)的開放共享。

然而，目前不同的智慧服務(wù)常常只針對特定場景，相互獨(dú)立［3］。如何將各種異構(gòu)的智能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送到同一個(gè)數(shù)據(jù)面，并有效地實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用功能之間在數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯及統(tǒng)一門戶上的相互融合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)共用的物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)應(yīng)用平臺［4］是非常有研究價(jià)值的。

隨著基于物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)應(yīng)用日益增長，產(chǎn)生了龐大的數(shù)據(jù)群，不同服務(wù)數(shù)據(jù)存在的形式互不相同，在做數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析時(shí)有諸多不便［5］。此外，由于各種組織在建立自己的應(yīng)用系統(tǒng)及存儲數(shù)據(jù)時(shí)，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，往往采用不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和存儲技術(shù)，這些問題也造成了數(shù)據(jù)多源異構(gòu)［6，7］的現(xiàn)象，導(dǎo)致了物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)信息“孤島”［4］，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能健康、智能環(huán)保、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用，為人類提供了方便、快捷、可靠的生活方式。但當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)平臺的開放認(rèn)證授權(quán)機(jī)制［8］存在著過度授權(quán)等方面的缺陷，而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有較高的安全性需求，因此在開放平臺中良好的認(rèn)證授權(quán)機(jī)制是保護(hù)用戶私密設(shè)備信息的重要環(huán)節(jié)。

研究物聯(lián)網(wǎng)開放服務(wù)平臺需要考慮以下3方面關(guān)鍵因素：

·構(gòu)建統(tǒng)一的服務(wù)數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的服務(wù)數(shù)據(jù)中間件，消除異構(gòu)數(shù)據(jù)的差異性；

·設(shè)計(jì)消息發(fā)布中間件，提供開放的服務(wù)調(diào)用接口；

·設(shè)計(jì)一種符合物聯(lián)網(wǎng)開放平臺特性的認(rèn)證授權(quán)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)用戶授權(quán)的可控性，保護(hù)用戶信息安全。

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)體系架構(gòu)，尤其是構(gòu)建了統(tǒng)一的服務(wù)數(shù)據(jù)模型，通過消息發(fā)布中間件，屏蔽物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)底層采集設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)平臺、操作系統(tǒng)等多源異構(gòu)問題，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，通過接口暴露給用戶，并且加入了認(rèn)證授權(quán)機(jī)制，從而形成了一個(gè)可擴(kuò)展、可以接入各種服務(wù)、安全可靠的智慧服務(wù)平臺。

2 智慧開放服務(wù)平臺設(shè)計(jì)

針對開放系統(tǒng)演化及其應(yīng)用問題，介紹了一種具有良好的構(gòu)造性和演化性的服務(wù)平臺架構(gòu)及統(tǒng)一的服務(wù)數(shù)據(jù)模型，同時(shí)引入服務(wù)感知中間件及授權(quán)機(jī)制。

2.1 智慧開放服務(wù)平臺架構(gòu)

智慧開放服務(wù)平臺體系架構(gòu)（如圖1所示）由下至上主要包括服務(wù)支撐層、服務(wù)感知中間件、業(yè)務(wù)融合層和應(yīng)用層4個(gè)層次。各層主要功能如下。

圖1 開放服務(wù)平臺體系架構(gòu)

·服務(wù)支撐層：能夠接入不同的設(shè)備或者服務(wù)，用于提供對不同粒度構(gòu)件的“即插即用”支持，比如接入各種數(shù)據(jù)流（如信息流、感知流），從而利用不同的信息輸入或輸出實(shí)現(xiàn)智慧服務(wù)的接入支撐。

·服務(wù)感知中間件：獲取服務(wù)支撐平臺的各種異構(gòu)服務(wù)數(shù)據(jù)，是智慧服務(wù)平臺獲取服務(wù)資源信息及其自身狀態(tài)變化不可或缺的過程和手段，從而可以提供多樣化、個(gè)性化、可擴(kuò)展化的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)在服務(wù)支撐平臺和業(yè)務(wù)融合層之間傳遞信息。

