CN110505266B - 用于具有3d适配矩阵的物联网结构的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有3D适配矩阵的包括应用层的物联网（IoT）结构、用于IoT结构的服务器、用于IoT应用的设备和用于操纵应用层之间的相关性的方法。3D适配矩阵包括适配规则，所述适配规则被一次指定，并且所述适配规则使得能够实现指定应用层之间的相关性。IoT结构的模块被配置成采用适配规则用于IoT应用。

Description

用于具有3D适配矩阵的物联网结构的系统和方法

技术领域

本发明涉及具有3D适配矩阵的包括应用层的物联网（IoT）结构、用于IoT结构的服务器、用于IoT应用的设备，以及用于操纵应用层之间的相关性的方法。

背景技术

所谓的物联网（IoT）是物理设备、车辆、家用电器和嵌入有电子装置、软件、传感器、致动器和使得这些事物能够连接和交换数据的连接性的其它物品（事物）的网络。每一个事物通过其嵌入式计算系统可唯一标识，但是能够在现有的互联网基础设施内互操作。IoT允许事物跨现有的网络基础设施而被远程感测或控制，从而创造物理世界到基于计算机的系统中的更加直接的集成的机会，并且除了减少的人类介入之外还导致改进的效率、精确性和经济益处。术语“事物”可以被理解为“硬件、软件、数据和服务的密不可分的混合物”。这些事物在各种现有技术的帮助下收集有用的数据，并且然后自主地使数据在其它事物之间流动。术语“事物”因而可以是指多种多样的设备，诸如心脏监视植入物、农场动物上的生物芯片应答器、沿海水域中的野生动物的相机串流实况馈送、具有内置传感器的汽车、用于环境/食品/病原体监视的DNA分析设备，或在搜寻和营救操作中帮助消防员的现场操作设备。对具有有限CPU、存储器和功率资源的网络嵌入式设备的能力意味着IoT在几乎每一个领域中找到应用。这样的系统可以负责在范围从自然生态系统到建筑物和工厂的设置中收集信息，从而在环境感测和城市规划的领域中找到应用。

IoT具有事件驱动的架构，是自底向上制成的（基于过程和操作的情境，实时地），并且考虑任何附属层级。在IoT中，事件的含义未必是基于确定性的或句法模型，而是基于事件自身的情境：这也是语义网。因此，它未必需要将不能够解决每一个情境或用途的公共标准：一些作用物（服务、组件和替身）将相应地是自引用的，并且如果万一需要的话，自适应于现有的公共标准。通过构建在IoT的顶部上，事物网是用于IoT的应用层的架构，其关注来自IoT设备的数据向Web应用中的收敛以创建创新的使用情况。为了对IoT中的信息流进行编程和控制，预测的架构方向被称为BPM Everywhere，其为传统过程管理与过程挖掘和特殊能力的混合，以自动化大量经协调的设备的控制。IoT要求网络空间中的巨大可缩放性以应对设备浪潮。例如，IETF 6LoWPAN可以用于将设备连接到IP网络。在数十亿的设备被添加到因特网空间的情况下，IPv6在应对网络层可缩放性方面起到主要作用。IETF的受约束的应用协议、ZeroMQ和MQTT提供轻量的数据传输。雾计算是可行的替换方案以防止这样的数据大爆发流过因特网。边缘设备的计算能力可以用于分析和处理数据，因而提供容易的实时可缩放性。IoT框架可能帮助支持事物之间的交互，并且允许更复杂的结构，比如分布式计算和分布式应用的开发。一些IoT框架聚焦于实时数据记录解决方案，从而提供与许多事物一起工作并且使它们交互的某种基础。

