摘 要：當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新趨勢，其主要通過對信息的產(chǎn)生和交互的作用，使海量的數(shù)據(jù)庫資源彼此連接和關(guān)聯(lián)，進(jìn)而影響人們生活的方方面面。然而，為解決各種資源被共享的程度和技術(shù)的差異性，那么靈活的、動態(tài)的且支持“零編程部署”的中間件，則成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以瑞士洛桑理工學(xué)院LSIR實(shí)驗(yàn)室的全球傳感網(wǎng)絡(luò)(GSN)中間件為例，探尋物聯(lián)網(wǎng)中間件的數(shù)據(jù)流處理、中間件的架構(gòu)及零編程部署等方面的解決方法，為物聯(lián)網(wǎng)中間件的研發(fā)提供了依據(jù)和參考。

　　【關(guān)鍵詞】科技論文,物聯(lián)網(wǎng),中間件,全球傳感網(wǎng)絡(luò)

　　1 前言

　　目前，對于物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)絡(luò)的研究焦點(diǎn)主要集中在有效路由的聚合及單一傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理的算法上，但是對傳感網(wǎng)絡(luò)的部署、應(yīng)用開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化等方面的研究卻較少。然而，在傳感器市場價(jià)格不斷下跌的環(huán)境下，支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的異構(gòu)傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)也將得到長足的發(fā)展和進(jìn)步。同時(shí)，這也為互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來了以下兩個(gè)方面的主要問題：一是如何減少在大型系統(tǒng)的開發(fā)和部署方面的關(guān)鍵成本;二是如何高效處理面向數(shù)據(jù)集成的海量數(shù)據(jù)。當(dāng)前，雖然異構(gòu)性是許多系統(tǒng)和信息平臺共同存在的缺點(diǎn)和不足，但對數(shù)據(jù)的處理、存儲、查詢和發(fā)布的要求卻存在一定的相似性。然而，基于傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)和平臺卻與此不同，這就要求在建設(shè)這樣的信息系統(tǒng)和平臺時(shí)，必須以一種嶄新的思路和方法解決信息系統(tǒng)和平臺的異構(gòu)問題。

　　瑞士洛桑理工學(xué)院LSIR實(shí)驗(yàn)室的全球傳感網(wǎng)絡(luò)(GSN)中間件可以很好地解決以上問題，并針對異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)快速靈活的統(tǒng)一部署的集成平臺。另外，GSN的設(shè)計(jì)原則主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)簡潔：GSN中間件是一個(gè)較小的高度抽象集合，且該集合可被方便地配置;(2)適應(yīng)性：GSN在運(yùn)行時(shí)可支持向原有傳感網(wǎng)絡(luò)添加新型傳感設(shè)備及動態(tài)配置(重置)數(shù)據(jù)源;(3)方便擴(kuò)展：主要基于對等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);(4)可輕量級實(shí)現(xiàn)：GSN提供了Web的管理工具，對硬件及網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求較低。

　　因此，本文在闡述GSN支持物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，探析GSN中的虛擬傳感器及數(shù)據(jù)流處理功能，最后簡單闡述GSN的動態(tài)即插即用功能。

　　2 GSN架構(gòu)

　　為管理虛擬傳感器，GSN使用基于容器的架構(gòu)。與應(yīng)用服務(wù)器類似，GSN提供了一個(gè)環(huán)境，在此環(huán)境下傳感器網(wǎng)絡(luò)通過在GSN服務(wù)器中隱藏大多系統(tǒng)的復(fù)雜性能夠容易而又靈活地被指定和部署。而運(yùn)用聲明規(guī)則可使 GSN服務(wù)器能部署和配置虛擬傳感器。同時(shí)，可通過標(biāo)準(zhǔn)的Internet和Web服務(wù)協(xié)議，以點(diǎn)對點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)不同GSN服務(wù)器之間的通信和信息處理。圖1展示了一個(gè)GSN服務(wù)器的層次架構(gòu)。

