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物联网中间件研究综述
物联网中间件研究综述
来源:
作者:
周健刘天成时间:
2011-05-06浏览次数:
150
一、前言
物联网(InternetofThings)概念于1999年由美国麻省理工学院的KevinAshton教授提出。
早期的物联网是依托RFID技术的物流网络,但是随着技术和应用的发展,物联网的内涵已发生较大变化。
国际电信联盟(ITU-T)在2005年发布的物联网报告中提到,通过一些关键技术,将现有互联网渗透到物理世界,构成物联网。
这些关键技术包括RFID、传感器、机器人技术、嵌入式智能和纳米技术。
物联网是继计算机、互联网和移动通信之后引发新一轮信息产业浪潮的核心领域,发达国家已纷纷开展物联网领域的规划布局。
日韩2004年提出"无处不在的信息社会"战略(U计划),欧盟委员会2009年提出"欧盟物联网行动计划",美国2006年至2009年分别提出“智能微尘”、“信息物理融合系统”、“智慧地球”等战略,我国也于2009年提出“感知中国”,并将物联网正式纳入“十二五”规划五大战略产业之一。
物联网已经开始在军事、工业、农业、环境监测、建筑、医疗、空间和海洋探索等领域投入应用。
二、相关定义
目前,业界存在着许多与物联网相关或类似的概念,如M2M、智慧地球、泛在网、信息物理融合系统等。
它们与物联网的定义或者“略有”差异,或者被“解释”为物联网的子集或超集:
物联网是指通过各种信息传感设备,如传感器、射频识别(RFID)技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,与互联网结合形成的一个巨大网络。
其目的是实现物与物、物与人,所有的物品与网络的连接,方便识别、管理和控制。
M2M的全称是机器对机器(MachinetoMachine)、人对机器(MantoMachine)以及机器对人(MachinetoMan),移动网络对机器(MobiletoMachine)、机器对移动网络(MachinetoMobile)等多种不同类型的智能设备有机的结合在一起。
M2M让机器,设备,应用处理过程与后台信息系统共享信息,并与操作者共享信息。
对IBM而言,智慧地球(SmarterPlanet)是指把智慧嵌入系统和流程之中,使服务的交付、产品开发、制造、采购和销售得以实现,使从人、资金到石油、水资源、乃至电子的运动方式都更加智慧,使亿万人生活和工作的方式都变得更加智慧。
大量的计算资源都能以一种规模小、数量多、成本低的方式嵌入各类非电脑的物品中:
如汽车、电器、公路、铁路、电网、服装等,或嵌入全球供应链,甚至是自然系统,如农业和水域中。
泛在网(UbiquitousNetwork)是指基于个人和社会的需求,利用现有的和新的网络技术,实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务,泛在网网络具备超强的环境感知、内容感知及智能性,为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。
信息物理融合系统(CyberPhysicalSystems)是一个综合了计算、网络和物理环境的多维复杂系统,通过计算(Computation)、通信(Communication)和控制(Control)的有机融合与深度协作,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。
通过计算、通信与物理系统的一体化设计,以使系统更加可靠和高效。
三、核心技术
物联网核心技术涉及感知、互联互通和智能三方面。
其中,感知指利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程;互联互通指先进的系统可按新的方式协同工作;智能指利用先进技术获取更智能的洞察并付诸实践,进而创造新的价值。
物联网分层架构,也由感知层、网络层和应用层三方面组成。
其中,感知层主要实现信息采集、捕获、物体识别、设备使能;网络层主要是想信息的传送和通信。
应用层则包括面向各行业的应用,如监控、电力、农业、建筑等。
图1描述了当前物联网的分层结构。
由于物联网网络层涉及和传感器的互联,以及面向互联网等网络的接入两个层面,图1将当前物联网的网络层划分为底层的感知网络层和网络层两部分。
在感知网络层,研究重点主要集中在移动M2M,无线传感器网络,RFID,工业信息化融合等四部分:
移动M2M限定在电信运营商主推的M2M概念定义,即通过移动运营商现成的网络覆盖以及随时随地的接入能力,将设备与设备,或设备与应用,设备与人联接,提供无线接入和互联网应用。
可以想见,移动M2M具有广泛的业务前景,通讯距离甚至可以跨越数千公里;
图1.物联网核心技术与分层结构
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork)由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
目前,无线传感器网络包括Zigbee、Bluetooth、WiFi等多种无线互联技术;
工业信息化融合(两化融合)是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化,走新型工业化道路。
