物聯網開放服務平臺

榮浩，江凌云

（1.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003；2.江蘇南郵物聯網科技園有限公司，江蘇南京210003）

運營技術廣角

物聯網開放服務平臺

榮浩1，2，江凌云1，2

（1.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003；2.江蘇南郵物聯網科技園有限公司，江蘇南京210003）

針對目前物聯網以垂直服務系統為主、缺乏跨系統的資源共享等問題，提出了一個可擴展的物聯網智慧服務體系架構。在此基礎上構建了統一的服務數據模型，通過消息發布中間件，屏蔽底層設備的數據結構、數據平臺、操作系統等多源異構問題，加入認證授權機制，從而形成一個可擴展、可以接入各種服務、安全可靠的物聯網智慧開放服務平臺。最后設計了物聯網開放服務平臺的系統原型，通過實現具體的應用系統，驗證了所提架構的可行性與優越性。

物聯網；服務平臺；數據模型；中間件

1 引言

物聯網［1，2］通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。傳統的物聯網在靈活性、開放性、可擴展性等方面不能滿足不斷增長的用戶定制需求，物聯網與Web的融合在一定程度上打破了物聯網封閉高耦合性的局面，促進了物聯網智慧服務的開放共享。

然而，目前不同的智慧服務常常只針對特定場景，相互獨立［3］。如何將各種異構的智能設備的數據傳送到同一個數據面，并有效地實現不同應用功能之間在數據、業務邏輯及統一門戶上的相互融合，實現一個共用的物聯網智慧服務應用平臺［4］是非常有研究價值的。

隨著基于物聯網的服務應用日益增長，產生了龐大的數據群，不同服務數據存在的形式互不相同，在做數據統計和分析時有諸多不便［5］。此外，由于各種組織在建立自己的應用系統及存儲數據時，缺乏統一的規劃和管理，往往采用不同的實現技術和存儲技術，這些問題也造成了數據多源異構［6，7］的現象，導致了物聯網智慧服務應用在數據采集和數據傳輸中出現信息“孤島”［4］，難以實現數據的充分共享。

當前，物聯網技術在智能健康、智能環保、智慧農業、智能家居等各個領域發揮著重大作用，為人類提供了方便、快捷、可靠的生活方式。但當前物聯網智慧服務平臺的開放認證授權機制［8］存在著過度授權等方面的缺陷，而物聯網設備具有較高的安全性需求，因此在開放平臺中良好的認證授權機制是保護用戶私密設備信息的重要環節。

研究物聯網開放服務平臺需要考慮以下3方面關鍵因素：

·構建統一的服務數據模型，設計相應的服務數據中間件，消除異構數據的差異性；

·設計消息發布中間件，提供開放的服務調用接口；

·設計一種符合物聯網開放平臺特性的認證授權機制，實現用戶授權的可控性，保護用戶信息安全。

基于上述分析，本文設計了一個可擴展的物聯網智慧服務體系架構，尤其是構建了統一的服務數據模型，通過消息發布中間件，屏蔽物聯網智慧服務底層采集設備的數據結構、數據平臺、操作系統等多源異構問題，統一數據格式，通過接口暴露給用戶，并且加入了認證授權機制，從而形成了一個可擴展、可以接入各種服務、安全可靠的智慧服務平臺。

2 智慧開放服務平臺設計

針對開放系統演化及其應用問題，介紹了一種具有良好的構造性和演化性的服務平臺架構及統一的服務數據模型，同時引入服務感知中間件及授權機制。

2.1 智慧開放服務平臺架構

智慧開放服務平臺體系架構（如圖1所示）由下至上主要包括服務支撐層、服務感知中間件、業務融合層和應用層4個層次。各層主要功能如下。

圖1 開放服務平臺體系架構

·服務支撐層：能夠接入不同的設備或者服務，用于提供對不同粒度構件的“即插即用”支持，比如接入各種數據流（如信息流、感知流），從而利用不同的信息輸入或輸出實現智慧服務的接入支撐。

