基于Web的物聯網應用體系架構和關鍵技術研究

王祎菡

摘要物聯網技術的廣泛應用推動了社會的信息化，極大地提高了工作的效率，對人們的生活造成了一定的影響。不過因為物聯網設備及平臺存在異構性強、耦合度高及擴展能力差等問題而使物聯網出現應用碎片化、開發周期長且門檻較高的現狀。針對上述問題，文章對基于Web的物聯網業務環境架構及關鍵技術進行了研究，設計了WoTSE的架構模型。

關鍵詞物聯網；系統架構；關鍵技術

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0049-01

隨著嵌入式設備研發的深入及物聯網技術的廣泛應用，智能型物體的數目及種類日益增長，使得物聯網設備在人們日常生活中不斷得到普及。數字化、網絡化技術的發展使控制器節點、傳感器節點、射頻識別及電視、空調等家電設備可以利用互聯網協議、無線通信協議實現信息傳遞及交換。物聯網技術引發了信息產業的新一輪浪潮，具有無限的商業價值。基于Web的物聯網應用體系架構和關鍵技術研究具有重大的現實意義。

1物聯網概述

物聯網（The Internet of things）利用具有感知能力、計算能力、執行能力與通信能力的不同設備來獲取物理世界相關信息，并通過網絡連接進行信息傳遞、協同及處理以達到人與物、物與物通信的目的。物聯網感知環節的異構性很強，為達到異構信息間的交流和互操作，需要建立一個開放、分層、可擴展的網絡體系結構作為未來物聯網的框架。

為解決物聯網出現的應用碎片化、開發周期長且門檻較高的問題，產業界已制定出一系列較為成熟的低功耗物理層及傳輸層網絡協議以實現異構設備間的互操作。不過相關技術標準將重心放在網絡層角度將智能物體進行整合，而異構的嵌入式設備間從應用層角度看仍然互相孤立而不兼容。雖然傳感器技術及網絡互聯互通在物聯網技術發展的現階段均已相對成熟，但應用層面上的異構的嵌入式設備應用層標準不同及業務平臺的獨立造成了物聯網業務應用開發門檻高的現狀。為推動物聯網業務應用層面的創新，就需要一個開放、分布式及支持大規模部署的體系架構并為其提供統一的接口標準，保證異構設備及平臺間的相互操作和資源服務的高效整合。

2基于Web的物聯網業務環境架構

WoTSE模型的層次與傳統OSI模型有所不同，并不嚴格要求下層屏蔽上層具體的功能細節。在WoTSE模型中，基于物聯網設備生成智能物聯網應用的開發門檻及易用性隨層次的逐漸疊加而不斷升高。WoTSE的結構層次包括設備接入與能力抽象層、資源聚合層及基礎智能服務支持層三個層次。基于Web的物聯網業務環境層次化模型如圖1所示。

設備接入和能力抽象層是WoTSE結構的第一層，從應用角度看，其主要作用是保證應用可以持續接入不同物理設備提供的相關數據、服務資源。為提出將物聯網設備無縫整合到Web的方案而采用REST風格架構并參照Web標準的設計思想。該層能夠提供將無Internet能力的物聯網設備接入Internet中的基礎服務，也可以將物聯網設備的功能、服務依據REST原則進行抽象以提供對外部開放的服務。一般采用將物聯網設備井智能網關或直接整合方式接入互聯網中。除此之外，該層還需與物聯網應用特點相結合以提供如數據緩存、調度等一些高級的管理功能。

圖1基于Web的物聯網業務環境層次化模型

設備接入和能力抽象層使開發者可以經Web API調用實現對Web化物聯網設備節點上相關數據及服務的直接訪問而降低了應用門檻。不過在業務流程較為復雜的情況下，僅依靠第一層提供的服務開發應用門檻仍然很高，這就需要資源聚合層提供一定的服務。資源聚合層的主要作用是利用業務流程引擎而提供面向資源的業務聚合、生成服務。通過編排、復用業務流程而實現物聯網設備資源和商業應用間的聚合及垮地域、跨領域的服務協作。

物聯網設備可以自動感知環境以獲取物理世界相關信息，而信息的處理及分析可以給用戶提供個性化、智能化服務。WoTSE中的第一層及第二層架構雖為開發者提供了以較低門檻獲取物聯網設備信息及聚合這些資源的服務的能力，不過要實現服務的智能化還需用戶根據自身的特定應用形式的需求處理并選擇基礎數據及服務。這時的構建過程就需要較為專業化的工具而使開發門檻仍然較高。所以基礎智能服務支撐層的主要作用就是面向開發者提供面向資源的上下文建模及推理基礎服務以實現自動化、智能化服務。