·業(yè)務(wù)融合層：獲取感知中間件提供的各種開放信息，對各種信息進(jìn)行整合處理，為最高層應(yīng)用層提供各種應(yīng)用服務(wù)。

·應(yīng)用層：特定行業(yè)針對自身需求，創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2.2 服務(wù)感知中間件

服務(wù)感知中間件是整個(gè)平臺的核心功能構(gòu)件，負(fù)責(zé)支撐整個(gè)平臺的數(shù)據(jù)解析以及服務(wù)的發(fā)布訂閱，是溝通底層數(shù)據(jù)流接入與上層業(yè)務(wù)融合的中間橋梁與紐帶。

服務(wù)感知中間件是智慧服務(wù)平臺獲取服務(wù)資源信息以及其自身狀態(tài)變化預(yù)測的不可缺少的過程，也是系統(tǒng)可擴(kuò)展、面向服務(wù)化的直接驅(qū)動力。本文首先基于已有的知識表達(dá)法，采用自頂向下的方式對服務(wù)資源進(jìn)行抽象建模，提出一種通用的、易擴(kuò)展的服務(wù)感知中間件框架（如圖2所示），具體包括服務(wù)訪問控制層、服務(wù)信息處理層和服務(wù)信息獲取層，在此基礎(chǔ)上，描述了感知中間件的構(gòu)造方法和簡單的服務(wù)數(shù)據(jù)交互原型。

圖2 服務(wù)感知中間件架構(gòu)

（1）服務(wù)信息獲取層

該層主要負(fù)責(zé)對平臺所處的服務(wù)資源和事件信息流進(jìn)行采集預(yù)處理并傳輸。其中，感知流可以是傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，用于實(shí)時(shí)采集感知信息；事件流可以有服務(wù)告警信息等；而其他的接入流可以是第三方的服務(wù)提供者提供的數(shù)據(jù)流信息。在這一層通過統(tǒng)一的編程接口對各種異構(gòu)的服務(wù)信息進(jìn)行捕捉，以降低服務(wù)之間的耦合度。服務(wù)信息預(yù)處理模塊主要負(fù)責(zé)將各種接入平臺的數(shù)據(jù)流的原始粗糙服務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式（XML和JSON格式［9］），為后續(xù)的服務(wù)信息存儲到數(shù)據(jù)庫以及解析和處理提供通用的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)源。

（2）服務(wù)信息處理層

該層主要負(fù)責(zé)對下層解析過來的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)源進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)信息的融合和事件的管理，包括服務(wù)信息庫模塊、服務(wù)信息管理模塊、服務(wù)聚合和事件處理模塊，其中服務(wù)信息庫可以是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，比如Oracle和MySQL數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)源的增/刪/改/查工作。

（3）服務(wù)訪問控制層

該層采用同步服務(wù)請求和異步通知相結(jié)合的技術(shù)，通過統(tǒng)一的服務(wù)開放接口，可以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的服務(wù)訪問查詢服務(wù)。主要包括服務(wù)查詢和面向業(yè)務(wù)融合層的接口模塊。

2.3 服務(wù)數(shù)據(jù)模型

智慧服務(wù)數(shù)據(jù)是服務(wù)支撐層接入的各類數(shù)據(jù)流，是平臺運(yùn)營最為重要的構(gòu)件，包括兩方面的含義：自身承載的基本信息，如溫度傳感器數(shù)據(jù)、心跳數(shù)據(jù)、智能交通數(shù)據(jù)；與其他信息元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這是一個(gè)層次型的關(guān)系，如溫度傳感器和濕度傳感器可以歸為環(huán)境監(jiān)控參數(shù)服務(wù)、心跳血壓等數(shù)據(jù)可以劃分為智能健康服務(wù)［10］，這些關(guān)系信息承載著服務(wù)數(shù)據(jù)的上下文組織方式。針對這種關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建了一個(gè)通用的、易擴(kuò)展的、具有層級遞歸關(guān)系的服務(wù)數(shù)據(jù)模型（service data model），如圖3所示。

