第7章--物联网应用软件设计(二).ppt

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物联网工程设计,1,第七章物联网软件设计,最少学时：

6学时；知识点：

物联网软件的特点和分类；物联网感知层核心技术及软件设计；物联网接入层核心技术及软件设计；物联网应层核心技术及软件设计；物联网中间件分类及设计；学习目标：

掌握物联网软件的特点和分类；掌握物联网感知层核心技术及软件设计；熟悉物联网接入层核心技术及软件设计；掌握物联网应层核心技术及软件设计方法和步骤；熟悉并能撰写合格的软件设计报告；,2,第七章物联网软件设计,3,物联网软件技术的发展离不开系统架构和硬件的支持。

完整的物联网系统包含感知层、传输层和应用层（包括处理子层和应用领域子层），涉及的技术基础包括：

标准化、感知材料和标识技术、安全和隐私、功率和能量存储技术、发现和搜索技术、组网激素、通信技术、数据流及数据处理技术、软件和算法等。

物联网软件设计也分散在这些层次中，协助硬件一起完成特定层次功能。

本章简要介绍物联网各层涉及的软件的设计方法、特点和注意事项。

主要内容,4,物联网软件设计概述,物联网应用层软件设计方法,物联网中间件技术,面向构件及服务的设计技术,以APP为中心的物联网软件生态系统,物联网部署,物联网应用软件设计与部署案例教学,物联网感知层核心技术与软件设计,物联网接入层核心技术与软件设计,7.5物联网中间件技术,传统的中间件是一种独立的系统软件或服务程序，是伴随着网络技术的产生、发展而兴起的，为网络分布式计算环境提供通信服务、交换服务、语义互操作服务等系统之间的协同集成服务，解决系统之间的互连互通和资源共享问题。

在物联网中采用中间件技术，是为实现多个系统和多种技术之间的资源共享，最终组成一个资源丰富、功能强大的服务系统。

从本质上看，物联网中间件是物联网应用的共性需求（全面感知、互联互通和智能处理），与已存在的各种中间件及信息处理技术，包括信息感知技术、下一代网络技术、人工智能与自动化技术的聚合与技术提升。

7.5物联网中间件技术,目前阶段，一方面，受限于底层不同的网络技术和硬件平台，物联网中间件研究主要还集中在底层的感知和互联互通方面，现实目标包括屏蔽底层硬件及网络平台差异，支持物联网应用开发、运行时共享和开放互联互通，保障物联网相关系统的可靠部署与可靠管理等内容；另一方面，当前物联网应用复杂度和规模还处于初级阶段，物联网中间件支持大规模物联网应用还存在环境复杂多变、异构物理设备、远距离多样式无线通信、大规模部署、海量数据融合、复杂事件处理、综合运维管理等诸多仍未克服的障碍。

7.5.1中间件概述7.5.2物联网中间件分类7.5.3基于中间件的物联网应用软件设计案例,7.5物联网中间件技术,7,7.5.1中间件概述IDC曾经给中间件的定义：

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，位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信,7.5物联网中间件技术,8,7.5.1中间件概述许多物联网体系架构中，经常把中间件单独划分一层，位于感知层与网络层或网络层与应用层之间。

物联网中采用中间件技术，可以实现多个系统和多种技术之间的资源共享，最终组成资源丰富、功能强大的服务系统，最大限度地发挥物联网系统的作用。

物联网中间件的主要作用在于将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是中间件最重要的功能。

同时，中间件具有数据的搜集、过滤、整合与传递等特性，以便将正确的对象信息传到后端的应用系统。

7.5物联网中间件技术,9,7.5.1中间件概述物联网中间件的特点

（1）独立于架构。

中间件独立于物联网设备与后端应用程序之间，并能与多个后端应用程序连接，降低维护的复杂性；

（2）数据流。

物联网的目的是将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是中间件最重要的功能。

（3）处理流。

物联网中间件采用程序逻辑及存储转发功能提供顺序信息流，具有数据流设计与管理的能力。

（4）标准化。

7.5物联网中间件技术,10,7.5.1中间件概述按照技术发展的阶段划分，物联网中间件发展主要分成3个阶段应用程序中间件阶段；架构中间件阶段；解决方案中间件阶段；目前，物联网中间件最主要的代表是RFID中间件，其他的还有嵌入式中间件、数字电视中间件、通用中间件等。

7.5物联网中间件技术,11,7.5.1中间件概述RFID中间件RFID中间件是RFID标签和应用程序之间的中介，从应用程序端使用中间件提供的一组通用的API，能够读写RFID标签。

RFID中间件在系统中的位置和作用参见下图7-17所示。

RFID中间件是为了实现每个小的应用环境或系统的标准化以及它们之间的通信，在后台应用软件和读写器之间设置的一个通用的平台和接口。

图7-18典型的嵌入式Web服务器系统模型,7.5物联网中间件技术,12,7.5.1中间件概述嵌入式中间件位于嵌入式操作系统、数据库与应用软件之间的一种软件，使用嵌入式操作系统所提供的基本功能和服务，并为上层的应用系统提供运行开发环境。

嵌入式系统的优点在于软件和硬件的可裁剪性，结构灵活性、稳定性和经济性。

嵌入式中间件有两个重要的平台：

嵌入式Web和JavaVM平台。

7.5物联网中间件技术,13,7.5.1中间件概述数字电视中间件指位于数字电视机顶盒内部实时操作系统与应用程序之间的软件部分；以应用程序接口API的形式存在，整个API集合被存储在机顶盒的闪存FLASH中，针对机顶盒的应用程序基于API进行开发，能够支持丰富的应用。