WoTSE的具體架構從功能實體角度來說主要包括WoT業務網關（WoT Service Gateway）、WoT網關注冊管理實體（Gateway Registration）、資源搜索管理實體（Resource Discovery）、業務聚合與應用生成實體（Service composition and Application generation）及上下文建模與執行實體（Context Modeling and Execution）。

3基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合方法

WoTSE把智能設備中的數據信息及能力抽象為與REST風格相符的細粒度Web資源，該WoT資源能夠反映出經設備層整合之后輸出的SDS。業務流程往往被建模為BPEL文檔并以XML形式存儲。BPEL引擎可以依據特定的BPEL文檔在生成并初始化流程實例之后進而執行流程。基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合的實現需要BPEL引擎進行支持。既要同時支持對SOAP-based Web Service和RESTful Web Service的綁定及調用，也要支持將通用功能的業務流程抽象為Web Service以被其它應用調用。所以，Web Service適配、WoT智能資源綁定及調用與BPEL業務流復用是基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合方法的重要組成環節。

WoTSE架構模型對于解決物聯網出現的開發周期長且門檻較高問題非常有效。基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合方法在兼容性及互操作性方面均具有一定優勢。不過仍需要深入的研究以進一步優化Web標準在物聯網設備上的應用，使物理網技術能夠為用戶提供更加自動化、智能化的服務。

參考文獻

[1]李奕.物聯網信道模型及相關技術研究[D].天津大學，2012.

[2]劉文懋.物聯網感知環境安全機制的關鍵技術研究[D].哈爾濱工業大學，2013.

endprint

摘要物聯網技術的廣泛應用推動了社會的信息化，極大地提高了工作的效率，對人們的生活造成了一定的影響。不過因為物聯網設備及平臺存在異構性強、耦合度高及擴展能力差等問題而使物聯網出現應用碎片化、開發周期長且門檻較高的現狀。針對上述問題，文章對基于Web的物聯網業務環境架構及關鍵技術進行了研究，設計了WoTSE的架構模型。

關鍵詞物聯網；系統架構；關鍵技術

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0049-01

隨著嵌入式設備研發的深入及物聯網技術的廣泛應用，智能型物體的數目及種類日益增長，使得物聯網設備在人們日常生活中不斷得到普及。數字化、網絡化技術的發展使控制器節點、傳感器節點、射頻識別及電視、空調等家電設備可以利用互聯網協議、無線通信協議實現信息傳遞及交換。物聯網技術引發了信息產業的新一輪浪潮，具有無限的商業價值。基于Web的物聯網應用體系架構和關鍵技術研究具有重大的現實意義。

1物聯網概述

物聯網（The Internet of things）利用具有感知能力、計算能力、執行能力與通信能力的不同設備來獲取物理世界相關信息，并通過網絡連接進行信息傳遞、協同及處理以達到人與物、物與物通信的目的。物聯網感知環節的異構性很強，為達到異構信息間的交流和互操作，需要建立一個開放、分層、可擴展的網絡體系結構作為未來物聯網的框架。

為解決物聯網出現的應用碎片化、開發周期長且門檻較高的問題，產業界已制定出一系列較為成熟的低功耗物理層及傳輸層網絡協議以實現異構設備間的互操作。不過相關技術標準將重心放在網絡層角度將智能物體進行整合，而異構的嵌入式設備間從應用層角度看仍然互相孤立而不兼容。雖然傳感器技術及網絡互聯互通在物聯網技術發展的現階段均已相對成熟，但應用層面上的異構的嵌入式設備應用層標準不同及業務平臺的獨立造成了物聯網業務應用開發門檻高的現狀。為推動物聯網業務應用層面的創新，就需要一個開放、分布式及支持大規模部署的體系架構并為其提供統一的接口標準，保證異構設備及平臺間的相互操作和資源服務的高效整合。

2基于Web的物聯網業務環境架構

WoTSE模型的層次與傳統OSI模型有所不同，并不嚴格要求下層屏蔽上層具體的功能細節。在WoTSE模型中，基于物聯網設備生成智能物聯網應用的開發門檻及易用性隨層次的逐漸疊加而不斷升高。WoTSE的結構層次包括設備接入與能力抽象層、資源聚合層及基礎智能服務支持層三個層次。基于Web的物聯網業務環境層次化模型如圖1所示。