表述性状态转移（REST）是可缩放的架构，其允许事物通过超文本传输协议（HTTP）进行通信，并且容易适配于IoT应用以提供从事物到中央web服务器的通信。REST是基于HTTP定义一组约束和性质的架构风格。遵照REST架构风格的web服务器或RESTful web服务提供因特网上的计算机系统之间的互操作性。REST依从web服务允许请求系统通过使用无状态操作的一致且预先定义的组来访问和操纵web资源的文本表述。“web资源”在万维网上被首先定义为通过其URL标识的文档或文件。然而，如今它们具有涵盖可以以无论任何方式在web上被标识、命名、寻址或处置的万事万物或实体的更加通用且抽象的定义。在RESTfulweb服务中，向资源URI做出的请求将抽出（elicit）可以以XML、HTML、JSON或某种其它格式的响应。该响应可以确认已经对所存储的资源做出某种更改，并且该响应可以提供去到其它相关资源或资源集合的超文本链接。当使用HTTP时，如最常见的那样，可用的操作是GET（获取）、POST（发布）、PUT（放置）、DELETE（删除）和其它预先定义的CRUD HTTP方法。通过使用无状态协议和标准操作，REST系统通过重用可以在不影响作为整体的系统的情况下甚至在其正在运行时被管理和更新的组件，旨在得到快速的性能、可靠性和成长的能力。根据REST“良好设计的”web应用表现得使得其为web资源的网络（虚拟状态机），其中用户通过选择链接（例如/user/tom）和操作（例如GET或DELETE）而穿过应用前进，所谓的状态转变，从而导致下个资源（表示应用的下个状态）被传递给用户以供其使用。

IoT结构通常具有以下设置：

第一应用层是IoT存储层，其包括尽可能快且可扩展的存储系统，诸如云存储或（分布式）数据库系统。取决于特定应用，数据还被部分地存储在事物自身上，其事实上模仿云存储的功能。

第二应用层是IoT数据结构层，其包括用于之前描述的存储在IoT存储层中的数据的预先定义的结构。结构定义的示例是类/实例特质（例如某种类型的事物和该类型的实例化事物，特定地，资产类型（例如在工厂中）和特定的资产实例（例如控制器、生产单元等）或可能具有什么种类的信息属性的定义。

第三应用层是IoT接口层，其包括获取和设定数据的交互机制。简单的接口是优选的。简单在该上下文中意味着访问技术（例如基于互联网/http的技术）和接口语言的表述性（例如简单的属性/值检索而没有SQL表述性层级）二者。被广泛接受的交互机制的示例是REST。组合地，这三个层经由经抽象的访问介质（例如互联网或叠加的VPN）提供用于事件处置、报告、时间系列处置、数据结构操纵、数据检索和过滤的功能敌对（foe）示例。

随着IoT应用的复杂度增加，IoT存储层的存储系统功能与IoT接口层的交互机制之间的代沟增加。其间的层，IoT数据结构层，通常不能够足以应对下方的复杂IoT存储层和其上方的简单IoT接口层二者。这导致存储系统功能的下层利用或者不想要的复杂交互机制。例如，如果将标准SQL数据库用作数据存储，并且将接口选择为依从REST，则用户必须具有构造SQL查询的大量知识，或者将仅使用最小比例的系统查询可能性。而且在IoT数据结构位于REST接口与SQL数据库之间的情况下，该问题没有得到解决，因为IoT数据结构层定义类和实例的存在、属性由什么信息构成等，但是在用户经由REST接口与IoT交互时，仅可以使用所选数据结构和已安装的存储系统二者的功能的某个子集。

基于例如由Amazon（AWS IoT）或SAP（SAP IoT）或Bosch（Bosch Hono）提出的数据结构定义的常见IoT系统趋向于使IoT数据结构层适配于多半简单的交互接口。如以上所描述的，对数据结构和存储层的访问从而遭受欠佳的利用。相比之下，由于固有的复杂性，不太经常选择更复杂的数据模型的创建，其将更好利用存储系统的能力，从而施加更复杂的交互接口。