·服務感知中間件：獲取服務支撐平臺的各種異構服務數據，是智慧服務平臺獲取服務資源信息及其自身狀態變化不可或缺的過程和手段，從而可以提供多樣化、個性化、可擴展化的數據服務，實現在服務支撐平臺和業務融合層之間傳遞信息。

·業務融合層：獲取感知中間件提供的各種開放信息，對各種信息進行整合處理，為最高層應用層提供各種應用服務。

·應用層：特定行業針對自身需求，創建物聯網應用。

2.2 服務感知中間件

服務感知中間件是整個平臺的核心功能構件，負責支撐整個平臺的數據解析以及服務的發布訂閱，是溝通底層數據流接入與上層業務融合的中間橋梁與紐帶。

服務感知中間件是智慧服務平臺獲取服務資源信息以及其自身狀態變化預測的不可缺少的過程，也是系統可擴展、面向服務化的直接驅動力。本文首先基于已有的知識表達法，采用自頂向下的方式對服務資源進行抽象建模，提出一種通用的、易擴展的服務感知中間件框架（如圖2所示），具體包括服務訪問控制層、服務信息處理層和服務信息獲取層，在此基礎上，描述了感知中間件的構造方法和簡單的服務數據交互原型。

圖2 服務感知中間件架構

（1）服務信息獲取層

該層主要負責對平臺所處的服務資源和事件信息流進行采集預處理并傳輸。其中，感知流可以是傳統的物聯網傳感器節點采集到的數據，用于實時采集感知信息；事件流可以有服務告警信息等；而其他的接入流可以是第三方的服務提供者提供的數據流信息。在這一層通過統一的編程接口對各種異構的服務信息進行捕捉，以降低服務之間的耦合度。服務信息預處理模塊主要負責將各種接入平臺的數據流的原始粗糙服務數據轉換成統一的格式（XML和JSON格式［9］），為后續的服務信息存儲到數據庫以及解析和處理提供通用的標準化數據源。

（2）服務信息處理層

該層主要負責對下層解析過來的標準數據源進行處理，實現服務信息的融合和事件的管理，包括服務信息庫模塊、服務信息管理模塊、服務聚合和事件處理模塊，其中服務信息庫可以是關系型數據庫，比如Oracle和MySQL數據庫，負責處理數據源的增/刪/改/查工作。

（3）服務訪問控制層

該層采用同步服務請求和異步通知相結合的技術，通過統一的服務開放接口，可以實現高效穩定的服務訪問查詢服務。主要包括服務查詢和面向業務融合層的接口模塊。

2.3 服務數據模型

智慧服務數據是服務支撐層接入的各類數據流，是平臺運營最為重要的構件，包括兩方面的含義：自身承載的基本信息，如溫度傳感器數據、心跳數據、智能交通數據；與其他信息元素之間的關聯關系，這是一個層次型的關系，如溫度傳感器和濕度傳感器可以歸為環境監控參數服務、心跳血壓等數據可以劃分為智能健康服務［10］，這些關系信息承載著服務數據的上下文組織方式。針對這種關聯關系，構建了一個通用的、易擴展的、具有層級遞歸關系的服務數據模型（service data model），如圖3所示。

圖3 服務數據模型

服務的數據結構分為服務數據的屬性、服務數據的資源分類以及服務數據發布接口，其中Property接口負責描述數據類型及具體值，比如獲取溫度參數、健康參數；Resource接口負責描述服務數據的所屬分類，如劃分成智能健康、智能交通類別；最上層的ServiceData接口負責接收并發送數據，一個ServiceData接口可以由若干服務數據分類和若干子服務數據組成，是一對多的關系。

服務數據模型=＜ServiceData，Resource，Property＞，這是一個三元組的模式，服務數據接口是一組服務資源分類R（Resource）組成的集合，即Service=｛}，（n）。

服務資源分類可以由若干個子服務資源和屬性組成，令Property=P，即（i＞0）。P是由屬性名和屬性值組成的一個二元組，即＜key，value＞集合，其中key表示屬性名，value表示屬性值。