圖3 服務(wù)數(shù)據(jù)模型

服務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為服務(wù)數(shù)據(jù)的屬性、服務(wù)數(shù)據(jù)的資源分類以及服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)布接口，其中Property接口負(fù)責(zé)描述數(shù)據(jù)類型及具體值，比如獲取溫度參數(shù)、健康參數(shù)；Resource接口負(fù)責(zé)描述服務(wù)數(shù)據(jù)的所屬分類，如劃分成智能健康、智能交通類別；最上層的ServiceData接口負(fù)責(zé)接收并發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)ServiceData接口可以由若干服務(wù)數(shù)據(jù)分類和若干子服務(wù)數(shù)據(jù)組成，是一對多的關(guān)系。

服務(wù)數(shù)據(jù)模型=＜ServiceData，Resource，Property＞，這是一個(gè)三元組的模式，服務(wù)數(shù)據(jù)接口是一組服務(wù)資源分類R（Resource）組成的集合，即Service=｛}，（n）。

服務(wù)資源分類可以由若干個(gè)子服務(wù)資源和屬性組成，令Property=P，即（i＞0）。P是由屬性名和屬性值組成的一個(gè)二元組，即＜key，value＞集合，其中key表示屬性名，value表示屬性值。

有了如上的定義，采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將各個(gè)服務(wù)數(shù)據(jù)按照其所屬類別及其層次關(guān)系組織起來，這樣可以得到一種通用的、容易擴(kuò)展和能夠統(tǒng)一傳輸?shù)姆?wù)數(shù)據(jù)模型（如圖4所示），為整個(gè)平臺提供通用的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)源。

圖4 服務(wù)數(shù)據(jù)模型

服務(wù)數(shù)據(jù)模型由服務(wù)資源分類和服務(wù)屬性兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成：它是一種多叉樹的形式，圓形節(jié)點(diǎn)表示服務(wù)資源分類節(jié)點(diǎn)，每個(gè)服務(wù)資源分類里面又可能包含子服務(wù)分類資源和多個(gè)服務(wù)屬性節(jié)點(diǎn)，為了便于系統(tǒng)標(biāo)識，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的名稱是唯一的；方形節(jié)點(diǎn)表示服務(wù)屬性節(jié)點(diǎn)，隸屬于服務(wù)資源分類節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都承載了具體的服務(wù)數(shù)據(jù)，用＜key，value＞的鍵值映射集合形式存儲信息，例如＜“temperature”：“32℃”＞。

整個(gè)平臺的服務(wù)數(shù)據(jù)均采用key-value鍵值進(jìn)行存儲，方便數(shù)據(jù)進(jìn)行解析交換傳輸，也有利于第三方服務(wù)提供商將自己的服務(wù)數(shù)據(jù)接入開放服務(wù)平臺中。

2.4 服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)布中間件

消息發(fā)布中間件［11］的加入可以屏蔽物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)應(yīng)用底層采集設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)平臺、操作系統(tǒng)等多源異構(gòu)問題，提供統(tǒng)一的訪問接口，使上層業(yè)務(wù)開發(fā)維護(hù)更加方便，并且可以解決異構(gòu)數(shù)據(jù)不能相互傳輸、管理和查詢的問題；解決物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)數(shù)據(jù)“孤島”問題。設(shè)計(jì)的服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)布中間件架構(gòu)如圖5所示。

消息發(fā)布中間件模型處于服務(wù)感知中間件與應(yīng)用層之間，該架構(gòu)的核心思想是，應(yīng)用層用戶通過API向中間件發(fā)送獲取服務(wù)數(shù)據(jù)的請求，中間件系統(tǒng)根據(jù)查詢信息對服務(wù)感知中間件提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，并最終以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式返回給請求側(cè)。

圖5 消息中間件架構(gòu)

采用RESTful Web services［11，12］來實(shí)現(xiàn)消息發(fā)布中間件。REST具有跨平臺、跨語言的優(yōu)勢，相比Web服務(wù)領(lǐng)域廣為流行的RPC，REST式的Web服務(wù)形式更簡單、設(shè)計(jì)更輕量、實(shí)現(xiàn)更快捷。在REST架構(gòu)風(fēng)格中，對象被抽象為一種資源，資源的命名使用概念清晰的名詞來定義。而在定義的數(shù)據(jù)模型中，也是將每個(gè)傳感設(shè)備感知的數(shù)據(jù)信息定義為資源，并以URI的方式定義資源標(biāo)識，兩者不謀而合。

