CN108809972B - 基于开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台 - Google Patents

基于开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台，为物联网研究、应用开发以及教学提供一种综合平台，该平台具备物联网架构的感知层、传输层、数据处理以及应用开发的端到端功能。与现有物联网实验和教学平台相比，本发明的特点有：实现物联网应用端到端开发，实现感知数据采集、传输、与云计算平台集成，最后实现数据综合处理和应用开发；基于开源硬件平台和开源物联网中间件平台，实现多种异构类型装置接入，实现一种半自动化的物理实体与虚拟资源映射框架；基于RESTful API和各种SDK实现应用的快速开发；基于发布/订阅模式的数据发布和设备管理能力，支持多种云平台集成；基于开源硬件和开源生态物联网平台，降低系统开发成本。

Description

基于开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台
技术领域
本发明属于物联网应用技术领域，特别是一种基于开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台。
背景技术
目前，物联网应用的综合实验平台有多种技术，诸如实用发明专利：“一种信息工程专业物联网综合实验平台[201620384308.5]”、“一种物联网技术综合应用实验平台[201720112176.5]”、“一种集成化的物联网实训平台[201220189804.7]”、“一种基于嵌入式系统的物联网实验箱[201520022677.5]”、“物联网综合实训装置[201110194090.9]”等和发明专利“一种智能环境感控实验平台[201410830964.9]”。这些平台技术主要集中在通过各种硬件技术或者工具将硬件开发平台整合成实验箱，主要满足ZigBee协议、RFID技术、各种外围接口技术等实验和应用开发要求。这些物联网综合实验平台技术针对特定目标，定制实验工具箱，扩展性差，缺少灵活性，应用之间相互集成困难，无法满足新的物联网应用发展的需求。
发明专利“基于三级云计算架构的物联网实验教学与科研研发平台[201610441554.4]”实现了基于三级云计算架构的物联网实验教学与科研研发平台。该平台强调了终端节点接入云计算的三种方式，实现实验教学管理。本专利并未实现和考虑物联网综合实验平台具体技术。发明专利“一种基于物联网的web服务方法及物联网系统[201410833942.8]”虽然提出了通过web资源的方式实现对装置进行操作的方法，但是并未涉及如何自动将物理实体转换为虚拟资源。
发明内容
针对上述现有的技术的不足，本发明提供一种基于开源硬件和开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台及架构，该平台着眼于灵活集成多种协议感知装置，实现感知数据采集、存储和处理，满足物联网应用开发的需要。该平台功能模块包括：
(1)异构装置模块：该模块负责实施不同协议和不同功能的感知装置管理。包括：装置接入管理、装置状态管理。
(2)开源中间件模块：装置数据管理、装置标识管理、加密与认证、身份与授权、协议转换、数据转换、资源/服务管理、网关管理等公共功能以及这些功能的API。
(3)数据传输模块：实现感知数据的发布与传输，实现与云平台或其他数据处理应用集成。
(4)云计算平台与物联网应用处理模块：首先云平台采集多源传感器数据进行存储/管理，在此基础上在云平台上实时流处理/语义处理/数据挖掘等功能。
平台实现步骤如下：
外部装置通过异构装置模块接入到物联网综合实验平台系统，然后中间件模块实现对装置的操作，提供安全管理手段和协议转换或者数据转换服务，通过数据传输模块实现数据传输/发布/订阅机制并实现与云平台的集成，物联网应用处理模块实现对数据的综合处理，进行知识发现，向用户提供高层信息。用户根据该信息通过云计算平台、数据传输、开源中间件和装置接入模块实现对装置的管理和控制。
