第7章--物联网应用软件设计(一).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,7.1物联网软件设计概述,物联网的发展不是先建立网络，再开展独立的行业应用，而是基于各个行业应用网络整合而成的开放体系架构。

因此，实际上是先有独立架构的应用网络，再出现的整体物联网网络。

物联网工程软件的运行一般遵循这样的指导思想：

应用软件与硬件分离、设备驱动与操作系统内核分离，参见图7-1所示。

5,7.1物联网软件设计概述,图中实线表示永久的逻辑连接，虚线表示临时的逻辑交互。

各逻辑块之间的交互过程如下：

1、物联网终端（大到汽车、冰箱，小到门锁、追踪卡、手环等）上运行物联网操作系统，以及基于物联网操作系统的应用（APP）。

APP从“IoTAPP商店”下载；2、物联网终端上运行的应用程序，由用户通过智能设备（如手机、iPad等）进行控制。

智能设备通过本地通道（比如蓝牙、WiFi、Zigbee等）连接到物联网终端，控制终端上的APP的安装和卸载，以及IoT终端的相关配置（安全信息等）；3、如果物联网终端运行了一个APP，且该APP是基于Client-Server模式（比如智能手机上的微信），则物联网终端需要跟APP的“应用程序后台”进行交互，实现业务逻辑；,6,7.1物联网软件设计概述,各逻辑块之间的交互过程如下（续）：

4、物联网终端跟“终端管理后台”建立持久的通信连接，用于实时更新物联网操作系统内核版本、实时更新物联网终端的硬件驱动程序等。

5、物联网终端运行的APP，由第三方开发者或者ICP/ISP开发，并上传到IoTAPP商店，供用户按照需求下载；6、物联网终端之间能够通过本地通信通道（蓝牙、WiFi、Zigbee等）进行通信，这种通信无需借助后台。

比如，汽车到达路口后，可以跟信号灯通信，向信号灯注册。

这样信号灯就能够掌握各个方向的排队汽车数量，然后根据数量来决定信号的变换，达到优化交通的目的。

物联网终端之间的直接通信（端端通信）是物联网关键能力之一，也是物联网区别于移动互联网的关键地方之一。

7,7.1.1物联网软件的特点和分类7.1.2物联网软件的技术发展7.1.3物联网应用的海量数据处理技术,8,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（一）物联网软件具有下述特征：

1.软件完整性物联网软件产品涉及基础软件、支撑软件和应用软件，物联网软件服务包括咨询规划、系统集成、系统运维等各种业态，物联网软件构成了一个完整的产业生态链条，对软件服务业具有很强的带动作用。

2.数据海量性物联网的目标是地球上每个物体都成为智能物体，都有自己的数据。

随着时间的推移和物联网的完善，整个物联网系统所具有的数据更呈现出海量特性，物联网系统不仅要考虑海量数据的存储、传送、查询等常规处理，还需要应对海量数据下操作的效率、准确、等独特特征。

9,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（一）物联网软件具有下述特征（续）：

3.能效敏感性物联网系统中大量设备需要依靠电池供电，对能效非常敏感，因此，物联网系统中如何在确保正确进行信息传送与处理的前提下，尽可能降低能效就成为软、硬件设计的一个重要指导思想。

4.信息实时性物联网系统的自主控制和智能特性使得系统要求大量非常严格的信息获取和反馈的时间限制，对系统中众多智能物体的实时性要求较高，这样系统中相关软件就需要具有较快的运行速度、准确的时间控制和实时限制，以满足信息的实时处理特性要求。

10,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（一）物联网软件具有下述特征（续）：

5.安全重要性物联网系统中大量物品、设备都暴露在公开场合，设备本身的信息以及设备所在网络中传送的信息很容易被人获取和利用，物联网系统本身的安全和隐私特性受到极大挑战，物联网系统需要专门处理整个系统及各设备本身的安全和隐私特性。

11,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（二）物联网软件的分类：

物联网产业链分为上中下游，三者存在一定的竞争和合作关系，具体体现在时间和空间两个维度。

12,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（二）物联网软件的分类（续）：

产业链的上游由基础设施供应商构成，着眼于解决虚拟世界对现实的物理世界的感知问题，上游供应商是物联网产业的最先受益者；产业链的中游由部分系统设备供应商、系统集成商、平台和软件集成商构成，着眼于解决物联网硬件平台的建设和维护问题，是物联网产业的中间环节的受益者；产业链的下游是电信运营商和物联网运营商，着眼于信息传输平台建设与运营，物联网应用部署与运营，是物联网产业结构中排位最末的受益人。

13,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（二）物联网软件的分类（续）：

物联网软件是将物联网体系结构中设施与服务有机结合起来的粘结剂，完成数据的汇聚、处理和分发任务，完成事件的检测、派遣和响应事务，并为物联网的运营商、管理者和终端用户提供进入网络的接口。

14,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（二）物联网软件的分类（续）：

1、从供应商的角度，结合物联网的分层特性和软件本身的分类特点，物联网软件可以按照层次分类为以下几种类型：

感知层和网络层包括：

微操作系统、嵌入式操作系统、实时数据库管理系统、感知和标识系统、视频监控系统、物联网系统运行集成环境、感知数据处理中间件（包括感知数据压缩处理软件）、信息安全软件、传感网组网通信软件等。