消息中間件以HTTP參數(shù)形式將設(shè)備的數(shù)據(jù)推送到每個(gè)用戶服務(wù)器上，用戶需經(jīng)過URL解碼得到JSON格式數(shù)組，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：datas=［｛xxxx}，｛xxxx}…］。用戶在享受服務(wù)的同時(shí)，也可以利用服務(wù)數(shù)據(jù)開發(fā)自己的創(chuàng)新應(yīng)用。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與展示

基于以上設(shè)計(jì)，按照如圖1所示架構(gòu)對系統(tǒng)進(jìn)行了搭建，實(shí)現(xiàn)了對異構(gòu)傳感設(shè)備數(shù)據(jù)的應(yīng)用和控制。系統(tǒng)包括家居傳感設(shè)備、醫(yī)療傳感設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器平臺和Web應(yīng)用。其中，醫(yī)療感知設(shè)備包括體溫、心跳、血壓、血糖等傳感器，家居感知設(shè)備包括溫度、濕度、煙霧、門禁等傳感器。異構(gòu)的設(shè)備通過ZigBee、Wi-Fi或IP方式接入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺通過以太網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信。

3.1 服務(wù)數(shù)據(jù)接口展示

采用統(tǒng)一的服務(wù)數(shù)據(jù)模型，以RESTful Web services方式提供開放服務(wù)接口。同時(shí)加入服務(wù)授權(quán)機(jī)制，保護(hù)用戶信息的安全。圖6是用戶調(diào)用服務(wù)數(shù)據(jù)的案例展示。首先認(rèn)證用戶的操作權(quán)限，然后進(jìn)行授權(quán)并返回授權(quán)號（32 bit字符串），最后根據(jù)授權(quán)號與設(shè)備類型獲取服務(wù)數(shù)據(jù)。

圖6 服務(wù)數(shù)據(jù)調(diào)用案例

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)展示

基于上述開放接口，搭建了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智慧家居監(jiān)控平臺（如圖7所示），提供對家居系統(tǒng)中溫度、濕度、煙霧、電量等參數(shù)的在線監(jiān)控服務(wù)以及告警服務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了反向?qū)艄饣虼昂煹仍O(shè)備的控制服務(wù)。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)智慧家居監(jiān)控平臺

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)開放服務(wù)平臺能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)服務(wù)的多樣性提供支撐，對未來推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展極為重要。本文提出的可擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)體系架構(gòu)，通過構(gòu)建統(tǒng)一的服務(wù)數(shù)據(jù)模型及消息發(fā)布中間件，屏蔽了底層設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)平臺、操作系統(tǒng)等多源異構(gòu)問題，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，通過接口暴露給用戶，加入認(rèn)證授權(quán)機(jī)制，從而形成一個(gè)可擴(kuò)展、可以接入各種服務(wù)、安全可靠的物聯(lián)網(wǎng)智慧開放服務(wù)平臺。目前，本系統(tǒng)尚處于原型開發(fā)階段，尚有諸多功能有待完善。

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Open service platform for IoT

RONG Hao1，2，JIANG Lingyun1，2
1.College of Communication and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China
2.Jiangsu Nanyou IoT Science Park Co.，Ltd.，Nanjing 210003，China

Currently，there are still some problems with IoT，specifically in：one is that the IoT gives priority to vertical service system；another is the lack of cross-system resource sharing.To solve the above problems，a scalable intelligence service architecture of IoT in which a unified service data model was proposed and a message middleware were built to overcome the multi-source heterogeneous problems in the data structure，data platforms and operating systems.In addition，a usage authorization mechanism was proposed to support security and privacy in the IoT environment，contributing to a scalable，secure and reliable intelligence open service platform for IoT.Finally，a prototype system was designed and concrete system was given to verify the feasibility and superiority of the proposed architecture.

IoT，service platform，data model，middleware

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016034

2015-11-12；

2015-12-04

榮浩（1991-），男，南京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。

江凌云（1971-），女，南京郵電大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)橄乱淮W(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。