本发明描述了该综合实验平台一种实现模型。该模型提供物品万维网综合实验平台所涉及的多种角色以及它们之间的关系。
本发明还提供一种半自动化的物理实体与虚拟资源实体映射框架P2WoT(Physical entity to Web of things)功能。该功能实现多种外部装置所代表的物理实体自动转换为可供用户操作的Web虚拟资源。
本发明的有益效果是：
在本发明提供的实施例中，首先提供了一种利用开源生态系统支持的物品万维网综合实验平台，该平台通过异构装置模块支持多种协议设备的接入，包括但不限于：GPIO接入设备、CAN总线、SPI接口、蓝牙近距离通信、LoRA/SigFox/NB-IOT远距离通信、Mod-Bus、OPC-UA、ZigBee等装置模块，提供灵活性。该平台利用开源物联网中间件技术屏蔽底层技术差异，提供公共服务，例如加密、认证、授权和基于角色的身份认证机制、协议/数据转换、数据缓存、资源/服务管理等服务，并通过SDK API和RESTful API向应用提供服务。该平台可利用现有多种物联网应用层协议进行数据传输，并与云平台相集成。这些应用层协议包括但不限于：HTTP、MQTT、AMQP、WebSocket、CoAP等协议。这些协议可与现有Web应用集成，方便应用开发，提供了实时数据传输功能，还可通过发布/订阅模式实现应用之间松耦合方式集成。本发明利用云平台大容量和强大计算能力实现采集数据的存储和管理等功能。最后，利用实时流处理/语义处理/数据挖掘等技术实现多源数据融合，实现知识发现，为用户应用决策提供支持。可以看到该发明实现了物联网应用从物理实体、数据采集、数据传输、数据处理和应用开发等综合功能，为科研和教学提供了综合能力，具有开放性、灵活性、扩展性和低成本特点。
本发明提供的模型描述物品万维网综合实验平台所涉及的多种角色以及它们之间的关系。
本发明还提供了一种综合实验平台实验方案。
本发明提供的半自动化的物理实体与虚拟资源实体映射框架P2WoT(Physicalentity to Web of things)功能使得开发人员只需编写装置的接入配置文件即可实现装置的接入，使得装置的信息自动化管理和操作，减少开发人员工作量，使得开发人员可集中于更为重要的数据处理等应用开发环节。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：系统端到端功能图；
图2：整体架构功能图；
图3：物联网综合实验平台模型图；
图4：资源映射模型；
图5：P2WoT框架；
图6：P2WoT元模型；
图7：P2WoT元模型；
图8：P2WoT过程模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本方面提供的一种物联网应用端到端功能图。该图描述了本综合实验平台所涉及的主要过程和模块单元。
①异构装置利用其自身的接口或者协议接入开源中间件系统；这里用一种示例作为解释说明，并不仅限于此。例如一种温湿度传感器通过GPIO引脚接入运行开源中间件的网关，然后网关可利用第三方库对该装置的GPIO进行配置，设置GPIO的输入/输出模式、上拉/下拉电阻、触发模式等，最后利用第三方库的API对装置进行读取或输出控制等。
②开源硬件作为网关的硬件平台，提供各种外围接口和各种协议接入功能，具有一定的运算和存储能力。
③物联网开源中间件提供公共基础功能。例如，为了保护装置的安全性，提供数据加密传输和身份认证、基于角色的访问控制等机制。中间件还可实现数据存储/转换、资源/服务管理等。例如，数据存储功能实现装置数据的定时读取，并对感知装置的地理位置、数据、读取时间等临时存储。数据转换功能实现根据应用不同需求，实现JSON/XML/二进制/CBOR/FlatBuffers/Protocol Buffers等格式或者编码方式的支持。开源物联网中间件还提供装置标识管理和网关管理功能。装置标识管理是指装置在系统内唯一标识的生成、更新、使用、删除的生命周期管理机制；网关管理是指对网关运行状况诸如CPU/内存/网络等的监测报告和/软件安装/配置/更新等管理能力。