設備接入和能力抽象層是WoTSE結構的第一層，從應用角度看，其主要作用是保證應用可以持續接入不同物理設備提供的相關數據、服務資源。為提出將物聯網設備無縫整合到Web的方案而采用REST風格架構并參照Web標準的設計思想。該層能夠提供將無Internet能力的物聯網設備接入Internet中的基礎服務，也可以將物聯網設備的功能、服務依據REST原則進行抽象以提供對外部開放的服務。一般采用將物聯網設備井智能網關或直接整合方式接入互聯網中。除此之外，該層還需與物聯網應用特點相結合以提供如數據緩存、調度等一些高級的管理功能。

圖1基于Web的物聯網業務環境層次化模型

設備接入和能力抽象層使開發者可以經Web API調用實現對Web化物聯網設備節點上相關數據及服務的直接訪問而降低了應用門檻。不過在業務流程較為復雜的情況下，僅依靠第一層提供的服務開發應用門檻仍然很高，這就需要資源聚合層提供一定的服務。資源聚合層的主要作用是利用業務流程引擎而提供面向資源的業務聚合、生成服務。通過編排、復用業務流程而實現物聯網設備資源和商業應用間的聚合及垮地域、跨領域的服務協作。

物聯網設備可以自動感知環境以獲取物理世界相關信息，而信息的處理及分析可以給用戶提供個性化、智能化服務。WoTSE中的第一層及第二層架構雖為開發者提供了以較低門檻獲取物聯網設備信息及聚合這些資源的服務的能力，不過要實現服務的智能化還需用戶根據自身的特定應用形式的需求處理并選擇基礎數據及服務。這時的構建過程就需要較為專業化的工具而使開發門檻仍然較高。所以基礎智能服務支撐層的主要作用就是面向開發者提供面向資源的上下文建模及推理基礎服務以實現自動化、智能化服務。

WoTSE的具體架構從功能實體角度來說主要包括WoT業務網關（WoT Service Gateway）、WoT網關注冊管理實體（Gateway Registration）、資源搜索管理實體（Resource Discovery）、業務聚合與應用生成實體（Service composition and Application generation）及上下文建模與執行實體（Context Modeling and Execution）。

3基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合方法

WoTSE把智能設備中的數據信息及能力抽象為與REST風格相符的細粒度Web資源，該WoT資源能夠反映出經設備層整合之后輸出的SDS。業務流程往往被建模為BPEL文檔并以XML形式存儲。BPEL引擎可以依據特定的BPEL文檔在生成并初始化流程實例之后進而執行流程。基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合的實現需要BPEL引擎進行支持。既要同時支持對SOAP-based Web Service和RESTful Web Service的綁定及調用，也要支持將通用功能的業務流程抽象為Web Service以被其它應用調用。所以，Web Service適配、WoT智能資源綁定及調用與BPEL業務流復用是基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合方法的重要組成環節。

WoTSE架構模型對于解決物聯網出現的開發周期長且門檻較高問題非常有效。基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合方法在兼容性及互操作性方面均具有一定優勢。不過仍需要深入的研究以進一步優化Web標準在物聯網設備上的應用，使物理網技術能夠為用戶提供更加自動化、智能化的服務。

參考文獻

[1]李奕.物聯網信道模型及相關技術研究[D].天津大學，2012.

[2]劉文懋.物聯網感知環境安全機制的關鍵技術研究[D].哈爾濱工業大學，2013.

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摘要物聯網技術的廣泛應用推動了社會的信息化，極大地提高了工作的效率，對人們的生活造成了一定的影響。不過因為物聯網設備及平臺存在異構性強、耦合度高及擴展能力差等問題而使物聯網出現應用碎片化、開發周期長且門檻較高的現狀。針對上述問題，文章對基于Web的物聯網業務環境架構及關鍵技術進行了研究，設計了WoTSE的架構模型。

關鍵詞物聯網；系統架構；關鍵技術

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0049-01

隨著嵌入式設備研發的深入及物聯網技術的廣泛應用，智能型物體的數目及種類日益增長，使得物聯網設備在人們日常生活中不斷得到普及。數字化、網絡化技術的發展使控制器節點、傳感器節點、射頻識別及電視、空調等家電設備可以利用互聯網協議、無線通信協議實現信息傳遞及交換。物聯網技術引發了信息產業的新一輪浪潮，具有無限的商業價值。基于Web的物聯網應用體系架構和關鍵技術研究具有重大的現實意義。

1物聯網概述

物聯網（The Internet of things）利用具有感知能力、計算能力、執行能力與通信能力的不同設備來獲取物理世界相關信息，并通過網絡連接進行信息傳遞、協同及處理以達到人與物、物與物通信的目的。物聯網感知環節的異構性很強，為達到異構信息間的交流和互操作，需要建立一個開放、分層、可擴展的網絡體系結構作為未來物聯網的框架。