　　由圖1可知每個(gè)GSN服務(wù)器管理著它所負(fù)責(zé)的大量虛擬傳感器。VSM是該架構(gòu)的基礎(chǔ)，主要負(fù)責(zé)提供獲取虛擬傳感器的數(shù)據(jù)，管理傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，并對其提供相應(yīng)的管理。VSM由兩大主要部分組成：一是生命周期管理器(LCM)，LCM主要的工作是為虛擬傳感器提供數(shù)據(jù)資源，并與其進(jìn)行相應(yīng)的交互;另一個(gè)組成部分是輸入流管理器(ISM)，ISM主要對輸入流進(jìn)行管理，如對輸入流進(jìn)行分配和共享等。其中，流質(zhì)量管理器(SQM)處理傳感器中斷，丟值及非期望延遲等，因此能夠確保流的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。另外，所有從(或到)VSM的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過存儲層，該層的主要功能是存儲并管理數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)。在查詢管理器(QM)中執(zhí)行的查詢處理主要依賴于上面的所有層，查詢管理器主要由負(fù)責(zé)SQL解析的查詢處理器組成，并對查詢進(jìn)行規(guī)劃及負(fù)責(zé)相關(guān)查詢的執(zhí)行。其中，查詢資料庫對所有已注冊的查詢(訂閱)進(jìn)行管理，并對查詢處理器進(jìn)行定義，同時(shí)對使用比較頻繁的相關(guān)查詢進(jìn)行維護(hù)和管理。通知管理器的主要功能是將相關(guān)事件或查詢結(jié)果返回給已被注冊的本地或遠(yuǎn)程虛擬傳感器。另外，通知管理器的架構(gòu)具有可擴(kuò)展性，此架構(gòu)運(yùn)行用戶擴(kuò)大定制的傳遞結(jié)果或具有通過短息通知的功能。

　　此架構(gòu)的前三層負(fù)責(zé)獲得GSN服務(wù)。接口層為其他GSN服務(wù)器提供接入功能并且經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(通過瀏覽器或者通過Web服務(wù)器)。通過訪問控制層和數(shù)據(jù)集成層保護(hù)和隱蔽這些功能，其中訪問控制層提供了僅僅訪問各方，數(shù)據(jù)集成層通過電子簽名和加密提供可數(shù)據(jù)集成和保密。數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)集成能夠被定義在不同的層次，例如，定義在整個(gè)GSN服務(wù)器或者定義在一個(gè)虛擬傳感器層。

　　3 虛擬傳感器

　　虛擬傳感器可被看作是GSN的對象，該對象是對傳感器獲取需要傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)的抽象，同時(shí)，虛擬傳感器也被認(rèn)為是GSN可提供的一系列服務(wù)。因此虛擬傳感器可使實(shí)際傳感器產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，也可是不同傳感器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)流。另外，虛擬傳感器的一個(gè)比較顯著的特點(diǎn)是可將多個(gè)輸入流轉(zhuǎn)換成一個(gè)輸出流。虛擬傳感器所遵循的規(guī)范和規(guī)則為部署和使用虛擬傳感器提供了相應(yīng)的必要信息，總的來講，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)對元數(shù)據(jù)識別。(2)虛擬傳感器的用戶。(3)虛擬傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)。(4)執(zhí)行SQL的流處理規(guī)范。(5)有關(guān)持續(xù)性、異常處理、生命周期管理及物流部署的功能特性。

　　為支持虛擬傳感的快速部署，可在XML的聲明部署文件中定義這些屬性。例如：

　　……

　　select avg(temperature) from WRAPPER

　　select * from srcl

　　……

　　該示例演示了GSN點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)助的實(shí)例，由上面的示例可知，該示例對通過互聯(lián)網(wǎng)從遠(yuǎn)程傳回一個(gè)平均溫度(wrapper=”remote”)的虛擬傳感器進(jìn)行了定義。其中，針對保留關(guān)鍵字wrapper的輸入流使用SQL查詢命令對輸入流進(jìn)行處理。對于識別和處理虛擬傳感器輸入流的定義主要使用標(biāo)簽。對例如處理線程數(shù)量之類的部署進(jìn)行定義主要通過標(biāo)簽。對控制流的存儲屬性主要通過標(biāo)簽進(jìn)行定義，而標(biāo)簽則主要用于定義產(chǎn)出流的結(jié)構(gòu)。

　　4 數(shù)據(jù)流處理

　　在GSN中，數(shù)據(jù)流主要是一系列的時(shí)間戳元組序列，這些元組序列的先后順序決定了數(shù)據(jù)流的先后順序。而且，對這些時(shí)間戳元組序列的管理和操作也是GSN 提供的基本功能和服務(wù)。其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)每個(gè)GSN的系統(tǒng)時(shí)間;(2)時(shí)間戳的隱式管理;(3)到達(dá)GSN元組的時(shí)間戳(接待時(shí)間);(4)基于計(jì)數(shù)或時(shí)間的數(shù)據(jù)流窗口用戶定義機(jī)制。

　　從實(shí)際情況看，虛擬傳感器的輸入流中某個(gè)數(shù)據(jù)元素可觸發(fā)導(dǎo)致產(chǎn)生新的輸出流元素。一般而言，其主要有以下幾個(gè)處理步驟：(1)使用系統(tǒng)時(shí)間為新數(shù)據(jù)流元素加上時(shí)間戳;(2)基于時(shí)間戳的輸入流根據(jù)時(shí)間窗口的定義和未被嵌套的關(guān)系結(jié)果集選擇流元素;(3)對輸入流查詢進(jìn)行評價(jià)，并將其存儲到臨時(shí)關(guān)系中;(4)為產(chǎn)生輸出流元素執(zhí)行臨時(shí)關(guān)系輸出查詢;(5)若需要，其結(jié)果將被永久存儲;且新的流元素將被通知給虛擬傳感器的所有用戶。