④物联网中间件屏蔽各种装置的异构性,提供统一API接口和公共功能，实现对异构装置的操作。例如，无论对于GPIO接口或者SPI接口，蓝牙装置或者LoRA/SigFox/NB-Iot、Mod-Bus、OPC-UA等装置，都可利用统一的RESTful API接口或者SDK接口进行访问和使用。
⑤基于应用层的物联网数据传输功能。面向物联网应用的应用层传输协议可高效快捷的与应用进行集成。利用WebSocket实现数据的实时传输；利用HTTP协议实现基于Web的感知装置数据读取、传输、控制等操作；利用面向物联网环境的CoAP(ConstraintedApplication Protocol,CoAP)和HTTP协议实现资源的RESTful API操作；利用MQTT/AMQP实现基于主题(Topic)的数据发布/订阅，实现感知数据采集和数据使用的松耦合使用。例如：温湿度传感器DHT11的温湿度数据以主题“Campus/Building1/Room1”发布到云计算平台，而其它任何具有相应权限的应用可通过订阅“Campus/Building1/Room1”主题读取该数据，该发布者与订阅者之间相互独立。
⑥云计算平台相集成。数据可存入云计算平台。在云平台基础上，可提供实时流处理功能，语义处理功能，数据挖掘/机器学习功能以及业务组合功能。
上述这6点都可以作为物联网综合实验教学点。
图2给出了系统一种实现架构。该实验平台包括装置层、网关层、传输层和应用层。
①装置层：该层可支持目前各种外围接口、近距离通信协议和远距离通信以及工业物联网环境下的各种协议。
②网关层：该层包括底层API(南向接口)、开源硬件平台、中间件通用功能及面向应用的API接口(北向接口)。南向接口支持装置层的多种外围接口。利用开源硬件平台作为网关运行物联网开源中间件，实现通用功能，同时，通过北向接口为用户提供服务，这些接口包括但不限于面向不同编程语言的SDK、开源平台PlatformAPI接口、WebService接口、RESTful API接口等。
③传输层：利用应用层协议实现数据传递、发布和存储。这些协议可实现数据的实时传输、发布和订阅、与Web应用集成、节省资源等特点。
④应用层(应用支撑层)：该层实现数据存储管理和数据处理以及应用开发。利用数据挖掘/机器学习工具包从多源数据中深度挖掘，获取直观信息；利用基于发布/订阅模式的开源Apache Kafka实现实时流处理功能，快速获取信息；利用Open-IoT实现数据的语义标注、建模和推理；利用BPEL/BPMN实现物联网装置与工作流系统的集成和建模；利用Restful API接口实现多种服务组合；利用Node-RED工具开发可视化Dashboard界面等功能。
图3给出了本系统的实现模型图。该图中主要给出了该系统实现的过程：
①物理资源映射为虚拟资源。将装置转换为虚拟资源，可使其与其它计算资源相集成。其模型如图4所示。装置通过P2WoT框架被映射为具有可寻、可操作、可发现、安全控制等要求的虚拟资源。可寻是指该资源可在系统内通过某种方式被定位，例如Web环境下的URL或IP地址或基于名字的机制等方法。可操作性是指该资源提供操作接口和参数实现资源数据读取或者控制。可发现是指资源提供资源描述信息，可被用户按照某种方式发现。安全控制是指资源对数据传输、访问者、资源使用情况等提出要求，保证资源得到安全有效使用。
②虚拟资源的存储和发布。根据虚拟资源模型，将资源信息以某种形式存储以及对外发布，使其可被使用。
③虚拟资源有效性管理。虚拟资源是否有效是指其所对应的物理实体或者其它虚拟实体能否仍能提供服务。有效性管理是指通过管理机制监测物理实体资源是否有效，当发现无效时，对资源进行标识或者删除。
④物联网资源管理和控制。该功能实现物联网物理实体资源功能部署、配置、更新、删除以及系统资源使用信息监测统计。
⑤与应用部署环境集成。实现物联网应用的部署和调用，实现用户所需求的功能。
⑥与应用开发环境集成。与外部物联网应用开发环境和工具相集成，提供物联网应用开发。
图5给出了P2WoT框架。该框架可实现物理实体到虚拟实体资源的半自动映射，实现装置的接入。图中所示模块包括：
①解析模块。该模块读取配置文件内容，该配置文件格式不限，可以是普通文本，XML格式，JSON格式，其它格式等。配置文件内容包括如下部分：