应用处理层包括：

网络操作系统、大型数据库管理系统、信息预处理中间件、信息安全软件、各类应用（如智能家居、远程医疗、城市管理、公共安全、精细农业、生态农林等）领域的用户接口软件等。

15,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（二）物联网软件的分类（续）：

2、从功能的角度，物联网软件的主要类型包括：

数据感知系统软件；中间件系统软件；网络操作系统与网络协议；物联网信息管理系统软件等。

数据感知系统软件主要完成物品的标示和识别，由编码标签（包含物品编码）、读写器、传感器、控制器等设备的控制软件组成。

16,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（二）物联网软件的分类（续）：

2、从功能的角度，物联网软件的主要类型包括：

中间件系统软件是位于数据感知实施与后台应用软件之间的一种应用系统软件，具有两个关键特征：

动态部署在中间件平台中；能够对服务器请求进行响应。

引入中间件的主要目的是屏蔽非标准的底层设备访问接口，向后台应用提供标准化的、开放的、可以互访的通信接口。

物联网中的中间件系统通常包括：

实施物品编码和传感器数据读写的读写器接口；实施数据过滤、汇集、检测网络事件并通告数据与外部系统相关联的内容的应用程序接口；向应用程序提供访问与控制底层设备编程及操作接口的应用程序接口；实施物品信息存储服务、信息检索复与查询服务的目标信息服务子系统；实施对象名解析功能的对象名解析服务子系统等。

17,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（二）物联网软件的分类（续）：

2、从功能的角度，物联网软件的主要类型包括：

网络操作系统是使连到网络上的各种感知设备和计算机节点方便而高效地共享网络资源，为用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合。

网络协议即网络通信的语言，是通信的规则和约定，协议规定了通信双方相互交换的数据或控制信息的格式。

网络操作系统的基本任务就是要屏蔽本地资源和网络资源的差异性，为用户提供各种网络服务功能，完成网络资源的管理，同时它还必须提供网络系统安全性的管理和维护。

18,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（二）物联网软件的分类（续）：

2、从功能的角度，物联网软件的主要类型包括：

网络操作系统除了具有常规操作系统应具有的基本功能外，还具备以下功能：

支持对称多处理器；支持网络负载平衡；支持多任务；支持多用户；支持大内存；通信交往能力；安全保护；支持远程管理和互联；提供实用管理工具；,19,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类

（二）物联网软件的分类（续）：

2、从功能的角度，物联网软件的主要类型包括：

物联网信息管理系统软件维护物联网服务的授权与调度，负责运营与计费，物联网信息管理系统大多数是基于简单的网络管理协议（SimpleNetworkManagementProtocol,SNMP）建设的管理系统。

上述这些物联网系统软件并不都是需要从零开始研发，很多软件需要在原有软件的基础上针对物联网特性做一些修正性维护，这种维护有时只需要相关的软件服务商在集成过程中进行改进即可。

20,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类（三）物联网产业链中的软件服务相关企业：

物联网产业链中与软件服务业相关的企业包括软件产品开发商、行业解决方案提供商、系统集成商、运营服务提供商。

1.软件产品开发商软件产品广泛应用到感知层和处理层中，软件产品开发商提供物联网系统中上述各种通用软件。

其中，中间件是物联网应用中的关键软件，特别是感知层中间件，是衔接相关硬件设备和业务应用的桥梁，主要是对传感层采集来的数据进行初步加工，使得众多采集设备得来的数据能够统一，便于信息表达与处理、使语义具有互操作性、实现共享，便于后续处理应用。

目前这些研究机构和厂商有IBM、EPCglobal、Oracle、SAP等，其他中间件厂商也都加大了这方面的投入，成为竞争的焦点。

21,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类（三）物联网产业链中的软件服务相关企业（续）：

物联网产业链中与软件服务业相关的企业包括软件产品开发商、行业解决方案提供商、系统集成商、运营服务提供商。

2.行业解决方案提供商应用和服务于各行业或各领域的系统软件企业，以及提供各种解决方案。

目前，物联网的应用遍及智能电网、智能交通、智能物流、智能家具、环境保护、医疗卫生、金融服务业、公共安全、国防军事等领域，根据不同行业应用特点，需要提出个性化的解决方案。

22,7.1物联网软件设计概述,7.1.1物联网软件的特点和分类（三）物联网产业链中的软件服务相关企业（续）：

3.系统集成商指根据客户需求，将实现物联网的硬件、软件和网络集成为一个完整解决方案提供给客户的厂商，系统集成商的主要业务集中在感知层和处理层。

伴随系统集成商业务一体化、整合化发展，为提高核心竞争力和项目实施的效益，部分系统集成商提供自主开发的软件产品和行业解决方案。

4.运营服务提供商指行业的、领域的物联网应用系统的专业运营服务商，为客户提供统一的终端设备鉴权、计费等服务，实现终端接入控制、终端管理、行业应用管理、业务运营管理、平台管理等服务。

23,7.1物联网软件设计概述,7.1.2物联网软件的技术发展1.物联网软件