有了如上的定義，采用樹型拓撲結構，將各個服務數據按照其所屬類別及其層次關系組織起來，這樣可以得到一種通用的、容易擴展和能夠統一傳輸的服務數據模型（如圖4所示），為整個平臺提供通用的標準化數據源。

圖4 服務數據模型

服務數據模型由服務資源分類和服務屬性兩個節點組成：它是一種多叉樹的形式，圓形節點表示服務資源分類節點，每個服務資源分類里面又可能包含子服務分類資源和多個服務屬性節點，為了便于系統標識，每個節點的名稱是唯一的；方形節點表示服務屬性節點，隸屬于服務資源分類節點，每個節點都承載了具體的服務數據，用＜key，value＞的鍵值映射集合形式存儲信息，例如＜“temperature”：“32℃”＞。

整個平臺的服務數據均采用key-value鍵值進行存儲，方便數據進行解析交換傳輸，也有利于第三方服務提供商將自己的服務數據接入開放服務平臺中。

2.4 服務數據發布中間件

消息發布中間件［11］的加入可以屏蔽物聯網智慧服務應用底層采集設備的數據結構、數據平臺、操作系統等多源異構問題，提供統一的訪問接口，使上層業務開發維護更加方便，并且可以解決異構數據不能相互傳輸、管理和查詢的問題；解決物聯網服務數據“孤島”問題。設計的服務數據發布中間件架構如圖5所示。

消息發布中間件模型處于服務感知中間件與應用層之間，該架構的核心思想是，應用層用戶通過API向中間件發送獲取服務數據的請求，中間件系統根據查詢信息對服務感知中間件提供的數據進行訪問，并最終以統一的數據格式返回給請求側。

圖5 消息中間件架構

采用RESTful Web services［11，12］來實現消息發布中間件。REST具有跨平臺、跨語言的優勢，相比Web服務領域廣為流行的RPC，REST式的Web服務形式更簡單、設計更輕量、實現更快捷。在REST架構風格中，對象被抽象為一種資源，資源的命名使用概念清晰的名詞來定義。而在定義的數據模型中，也是將每個傳感設備感知的數據信息定義為資源，并以URI的方式定義資源標識，兩者不謀而合。

消息中間件以HTTP參數形式將設備的數據推送到每個用戶服務器上，用戶需經過URL解碼得到JSON格式數組，數據結構為：datas=［｛xxxx}，｛xxxx}…］。用戶在享受服務的同時，也可以利用服務數據開發自己的創新應用。

3 系統實現與展示

基于以上設計，按照如圖1所示架構對系統進行了搭建，實現了對異構傳感設備數據的應用和控制。系統包括家居傳感設備、醫療傳感設備、物聯網網關、服務器平臺和Web應用。其中，醫療感知設備包括體溫、心跳、血壓、血糖等傳感器，家居感知設備包括溫度、濕度、煙霧、門禁等傳感器。異構的設備通過ZigBee、Wi-Fi或IP方式接入物聯網網關。通過網關實現與互聯網的連接，物聯網服務平臺通過以太網與物聯網網關通信。

3.1 服務數據接口展示

采用統一的服務數據模型，以RESTful Web services方式提供開放服務接口。同時加入服務授權機制，保護用戶信息的安全。圖6是用戶調用服務數據的案例展示。首先認證用戶的操作權限，然后進行授權并返回授權號（32 bit字符串），最后根據授權號與設備類型獲取服務數據。

圖6 服務數據調用案例

3.2 應用系統展示

基于上述開放接口，搭建了一個物聯網智慧家居監控平臺（如圖7所示），提供對家居系統中溫度、濕度、煙霧、電量等參數的在線監控服務以及告警服務，同時實現了反向對燈光或窗簾等設備的控制服務。

圖7 物聯網智慧家居監控平臺

4 結束語

物聯網開放服務平臺能夠為物聯網服務的多樣性提供支撐，對未來推進物聯網的發展極為重要。本文提出的可擴展的物聯網智慧服務體系架構，通過構建統一的服務數據模型及消息發布中間件，屏蔽了底層設備的數據結構、數據平臺、操作系統等多源異構問題，統一數據格式，通過接口暴露給用戶，加入認證授權機制，從而形成一個可擴展、可以接入各種服務、安全可靠的物聯網智慧開放服務平臺。目前，本系統尚處于原型開發階段，尚有諸多功能有待完善。

［1］胡向東.物聯網研究與發展綜述［J］.數字通信，2010，37（2）：17-21.HU X D.Overview of the research and development of the internet of things［J］.Digital Communication，2010，37（2）：17-21.