為解決物聯網出現的應用碎片化、開發周期長且門檻較高的問題，產業界已制定出一系列較為成熟的低功耗物理層及傳輸層網絡協議以實現異構設備間的互操作。不過相關技術標準將重心放在網絡層角度將智能物體進行整合，而異構的嵌入式設備間從應用層角度看仍然互相孤立而不兼容。雖然傳感器技術及網絡互聯互通在物聯網技術發展的現階段均已相對成熟，但應用層面上的異構的嵌入式設備應用層標準不同及業務平臺的獨立造成了物聯網業務應用開發門檻高的現狀。為推動物聯網業務應用層面的創新，就需要一個開放、分布式及支持大規模部署的體系架構并為其提供統一的接口標準，保證異構設備及平臺間的相互操作和資源服務的高效整合。

2基于Web的物聯網業務環境架構

WoTSE模型的層次與傳統OSI模型有所不同，并不嚴格要求下層屏蔽上層具體的功能細節。在WoTSE模型中，基于物聯網設備生成智能物聯網應用的開發門檻及易用性隨層次的逐漸疊加而不斷升高。WoTSE的結構層次包括設備接入與能力抽象層、資源聚合層及基礎智能服務支持層三個層次。基于Web的物聯網業務環境層次化模型如圖1所示。

設備接入和能力抽象層是WoTSE結構的第一層，從應用角度看，其主要作用是保證應用可以持續接入不同物理設備提供的相關數據、服務資源。為提出將物聯網設備無縫整合到Web的方案而采用REST風格架構并參照Web標準的設計思想。該層能夠提供將無Internet能力的物聯網設備接入Internet中的基礎服務，也可以將物聯網設備的功能、服務依據REST原則進行抽象以提供對外部開放的服務。一般采用將物聯網設備井智能網關或直接整合方式接入互聯網中。除此之外，該層還需與物聯網應用特點相結合以提供如數據緩存、調度等一些高級的管理功能。

圖1基于Web的物聯網業務環境層次化模型

設備接入和能力抽象層使開發者可以經Web API調用實現對Web化物聯網設備節點上相關數據及服務的直接訪問而降低了應用門檻。不過在業務流程較為復雜的情況下，僅依靠第一層提供的服務開發應用門檻仍然很高，這就需要資源聚合層提供一定的服務。資源聚合層的主要作用是利用業務流程引擎而提供面向資源的業務聚合、生成服務。通過編排、復用業務流程而實現物聯網設備資源和商業應用間的聚合及垮地域、跨領域的服務協作。

物聯網設備可以自動感知環境以獲取物理世界相關信息，而信息的處理及分析可以給用戶提供個性化、智能化服務。WoTSE中的第一層及第二層架構雖為開發者提供了以較低門檻獲取物聯網設備信息及聚合這些資源的服務的能力，不過要實現服務的智能化還需用戶根據自身的特定應用形式的需求處理并選擇基礎數據及服務。這時的構建過程就需要較為專業化的工具而使開發門檻仍然較高。所以基礎智能服務支撐層的主要作用就是面向開發者提供面向資源的上下文建模及推理基礎服務以實現自動化、智能化服務。

WoTSE的具體架構從功能實體角度來說主要包括WoT業務網關（WoT Service Gateway）、WoT網關注冊管理實體（Gateway Registration）、資源搜索管理實體（Resource Discovery）、業務聚合與應用生成實體（Service composition and Application generation）及上下文建模與執行實體（Context Modeling and Execution）。

3基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合方法

WoTSE把智能設備中的數據信息及能力抽象為與REST風格相符的細粒度Web資源，該WoT資源能夠反映出經設備層整合之后輸出的SDS。業務流程往往被建模為BPEL文檔并以XML形式存儲。BPEL引擎可以依據特定的BPEL文檔在生成并初始化流程實例之后進而執行流程。基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合的實現需要BPEL引擎進行支持。既要同時支持對SOAP-based Web Service和RESTful Web Service的綁定及調用，也要支持將通用功能的業務流程抽象為Web Service以被其它應用調用。所以，Web Service適配、WoT智能資源綁定及調用與BPEL業務流復用是基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合方法的重要組成環節。

WoTSE架構模型對于解決物聯網出現的開發周期長且門檻較高問題非常有效。基于BPEL業務流的WoT智能資源聚合方法在兼容性及互操作性方面均具有一定優勢。不過仍需要深入的研究以進一步優化Web標準在物聯網設備上的應用，使物理網技術能夠為用戶提供更加自動化、智能化的服務。

參考文獻

[1]李奕.物聯網信道模型及相關技術研究[D].天津大學，2012.

[2]劉文懋.物聯網感知環境安全機制的關鍵技術研究[D].哈爾濱工業大學，2013.

endprint