两化融合的核心就是信息化支撑,追求可持续发展模式。
两化融合最基础的传统技术是基于短距离有线通讯的现场总线的各种控制系统,如PLC,DCS,HMI,SCADA等;
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。
RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向传输数据,已达到目标识别和数据交换的目的。
四、相关标准
目前物联网标准工作还处于起步阶段,各标准组织自成体系,标准内容涉及架构、传感、编码、数据处理、应用等,不尽相同。
相关的主要国际标准组织有IEEE、ISO、ETSI、ITU-T、OMA、OASIS、3GPP、3GPP2,国内标准组织主要有传感器网络标准工作组(WGSN)和中国通信标准化协会(CCSA)。
其中:
国际电信联盟(ITU-T)可以说是最早进行物联网研究的标准组织。
ITU-T提出的泛在网定义和框架,包括基于NGN的泛在网络SG13、泛在网安全SG17、泛在网应用SG16,包括泛在感测网络(USN)应用和业务Q.25/16、通信/智能交通系统(ITS)业务/应用的车载网关平台Q.27/16、电子健康(E-Health)应用的多媒体架构Q.28/16等;
欧洲电信标准化协会(ETSI)M2M技术委员会则主要针对物联网总体框架方面进行系统研究。
主要包括收集定义M2M的需求,建立一个端到端的M2M高层体系架构,以及补充现有标准所没有覆盖的需求,并且对这些需求进行标准化,并且为ETSIM2M提供领域知识支持,工作范围包括M2M设备标识、QoS,安全隐私等等;
作为移动网络技术的主要标准组织,3GPP和3GPP2是在网络层方面开展物联网研究的主要标准组织。
3GPP和3GPP2关注的重点在于物联网网络能力增强方面,从M2M业务对移动网络的需求方面进行研究,且研究范围只限定在移动网络层面,如只讨论移动网的M2M通信,只定义M2M业务,不具体定义特殊的M2M应用等;
国际标准化组织(ISO)、美国电气及电子工程师学会(IEEE)主要针对无线传感器网络感知技术方面进行研究。
IEEE的802.15工作组是目前物联网领域在无线传感网层面的主要标准组织之一。
在IEEE802.15工作组内有5个任务组TG1-TG5,分别制订适合不同应用,并在传输速率、功耗以及支持的服务等方面存在差异的标准(蓝牙、UWB、WPAN、MESH、与802.11融合);
国内标准化组织WGSN偏重传感器网络层面,CCSA则偏重在通信网络和应用层面,而RFID标准工作组则关注RFID相关的领域。
而在物联网概念出现以前,相关行业应用,如电力系统、工业自动化控制系统已存在用于设备间通信或控制等的工业标准,如SCADA,MES等。
另外,各国际标准化组织也已开始重视物联网行业应用方面的相关标准制订。
在智能测量、E-Health、城市自动化、汽车应用、消费电子应用等领域,均有相当数量的物联网标准正在制订中。
五、物联网中间件研究现状
从本质上看,物联网中间件是物联网应用的共性需求(感知、互联互通和智能),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。
然而在目前阶段,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。
本节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:
在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;在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。
(一)EPC中间件
EPC(ElectronicProductCode)中间件扮演电子产品标签和应用程序之间的中介角色。
应用程序使用EPC中间件所提供的一组通用应用程序接口,即可连到RFID读写器,读取RFID标签数据。
基于此标准接口,即使存储RFID标签数据的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代,或者读写RFID读写器种类增加等情况发生时,应用端不需修改也能处理,省去多对多连接的维护复杂性等问题。
在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)。
参加的有全球最大的零售商沃尔玛联锁集团、英国Tesco等100多家美国和欧洲的流通企业,并由美国IBM公司、微软、麻省理工学院自动化识别系统中心等信息技术企业和大学进行技术研究支持。
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。
EPC技术规范包括标签编码规范、射频标签逻辑通信接口规范、识读器参考实现、Savant中间件规范、ONS对象名解析服务规范、PML语言等内容。
其中:
(1)EPC标签编码规范通过统一的、规范化的编码来建立全球通用的物品信息交换语言;
(2)EPC射频标签逻辑通信接口规范制定了EPC(Class0-ReadOnly,Class1-WriteOnce,ReadMany,Class2/3/4)标签的空中接口与交互协议;