　　由于GSN將虛擬傳感器的構(gòu)建時(shí)間實(shí)現(xiàn)了從實(shí)際查詢中分離，所以GSN的查詢處理方法和 TelegrahCQ有關(guān)。當(dāng)數(shù)據(jù)處理的語言被指定為可在標(biāo)準(zhǔn)語法允許的全范圍操作的SQL時(shí)，那么數(shù)據(jù)處理的時(shí)序規(guī)則(例如：窗口的尺寸)則可在虛擬傳感器的中以XML文件加以定義和提供。

　　5 零編程部署

　　如前所述，為實(shí)現(xiàn)GSN的零編程目的，減少相應(yīng)的部署步驟，虛擬傳感器屬性主要以XML文件的形式加以定義。雖然定義虛擬傳感器的XML文件大多只有30到50行，與其依賴的其他低級設(shè)備的編程比較而言，也更加簡單便捷，但對此進(jìn)行人為地干預(yù)仍是必要的。為此GSN按照IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)自動檢測、部署和校準(zhǔn)等功能。實(shí)踐表明，遵循IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)體系的傳感器可提供相應(yīng)的電子數(shù)據(jù)表(TEDS)，該數(shù)據(jù)表往往存儲在傳感器的內(nèi)部。TEDS提供了簡單的傳感器語義定義，即它定義了諸如測量類型及校準(zhǔn)等傳感器的屬性和測量特征。為支持真正的零編程部署，GSN使用了TEDS的自我定義功能。所謂自我定義功能就是使虛擬傳感器的定義通過虛擬傳感器定義模板動態(tài)生成，或者通過從TEDS提取的數(shù)據(jù)中派生出來。

　　另外，節(jié)點(diǎn)的設(shè)置是為支持即插即用部署的。當(dāng)某個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)入檢測區(qū)域時(shí)，GSN將會檢測到它，并向它的TEDS發(fā)送請求，同時(shí)實(shí)例一個(gè)新的基于TEDS的虛擬傳感器。即通過使用TEDS的GSN能自動檢測、識別和部署傳感器。同時(shí)，生成的虛擬傳感器定義立即被輸入到GSN節(jié)點(diǎn)的信息庫，且所有基于新傳感器的處理也將被執(zhí)行。然而，當(dāng)前TEDS僅能針對一個(gè)與其交互的傳感器提供相應(yīng)的信息和數(shù)據(jù)。因此，對生成虛擬傳感器定義往往使用默認(rèn)值，例如：安全需求、存儲和資源管理等。

　　通過因特網(wǎng)訪問Web服務(wù)和Web接口產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可應(yīng)用于GSN中的傳感器(傳感器網(wǎng)絡(luò))的部署。因此，基于GSN網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程處理節(jié)點(diǎn)也可被觸發(fā)，這為移動傳感器全球集成提供了技術(shù)基礎(chǔ)和條件。但前提條件是，GSN定期要求所有傳感器的TEDS確保是激活狀態(tài)。如果傳感器沒有響應(yīng)，那么GSN將刪除以前創(chuàng)建的虛擬傳感器，并釋放與之相關(guān)聯(lián)的資源，同時(shí)通知相關(guān)的查詢和節(jié)點(diǎn)。

　　6 總結(jié)

　　GSN為當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)部署提供了靈活的中間件。它的即插即用部署功能使它為物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并完全開創(chuàng)了應(yīng)用的新類型。例如：用戶或者事物可以配備RFID標(biāo)簽，這不僅可存儲靜態(tài)數(shù)據(jù)，而且還可指定數(shù)據(jù)處理任務(wù)(例如：查詢)，這些數(shù)據(jù)處理任務(wù)可被GSN識別并納入到它的流處理過程中。因此，GSN的中間件原理及架構(gòu)為物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供可參考的實(shí)例，并具有重要的借鑒意義和價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Ali Salehi，Karl Aberer.GSN，Quick and Simple Sensor Network Deployment[R].European conference on Wireless Sensor Networks，Netherlands，2007.

　　[2]沈蘇彬等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(6).

　　[3]UIT. ITU Internet Reports[J].The Internet of Things，2005.

　　[4]陰躲芬，龔華明.中間件技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用探討[J].科技廣場，2010(11).

　　[5]王濤.物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)成與關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用初探[J].電子測試，2014(2).

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