［2］孫其博，劉杰，范春曉，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述［J］.北京郵電大學學報，2010，33（3）：1-9.SUN Q B，LIU J，FAN C X，et al.Internet of things：summarize on concepts，architecture and key technology problem［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2010，33（3）：1-9.

［3］紀陽，成城，唐寧.Web of Things：開放的物聯網系統架構研究［J］.數字通信，2012（5）：14-19.JI Y，CHENG C，TANG N.Web of Things：open real networking system schema［J］.Digital Communication，2012（5）：14-19.

［4］黃明亮.物聯網開放平臺的研究與設計［D］.青島：中國海洋大學，2013：1-3.HUANG ML.The research and design of the open platform of the internet of things［D］.Qingdao：Ocean University of China，2013：1-3.

［5］程冬梅，王瑞聰，劉燕，等.基于REST架構風格的物聯網服務平臺研發［J］.計算機工程與應用，2012，48（14）：74-78.CHENG D M，WANG R C，LIU Y，et al.Research and development of internet of things service platform based on REST-style architecture［J］.Computer Engineering and Applications，2012，48（14）：74-78.

［6］SARKAR C，UTTAMA N S N A，PRASAD R V，et al.DIAT：a scalable distributed architecture for IoT［J］.IEEE Internet of Things Journal，2015，2（3）：230-239.

［7］PARK D H，BANG H C，PYO C S，et al.Semantic open IoT service platform technology［C］/The 2014 IEEE World Forum on Internet of Things（WF-IoT），March 6-8，2014，Seoul，Korea.New Jersey：IEEE Press，2014：85-88.

［8］CIRANI S，PICONE M，VELTRI L.IoT-OAS：an OAuth-based authorization service architecture for secure services in IoT scenarios［J］.IEEE Sensors Journal，2015，15（2）：1224-1234.

［9］JSON［EB/OL］.［2015-10-12］.http：//www.json.org/.

［10］任菁菁，何前鋒，金甌，等.感知健康、智能醫療——物聯網在醫療健康領域的應用［J］.中國信息界：e醫療，2011（3）：46-48.REN J J，HE Q F，JIN O，et al.Perception of health，intelligent health care-the application of the internet of things in the field of medical and health［J］.E-Healthcare，2011（3）：46-48.

［11］RICHARDSON L，RUBY S.RESTful Web Services［M］.Cambridge：O’Reilly Media，2007：199-204.

［12］ALLAMARAJU S.RESTFUL Web Services Cookbook：Solutions for Improving Scalability and Simplicity［M］.Sunnyvale：Yahoo Press，2010：131-145.

Open service platform for IoT

RONG Hao1，2，JIANG Lingyun1，2
1.College of Communication and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China
2.Jiangsu Nanyou IoT Science Park Co.，Ltd.，Nanjing 210003，China

Currently，there are still some problems with IoT，specifically in：one is that the IoT gives priority to vertical service system；another is the lack of cross-system resource sharing.To solve the above problems，a scalable intelligence service architecture of IoT in which a unified service data model was proposed and a message middleware were built to overcome the multi-source heterogeneous problems in the data structure，data platforms and operating systems.In addition，a usage authorization mechanism was proposed to support security and privacy in the IoT environment，contributing to a scalable，secure and reliable intelligence open service platform for IoT.Finally，a prototype system was designed and concrete system was given to verify the feasibility and superiority of the proposed architecture.

IoT，service platform，data model，middleware

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016034

2015-11-12；

2015-12-04

榮浩（1991-），男，南京郵電大學碩士生，主要研究方向為物聯網技術與應用。

江凌云（1971-），女，南京郵電大學副教授，主要研究方向為下一代網絡、物聯網技術與應用。