图2.EPCGlobal体系结构参考模型
(3)EPC标签识读器提供一个多频带低成本RFID标签识读器参考平台;
(4)Savant中间件规范,支持灵活的物体标记语言查询,负责管理和传送产品电子标签相关数据,可对来自不同识读器发出的海量标签流或传感器数据流进行分层、模块化处理;
(5)ONS本地物体名称解析服务规范能够帮助本地服务器吸收用标签识读器侦测到的EPC标签的全球信息;
(6)物体标记语言(PML)规范,类似于XML,可广泛应用在存货跟踪、事务自动处理、供应链管理、机器操纵和物对物通讯等方面。
图3.IBMWebSphereRFID中间件架构
在国际上,目前比较知名的EPC中间件厂商有IBM、Oracle、Microsoft、SAP、Sun(Oracle)、Sybase、BEA(Oracle)等的相关产品,这些产品部分或全部遵照EPCGlobal规范实现,在稳定性、先进性、海量数据的处理能力方面都比较完善,已经得到了企业的认同,并可以其它EPC系统进行无缝对接和集成。
(二)OPC中间件
OPC(OLEforProcessControl,用于过程控制的OLE)是一个面向开放工控系统的工业标准。
管理这个标准的国际组织是OPC基金会,它由一些世界上占领先地位的自动化系统、仪器仪表及过程控制系统公司与微软紧密合作而建立,面向工业信息化融合方面的研究,目标是促使自动化/控制应用、现场系统/设备和商业/办公室应用之间具有更强大的互操作能力。
OPC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缺省方案。
OPC诞生以前,硬件的驱动器和与其连接的应用程序之间的接口并没有统一的标准。
例如,在工厂自动化领域,连接PLC(ProgrammableLogicController)等控制设备和SCADA/HMI软件,需要不同的网络系统构成。
根据某调查结果,在控制系统软件开发的所需费用中,各种各样机器的应用程序设计占费用的7成,而开发机器设备间的连接接口则占了3成。
此外,过程自动化领域,当希望把分布式控制系统(DCS-DistributedControlSystem)中所有的过程数据传送到生产管理系统时,必须按照各个供应厂商的各个机种开发特定的接口,必须花费大量时间去开发分别对应不同设备互联互通的设备接口。
OPC的诞生,为不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口提供了标准化,使其间的数据交换更加简单化的目的而提出的。
作为结果,可以向用户提供不依靠于特定开发语言和开发环境的可以自由组合使用的过程控制软件组件产品。
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。
数据源可以是PLC,DCS,条形码读取器等控制设备。
随控制系统构成的不同,作为数据源的OPC服务器即可以是和OPC应用程序在同一台计算机上运行的本地OPC服务器,也可以是在另外的计算机上运行的远程OPC服务器。
图4.OPCClient/Server运行关系示意图
如图4所示,OPC接口是适用于很多系统的具有高厚度柔软性的接口标准。
OPC接口既可以适用于通过网络把最下层的控制设备的原始数据提供给作为数据的使用者(OPC应用程序)的HMI(硬件监控接口)/SCADA,批处理等自动化程序,以至更上层的历史数据库等应用程序,也可以适用于应用程序和物理设备的直接连接。
OPC统一架构(OPCUnifiedArchitecture)是OPC基金会最新发布的数据通信统一方法,它克服了OPC之前不够灵活、平台局限等的问题,涵盖了OPC实时数据访问规范(OPCDA)、OPC历史数据访问规范(OPCHDA)、OPC报警事件访问规范(OPCA&E)和OPC安全协议(OPCSecurity)的不同方面,以使的数据采集、信息模型化以及工厂底层与企业层面之间的通讯更加安全、可靠。
图5.OPC开放分层式统一架构
(三)WSN中间件
无线传感器网络不同于传统网络,具有自己独特的特征,如有限的能量、通信带宽、处理和存储能力,动态变化的拓扑,节点异构等。
在这种动态、复杂的分布式环境上构建应用程序并非易事。
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。
针对上述目标,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。
查询通过网络分发到各个节点,节点判定感知数据是否满足查询条件,决定数据的发送与否。
典型实现如Cougar,TinyDB,SINA等。
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。
2、虚拟共享元组空间
所谓虚拟共享元组空间就是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。
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。
这种基于事件通知的通信模式,通常采用Pub/Sub机制,可提供异步的、多对多的通信模型,非常适合大规模的WSN应用,典型实现包括DSWare,Mires,Impala等。