a.元信息：该部分设置装置的基本信息，例如装置类型、装置名称、型号、产地、厂家及生产时间信息、部署地理位置等内容；例如：{“传感器”、“温湿度传感器”、“DHT11”、“中国江苏南京”、“Factory”、“20170102”、“Building1/Room1”}
b.驱动配置：该信息设置装置与网关的物理连接和配置信息等，这些信息与设备接口有关系。例如上述传感器通过GPIO接入，则其配置信息如下：
{接口类型名称：“GPIO”；输入引脚名称：“GPIO_01”；输出引脚名称：“GPIO_02”；上拉电阻：“ON/OFF”；下拉电阻：“ON/OFF”；触发方式：“下降沿触发“}
c.寻址配置：设置该装置被访问的寻址方式，可以是HTTP、IP或者CoAP或者基于名称等不同形式。例如：
{寻址方式：“CoAP”；
Value：“coap://iotplatform.io/Building1/Room1/DHT11Sensor”}
d.操作配置：设置该装置提供的操作或者服务。这里以Restful风格为例说明，但是也支持其他流行的操作方式，例如WebService接口等，操作配置还可以配置装置的数据发布/订阅实现机制，包括数据主题、数据发布Broker地址和端口等信息。
{Operation:PUT；
Parameter1:Value1；Parameter2:Value2；Parameter3:Value3……
ReturnValue:RetValue；
Operation:GET；
Parameteration:NULL；
ReturnValue:RetValue；
Operation：DELETE；
Operation:UPDATE；
}
e.安全配置。该配置信息设置对资源访问的安全要求，例如数据加密，用户身份，访问时间、访问地点、访问频次等安全信息。
f.描述信息配置。通过文字描述装置的功能，使用方法，其它参数等详细信息。
g.其它配置。该配置信息设置其它信息，例如物理实体与虚拟资源映射的有效期等、物理实体的能源消耗模型、物理实体的标识与虚拟实体的标识等。
②系统元模型。该模型是P2WoT框架的核心，它描述实现物理实体与虚拟资源之间映射所设计的类结构与交互过程，如图6-8。图6中，该元模型描述了一种系统实现结构。模型提供了描述资源信息的Resource接口，它包括了配置文件所涉及的内容；模型通过PUT/GET/DELETE/UPDATE/PUBLISH等接口描述装置提供的资源或者服务的能力；CoAPResource与HTTPResource示例说明两种面向Web的资源描述模型；DeviceService接口描述了与装置相关的操作，例如readSensor读取、writeSensor控制装置的操作，该接口通过驱动模块对装置进行读写控制；DateChangedListener利用设计模式中的订阅者模式实现虚拟资源数据的实时更新。
③核心模块。图7给出了P2WoT框架模型以及各个模块之间的关系。其中CoreFramework是核心类，负责组合和调用其他模块实现P2WoT功能。ParserModule实现配置文件解析并生成代表虚拟资源类的DeviceResource。Server模块提供虚拟资源的运行和访问环境，可以是CoAP或HTTP或者WebSocket等方式实现。ResourceLifeCycleManagement实现资源有效性管理、虚拟资源生命周期管理等。
④部署模块：DeployModule实现对框架根据不同开源平台进行不同封装并进行发布。
⑤存储模块:ResourceRegistration模块将资源注册保存到资源库中。资源库可以是关系数据库或者大数据的方式存储等。
⑥服务发现模块：DiscoveryService定义实现资源发现接口，资源的发现可以利用多种学术研究的方法，例如基于语义匹配，基于QoS约束等。
图8展示了该系统过程模型。主要步骤如下：
第一步：读取P2WoT配置文件；
第二步：创建DeviceResource实例；
第三步：根据第一步结果设置新建虚拟资源的属性；
第四步：创建并启动提供资源服务的服务器；
第五步：将资源注册到该服务器中；
第六步：框架将资源注册到该资源库中；