但是不存在灵活地定义和相互链接IoT接口层、IoT数据结构层和IoT存储层的通用方案。

发明内容

本发明具有利用根据独立权利要求1所述的物联网和根据另外的独立权利要求所述的方法来解决或至少缓解以上问题的目的。本发明的进一步精炼是从属权利要求的主题。

根据本发明的第一方面，一种物联网（IoT）结构包括应用层。IoT结构还包括3D适配矩阵，其包括适配规则。适配规则被一次指定。适配规则使得能够指定应用层之间的相关性。IoT还包括模块。该模块被配置成采用适配规则用于IoT应用。

根据本发明的第二方面，一种用于如以上所描述的IoT结构的服务器包括存储器。存储器存储包括适配规则的3D适配矩阵。适配规则被一次指定。适配规则使得能够实现指定IoT结构的应用层之间的相关性。服务器还包括处理单元。处理单元被配置成采用适配规则用于IoT应用。

根据本发明的第三方面，一种用于如以上所描述的IoT结构的IoT应用的设备被配置成基于IoT结构的应用层而与IoT结构的实例通信。应用层之间的相关性由IoT结构的3D适配矩阵的适配规则指定，所述适配规则被一次指定并且被采用用于IoT应用。

根据本发明的第四方面，一种用于操纵物联网（IoT）结构的应用层之间的相关性的方法包括以下步骤：

– 指定IoT结构的3D适配矩阵的适配规则。适配规则使得能够实现指定应用层之间的相关性。

– 采用适配规则用于IoT应用。

3D适配矩阵的适配规则必须被手动地一次指定，将IoT接口层的IoT接口类型的可能特征、IoT数据结构层的数据结构元素以及IoT存储层的存储类型考虑在内。根据第一方面的IoT结构可以与根据第二方面的服务器一起应用。服务器可以是数据处理装置或多个数据处理装置的集群。服务器在其存储器中存储3D适配矩阵。处理单元（例如微处理器）采用3D适配矩阵的适配规则以用于在不同的数据处理装置上运行的IoT应用。数据处理装置可以是微控制器（μC）、集成电路、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）等。数据处理装置可以是该设备（例如机器、装备等，并且特定地，智能电话、机动车、家用电器、智能家居电器等）的部分。该设备主控或施行IoT结构中的IoT应用。

根据本发明的IoT结构提供操纵应用层的特征的灵活的机制。因此，根据本发明的服务器的资源和根据本发明的IoT结构的设备/IoT应用的资源被最优地利用，因为优选地应用的所有特征被利用用于每一个IoT应用与服务器之间的通信。这导致服务器和IoT结构中的设备/IoT应用中的经优化的容量利用度和减少的工作载荷。

根据本发明的另外的方面，应用层包括IoT数据结构层、IoT存储层和IoT接口层。

IoT存储层可以包括服务器和或IoT应用的一个或多个不同的存储。IoT数据结构层包括至少一个数据结构（例如Amazon AWS IoT或SAP IoT）。IoT接口层（例如REST）包括交互机制。交互机制可以是简单的。简单在该上下文中意味着简单的访问技术，比如基于互联网/http的技术，以及接口语言的简单表述，比如属性/值检索（例如GET、POST、PUT、DELETE等）。服务器的存储装置或存储器分别可以是数据存储装置，比如磁性存储装置/存储器（例如磁芯存储器、磁带、磁卡、磁体条、磁体泡沫存储装置、磁鼓存储装置、硬盘驱动器、软盘或可移除存储装置）、光学存储装置/存储器（例如全息存储器、光带、Tesa带、激光盘、相位写入器（双相位写入器PD）、压缩盘（CD）、数字视频盘（DVD）、高清晰度DVD（HD DVD）、蓝光盘（BD）或超密度光盘（UDO）、磁光存储装置/存储器（例如迷你盘或磁光盘（MO-盘））、易失性半导体/固态存储器（例如随机存取存储器（RAM）、动态RAM（DRAM）或静态RAM（SRAM））、非易失性半导体/固态存储器（例如只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、可擦除PROM（EPROM）、电EPROM（EEPROM）、闪速EEPROM（例如USB棒）、铁电RAM（FRAM）、磁阻RAM（MRAM）或相变RAM）或数据载体/介质。