尽管基于事件的范式具有许多优点,然而在约束环境下的事件检测及复合事件检测对于WSN仍面临许多挑战,事件检测的时效性、可靠性及移动性支持等仍值得进一步的研究。
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。
例如,MiLAN中间件可由应用根据自身的传感器数据类型需求,设定传感器数据类型、状态、QoS以及数据子集等信息描述,通过服务发现中间件以在传感器网络中的任意传感器节点上进行匹配,寻找满足上层应用的传感器数据。
MiLAN甚至可为上层应用提供虚拟传感器功能,例如通过对2个或多个传感器数据进行融合,以提高传感器数据质量等。
由于MiLAN采用传统的SDP,SLP等服务发现协议,这对资源受限的WSN网络类型来说具有一定的局限性。
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。
SensorWare是此类型中间件的典型,基于TCL动态过程调用脚本语言实现。
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,MagnetOS,SenOS,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赘述。
(四)OSGi中间件
OSGi(OpenServicesGatewayinitiative)是一个1999年成立的开放标准联盟,旨在建立一个开放的服务规范,一方面,为通过网络向设备提供服务建立开放的标准,另一方面,为各种嵌入式设备提供通用的软件运行平台,以屏蔽设备操作系统与硬件的区别。
OSGi规范基于JAVA技术,可为设备的网络服务定义一个标准的、面向组件的计算环境,并提供已开发的象HTTP服务器、配置、日志、安全、用户管理、XML等很多公共功能标准组件。
OSGi组件可以在无需网络设备重启下被设备动态加载或移除,以满足不同应用的不同需求。
OSGi规范的核心组件是OSGi框架,该框架为应用组件(bundle)提供了一个标准运行环境,包括允许不同的应用组件共享同一个Java虚拟机,管理应用组件的生命期(动态加载、卸载、更新、启动、停止等)、Java安装包、安全、应用间依赖关系,服务注册与动态协作机制,事件通知和策略管理的功能。
图6.OSGi框架及组件运行环境
基于OSGi的物联网中间件技术早已被广泛的用到了手机和智能M2M终端上,在汽车业(汽车中的嵌入式系统)、工业自动化、智能楼宇、网格计算、云计算、各种机顶盒、Telematics等领域都有广泛应用。
有业界人士认为,OSGi是“万能中间件”(UniversalMiddleware),可以毫不夸张地说,OSGi中间件平台一定会在物联网产业发展过程中大有作为。
(五)CEP中间件
复杂事件处理(ComplexEventProgressing)技术是90年代中期由斯坦福大学的DavidLuckham教授所提出是一种新兴的基于事件流的技术,它将系统数据看作不同类型的事件,通过分析事件间的关系如:
成员关系、时间关系以及因果关系,包含关系等,建立不同的事件关系序列库,即规则库,利用过滤、关联、聚合等技术,最终由简单事件产生高级事件或商业流程。
不同的应用系统可以通过它得到不同的高级事件。
复杂事件处理技术可以实现从系统中获取大量信息,进行过滤组合,继而判断推理决策的过程。
这些信息统称事件,复杂事件处理工具提供规则引擎和持续查询语言技术来处理这些事件。
同时工具还支持从各种异构系统中获取这些事件的能力。
获取的手段可以是从目标系统去取,也可以是已有系统把事件推送给复杂事件处理工具。
物联网应用的一大特点,就是对海量传感器数据或事件的实时处理。
当为数众多的传感器节点产生出大量事件时,必定会让整个系统效能有所延迟。
如何有效管理这些事件,以便能更有效的快速回应,已成为物联网应用急需解决的重要议题。
由于面向服务的中间件架构无法满足物联网的海量数据及实时事件处理需求,物联网应用服务流程开始向以事件为基础的EDA架构(Event-DrivenArchitecture)演进。
物联网应用采用事件驱动架构主要的目的,是使得物联网应用系统能针对海量传感器事件,在很短的时间内立即做出反应。
事件驱动架构不仅可以依数据/事件发送端决定目的,更可以动态依据事件内容决定后续流程。
复杂事件处理代表一个新的开发理念和架构,具有很多特征,例如分析计算是基于数据流而不是简单数据的方式进行的。
它不是数据库技术层面的突破,而是整个方法论的突破。
目前,复杂事件处理中间件主要面向金融、监控等领域,包括IBM流计算中间件InfoSphereStreams,以及Sybase、Tibico等的相关产品。
图7.IBM流计算中间件与标准数据库处理流程对比
(六)其他相关中间件
国际电信联盟对物联网提出的任何时刻、任何地点、任意物体之间互联(AnyTime、AnyPlace、AnyThingsConnection),无所不在的网络(Ubiquitousnetworks)和无处不在的计算的发展愿景,在某种程度上,与普适计算的核心思想是一致的。
普适计算(Ubiquitouscomputing或pervasivecomputing),又称普存计算、普及计算,是一个强调和环境融为一体的计算概念,而计算机本身则从人们的视
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