7.5物联网中间件技术,14,7.5.1中间件概述下面以RFID中间件的发展为例，简单介绍其3个发展阶段：

应用程序中间件阶段多以整合、串接RFID读写器为目的，RFID厂商提供简单的API，以供用户将后端与RFID读写器串接，用户需要花费较多成本处理前后端之间的连接问题；架构中间件阶段是RFID中间件发展的关键阶段，不但已经具备基本的数据搜索、过滤功能，同时也满足企业多对多的连接需求，并具备平台的管理与维护功能；解决方案中间件阶段是在RFID标签、读写器与中间件发展成熟过程中，各厂商针对不同领域提出的创新应用解决方案，如ManhattanAssociates提出的RFIDinaBox，企业不需再为前端的RFID硬件和后端应用系统的连接而烦恼，该公司与AlienTechnologyCorp在RFID硬件端合作，发展中间件，针对该公司的900多家已有的供应链客户群发展供应链执行方案。

7.5物联网中间件技术,15,7.5.2物联网中间件分类按物联网底层感知及互联互通，和面向大规模物联网应用两方面介绍当前物联网中间件的相关研究现状：

物联网底层感知与互联互通方面：

EPC中间件相关规范、OPC中间件相关规范已经过多年的发展，相关商业产品在业界已被广泛接受和使用；WSN中间件，以及面向开放互联的OSGi中间件，正处于研究热点；大规模物联网应用方面：

面对海量数据实时处理等的需求，传统面向服务的中间件技术将难以发挥作用，而事件驱动架构、复杂事件处理CEP中间件则是物联网大规模应用的核心研究内容之一。

7.5物联网中间件技术,16,7.5.2物联网中间件分类

（一）EPC（ElectronicProductCode）中间件EPC中间件是电子产品标签和应用程序之间的中介。

应用程序使用EPC中间件所提供的一组通用应用程序接口，读取RFID标签数据。

EPC中间件的标准接口，可以解决应用程序和RFID标签之间多对多连接的维护复杂性等问题。

EPC电子标签标准化方面，美国在世界领先成立了EPCGlobal（电子产品代码环球协会）。

EPCGlobal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。

国际上，目前比较知名的EPC中间件厂商有IBM、Oracle、SAP、Microsoft、Sun（Oracle）、Sybase、BEA（Oracle）等的相关产品。

7.5物联网中间件技术,17,7.5.2物联网中间件分类

（二）OPC（OLEforProcessControl,用于过程控制的OLE）中间件OPC是一个面向开放工控系统的工业标准，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默认方案。

OPC是连接数据源（OPC服务器）和数据使用者（OPC应用程序）之间的软件接口标准。

OPCClient/Server运行关系示意图,7.5物联网中间件技术,18,7.5.2物联网中间件分类（三）WSN中间件相比RFID和OPC中间件产品的成熟度和业界广泛应用程度，WSN中间件还处于初级研究阶段，所需解决的问题也更为复杂。

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上分配和调度该任务，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。

7.5物联网中间件技术,19,7.5.2物联网中间件分类（三）WSN中间件针对WSN中间件的上述目标，目前的WSN中间件研究提出了诸如分布式数据库、虚拟共享元组空间、事件驱动、服务发现与调用、移动代理等许多不同的设计方法。

1、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。

分布式数据库方法把整个网络抽象为一个虚拟实体，屏蔽了系统分布式问题，使开发人员摆脱了对底层问题的关注和繁琐的单节点开发。

然而，建立和维护一个全局节点和网络抽象需要整个网络信息，这也限制了此类系统的扩展。

7.5物联网中间件技术,20,7.5.2物联网中间件分类（三）WSN中间件2、虚拟共享元组空间指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。

在虚拟共享元组空间中，数据被表示为称为元组的基本数据结构，所有的数据操作与查询看上去像是本地查询和操作一样。

虚拟共享元组空间通信范式在时空上都是去耦的，不需要节点的位置或标志信息，非常适合具有移动特性的WSN，并具有很好的扩展性。

但它的实现对系统资源要求也相对较高，与分布式数据库类似，考虑到资源和移动性等的约束，把传感器网络中所有连接的传感器节点映射为一个分布式共享元组空间并非易事。

典型实现包括TinyLime，Agilla等。

7.5物联网中间件技术,21,7.5.2物联网中间件分类（三）WSN中间件3、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。

7.5物联网中间件技术,22,7.5.2物联网中间件分类（三）WSN中间件-5、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器节点上运行，并能够与其他远程移动代理（包括自身拷贝）进行通信。

除上述提到的WSN中间件类型外，还有许多针对WSN特点而设计的其他方法。

另外，在无线传感器网络环境中，WSN中间件和传感器节点硬件平台（如ARM，Atmel等）、适用操作系统（TinyOS，ucLinux，ContikiOS，MantisOS，SOS，SenOS，MagnetOS，PEEROS，AmbitentRT，Bertha等）、无线网络协议栈（包括链路、路由、转发、节能）、节点资源管理（时间同步、定位、电源消耗）等功能联系紧密。

但由于篇幅关系，本文对上述内容不做