根据本发明的服务器的资源和根据本发明的IoT结构的设备/IoT应用的资源被最优地利用，因为IoT存储层中的存储装置和优选地IoT接口层的（多个）接口的所有特征被利用用于基于IoT数据结构层的数据结构的每一个IoT应用与服务器之间的通信。

根据本发明另外的方面，模块配置成，采用适配规则以便当IoT数据结构层和IoT存储层被给定时自动生成IoT接口层，特定地，IoT REST接口层。可替换地，在采用步骤中，采用适配规则以便当IoT数据结构层和IoT存储层被给定时自动生成IoT接口层，特定地，IoT REST接口层。

当IoT数据结构层的数据结构的定义已经完成并且选择了用于IoT存储层的存储技术时，适配规则可以被采用用于自动生成接口，特定地，用于IoT接口层的REST接口。

根据本发明的IoT结构提供了一种链接IoT接口层的接口性质（例如REST接口特性）与IoT数据结构层的数据结构（例如类/实例特质）和与IoT存储层的存储系统（例如关系数据库）的灵活的机制。对于每一个可能的组合（例如接口=REST、数据结构定义类/实例，存储=SQL-DB），定义指定这三个应用层与其特定技术设置之间的相关性和暗示的一组规则。

根据本发明的另外的方面，模块被配置成采用适配规则以便自动生成最优地适合于IoT数据结构层和IoT存储层的IoT接口层。可替换地，在采用步骤中，采用适配规则以便自动生成最优地适合于IoT数据结构层和IoT存储层的IoT接口层。

给定具体的IoT应用，基于3D适配矩阵的特定适配规则组，可以通过采用基于规则的系统或推理软件来自动地优化IoT应用层。

因此，提供了最优地链接IoT接口层的接口性质与IoT数据结构层的数据结构（例如类/实例特质）和与IoT存储层的存储系统（例如关系数据库）的灵活机制。对于每一个可能的组合（例如接口=REST、数据结构定义CLASS/INSTANCE（类/实例），存储=SQL-DB），定义最优地指定这三个应用层与其特定技术设置之间的相关性和暗示的一组规则。

根据本发明的另外的方面，模块被配置成采用适配规则以便在给定IoT数据结构层、IoT存储层和IoT接口层时通过检查是否IoT数据结构层的所有可能的数据结构特征已经被定义或被正确地使用来检查IoT数据结构层的数据结构特征。可替换地，在采用步骤中，采用适配规则以便在给定IoT数据结构层、IoT存储层和IoT接口层时通过检查是否IoT数据结构层的所有可能的数据结构特征已经被定义或被正确地使用来检查IoT数据结构层的数据结构特征。

适配过程可以在设计时间期间执行。例如，当IoT数据结构层的数据结构被定义并且IoT存储层的存储技术和IoT接口层的接口技术已经已知时，适配规则可以被采用以检查是否所有可能的数据结构特征已经被定义或以正确的方式使用。

根据本发明的另外的方面，模块被配置成在IoT结构的运行时采用适配规则，以便在IoT数据结构层、IoT存储层和IoT接口层被给定时检查IoT应用的新IoT接口与IoT结构的应用层的一致性。可替换地，在采用步骤中，适配规则被采用以便在IoT数据结构层、IoT存储层和IoT接口层被给定时检查IoT应用的新IoT接口与IoT结构的应用层的一致性。

适配过程可以在运行时应用。例如，当在运行时期间部署第二接口（例如用于另一消费者）时，适配规则可以用于检查与当前现有的IoT结构（例如云基础设施和当前可用的数据结构）的一致性。