第七步：虚拟资源定期读取数据或者监测装置状态；
第八步：当数据有变化时，将最新数据更新到服务器中；
第九步：当数据变化时，将最新数据发布到Broker中；
第十步：服务器接收到资源读写请求；
第十一步：若控制装置动作，则调用虚拟资源对应方法；
第十二步：若读取数据，则将服务器最新数据返回；
第十三步：用户发送资源发现请求；
第十四步：执行资源发现算法；
第十五步：返回资源列表；
第十六步：若读取数据发生失败次数超过阈值；
第十七步：将虚拟资源失效。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台，其特征在于，包括依次连接的异构装置模块、开源中间件模块、数据传输模块、云计算平台；
所述异构装置模块包含P2WoT框架，所述P2WoT框架实现物理实体到虚拟资源的半自动映射，实现不同协议和不同功能的感知装置的接入；
所述开源中间件模块提供各种外围接口和各种协议接入功能，屏蔽所述感知装置的底层技术差异，向所述感知装置提供公共服务，并通过通用接口向应用提供服务；
所述数据传输模块利用现有物联网应用层协议进行数据传输，并实现与云平台的集成，通过发布/订阅模式实现应用之间松耦合方式集成；
所述云计算平台对所述感知装置的数据进行存储和管理，进行知识发现，向用户提供高层信息；
所述P2WoT框架包括：
1)解析模块：读取配置文件内容，所述配置文件格式不限；
2)系统元模型：描述实现物理实体与虚拟资源之间映射所设计的类结构与交互过程；
3)核心模块：负责组合和调用其他模块实现P2WoT功能；
4)部署模块：实现对框架根据不同开源平台进行不同封装并进行发布；
5)存储模块：将资源注册保存到资源库中；
6)服务发现模块：定义实现资源发现接口；
所述物理实体映射为虚拟资源的步骤包括：
第一步：读取P2WoT配置文件；
第二步：创建代表虚拟资源类的DeviceResource实例；
第三步：根据第一步结果设置新建虚拟资源的属性；
第四步：创建并启动提供资源服务的服务器；
第五步：将资源注册到该服务器中；
第六步：框架将资源注册到该资源库中；
第七步：虚拟资源定期读取数据或者监测装置状态；
第八步：当数据有变化时，将最新数据更新到服务器中；
第九步：当数据变化时，将最新数据发布到Broker中；
第十步：服务器接收到资源读写请求；
第十一步：若控制装置动作，则调用虚拟资源对应方法；
第十二步：若读取数据，则将服务器最新数据返回；
第十三步：用户发送资源发现请求；
第十四步：执行资源发现算法；
第十五步：返回资源列表；
第十六步：若读取数据发生失败次数超过阈值；
第十七步：将虚拟资源失效。
2.根据权利要求1所述的一种基于开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台，其特征在于，所述感知装置包括但不限于：GPIO接入设备。
3.根据权利要求1所述的一种基于开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台，其特征在于，所述应用层协议包括但不限于：HTTP、MQTT、AMQP、WebSocket、CoAP。
4.一种基于权利要求1所述的基于开源生态系统的物联网综合实验及应用开发平台的实现系统，其特征在于，包括感知装置层、网关层、传输层和应用层；
所述感知装置层支持现有各种外围接口、近距离通信协议和远距离通信以及工业物联网环境下的各种协议；
所述网关层包括底层API、开源硬件平台、中间件通用功能及面向应用的API接口，底层API支持装置层的各种外围接口，利用开源硬件平台作为网关运行物联网开源中间件，实现通用功能，通过面向应用的API接口为用户提供服务；
所述传输层利用应用层协议实现数据传递、发布和存储；
所述应用层实现数据存储管理和数据处理以及应用开发。
5.根据权利要求4所述的实现系统，其特征在于，所述面向应用的API接口包括但不限于：面向不同编程语言的SDK、开源平台Platform API接口、Web Service接口、RESTful API接口。
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