附图说明

随后通过图中所示的示例性实施例进一步详细解释本发明。示例性实施例仅有益于本发明的更好理解，并且绝不被解释为限制本发明的范围。

图1示意性地示出具有根据本发明的物联网结构的物联网应用。

具体实施方式

在图1中，描绘了具有根据本发明的物联网（IoT）结构的IoT。3D适配矩阵1基于IoT结构的应用层2。IoT结构包括具有大量IoT接口类型2a.1-2a.n（例如REST、SQL式、私有等）的IoT接口层2a、具有大量数据结构类型2b.1-2b.n（例如类/实例、属性等）的IoT数据结构层2b和具有大量IoT存储类型2c.1-2c.n（例如云存储、数据库等）的IoT存储层2c。3d适配矩阵1包括基于所述应用层2的大量适配规则3，分别为适配规则3.1-3.n。

IoT应用4包括三个已实现的层5，即具有某个接口类型的三个不同接口（在此：REST、SQL式和私有）的接口5a、具有某个数据结构类型的三个不同数据结构（在此：类/实例、属性和其它）的数据结构5b，以及具有某个存储类型的三个不同存储（在此：云存储、数据库和其它）的存储5c。

例如，IoT数据结构层2b定义实例具有特定类型（在此：工厂中的实例“生产模块27”是“机器人”类型），IoT存储层2c定义使用SQL数据库。所得到的适配规则3.1是（由于实例被映射到类）IoT结构中的“InstanceOf”关系被连结到两个SQL表“类型”和“实例”的映射（该映射可能通过加入表或利用外来密钥或其它数据库技术手段来实现）。

适配规则3.1= “structure-storage-rule 23: dataStructure:InstanceOf

storage:join tables(Types,Instances)”。

此外，另一规则可以定义类/实例数据结构之间的连接以及接口5a.1-5a.3之一如何将在一个特定接口（例如REST）中提供这样的数据机构种类。

适配规则3.2= “interface-structure-rule42: HTTP-GET asset-type

dataStructure:InstanceOf(asset-type)”。

作为另一示例，在更简单的群集中，私有接口5a.3可能直接影响云存储5c.1中的属性的检索。

适配规则3.1= “interface-storage-rule 23: readAttribute(X)

Cloud.getAttribute(X);”。

该示例示出不仅相邻的层，而是所有的层都可能影响彼此。

尽管本文已经说明和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将领会到，存在各种可替换的和/或等同的实现方式。应当领会到，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并且不意图以任何方式限制范围、可应用性或配置。而是，前述概述和详细描述将为本领域技术人员提供用于实现至少一个示例性实施例的便捷路线图，要理解到可以在示例性实施例中所描述的元件的功能和布置方面做出各种改变而不脱离如在随附权利要求及其法律等同物中所阐述的范围。一般地，本申请意图覆盖本文所讨论的特定实施例的任何适配或变型。

在前述详细描述中，各种特征在一个或多个示例中分组在一起以用于流线化本公开的目的。要理解到，以上描述意图是说明性的而非限制性的。意图覆盖如可以在本发明的范围内包括的所有可替换方案、修改和等同物。当回顾以上说明书时，许多其它的示例对本领域技术人员将是明显的。

在前述说明书中使用的特定命名法用于提供本发明的透彻理解。然而，鉴于本文所提供的说明书，对本领域技术人员将明显的是，特定细节不是必需的以便实践本发明。因此，出于说明和描述的目的而呈现本发明的特定实施例的前述描述。它们不意图是详尽的或者将本发明限制到所公开的确切形式；显然，鉴于以上教导，许多修改和变型是可能的。实施例被选择和描述以便最佳地解释本发明的原理及其实际应用，以从而使得本领域技术人员能够最佳地利用本发明和具有如适于所设想到的特定用途的各种修改的各种实施例。贯穿说明书，术语“包含”和“在其中”被分别用作相应术语“包括”和“其中”的简明英语等同物。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标记，并且不意图对其对象施加数字要求或建立其某种重要性排序。

附图标记列表：

1 3D适配矩阵

2 应用层

2a IoT接口层

2a.1-2a.n IoT接口类型

2b IoT数据结构层

2b.1-2b.n IoT数据结构类型

2c IoT存储层

2c.1-2c.n IoT存储类型

3:3.1-3.n 适配规则

4 IoT应用

5a:5a.1-5a.3 接口

5b:5b.1-5b.3 数据结构

5c:5c.1-5c.3 存储

Claims (13)

1.一种用于具有3D适配矩阵的物联网结构的系统，包括：

用于物联网（IoT）结构的服务器，其中所述服务器包括存储器和处理器，

其中所述IoT结构包括应用层（2），所述应用层（2）包括IoT数据结构层（2b）、IoT存储层（2c）和IoT接口层（2a），

其中所述存储器存储3D适配矩阵，其包括适配规则（3），所述适配规则（3）被一次指定，并且所述适配规则（3）使得能够实现指定应用层（2）之间的相关性，其中对于接口性质、数据结构和存储系统的每个可能组合，所述相关性将IoT接口层的接口性质链接到IoT数据结构的数据结构和IoT存储层的存储系统，使得服务器和每个IoT应用使用存储系统和IoT接口层的所有接口性质进行通信，以及

其中所述处理器被配置成采用适配规则（3）用于IoT应用（4）。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置成，采用适配规则（3）以便当IoT数据结构层（2b）和IoT存储层（2c）被给定时，自动生成IoT接口层（2a）。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述IoT接口层（2a）是IoT REST接口层。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述处理器被配置成采用适配规则（3）以便自动生成最优地适合于IoT数据结构层（2b）和IoT存储层（2c）的IoT接口层（2a）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述处理器被配置成采用适配规则（3）以便在给定IoT数据结构层（2b）、IoT存储层（2c）和IoT接口层（2a）时通过检查是否IoT数据结构层（2b）的所有可能的数据结构特征已经被定义或被正确地使用来检查IoT数据结构层（2b）的数据结构特征。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述处理器被配置成在IoT结构的运行时采用适配规则（3），以便在IoT数据结构层（2b）、IoT存储层（2c）和IoT接口层（2a）被给定时检查IoT应用（4）的新IoT接口与IoT结构的应用层（2）的一致性。

7.一种包括根据权利要求1所述的系统的设备，其中所述设备被配置成基于IoT结构的应用层（2）而与IoT结构的实例通信。

8.一种用于操纵物联网（IoT）结构的应用层（2）之间的相关性的方法，其中所述IoT结构包括应用层（2），所述应用层（2）包括IoT数据结构层（2b）、IoT存储层（2c）和IoT接口层（2a），所述方法包括以下步骤：

– 指定IoT结构的3D适配矩阵的适配规则（3），所述适配规则（3）使得能够实现指定应用层（2）之间的相关性；

– 采用适配规则（3）用于IoT应用（4），

- 其中对于接口性质、数据结构和存储系统的每个可能组合，所述相关性将IoT接口层的接口性质链接到IoT数据结构的数据结构和IoT存储层的存储系统，使得IoT接口层的存储系统和所有接口性质用于与每个IoT应用的通信。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在采用步骤中，采用适配规则（3）以便当IoT数据结构层（2b）和IoT存储层（2c）被给定时，自动生成IoT接口层（2a）。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述IoT接口层（2a）是IoT REST接口层。

11.根据权利要求9所述的方法，其中在采用步骤中，采用适配规则（3）以便自动生成最优地适合于IoT数据结构层（2b）和IoT存储层（2c）的IoT接口层（2a）。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中在采用步骤中，采用适配规则（3）以便在给定IoT数据结构层（2b）、IoT存储层（2c）和IoT接口层（2a）时通过检查是否IoT数据结构层（2b）的所有可能的数据结构特征已经被定义或被正确地使用来检查IoT数据结构层（2b）的数据结构特征。

13.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中在采用步骤中，适配规则（3）在IoT结构的运行时被采用，以便在IoT数据结构层（2b）、IoT存储层（2c）和IoT接口层（2a）被给定时检查IoT应用（4）的新IoT接口与IoT结构的应用层（2）的一致性。

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