物联网中间件研究与设计.docx

1、物联网中间件研究与设计 * 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）：计算机与信息工程学院专 业： 计算机科学与技术 学 生： 指导教师： 完成日期 年 月 * 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文） 物联网中间件研究与设计Research and design of Middleware of Internet of things 学 院（系）： 计算机与信息工程学院 专 业： 计算机科学与技术 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology物联网中间件研究

2、与设计计算机科学与技术 【摘 要】近几年来物联网技术受到了人们的广泛关注。本论文详细介绍了物联网的定义及其网络结构和物联网关键技术如RFID技术、WSN技术等，主要研究了物联网的RFID技术中间件的相关概念的理解和设计。设计了一种带有消息传输机制的面对物联网RFID中间件系统模型，实现了更加有效的数据传输。 【关键词】物联网；RFID技术；WSN技术；中间件；RFID中间件；Research and design of Middleware of Internet of thingsComputer Science and Technology Ma ZengjieAbstract：In re

3、cent years, the Internet of things technology has received the widespread attention. This thesis introduces in detail the definition of the Internet of things and its network structure, and key techniques of Internet of things such as RFID and WSN technology, mainly studies the related concepts of i

4、ot of RFID middleware in the understanding and design. Have designed a kind of message transmission mechanism in the face of the Internet of things of RFID middleware system model and implement the data transmission more effective.Key words：The Internet of things; RFID technology; WSN technology; Th

5、e middleware; RFID middleware;目录1 引言 51.1 选课的目的和意义 51.2 国内外研究的现状和进展 61.3 主要研究的内容 72 物联网概述 82.1 物联网的定义 82.2 物联网的体系结构 92.3 物联网的核心技术 102.3.1 RFID技术 102.3.2 WSN技术 102.3.3 智能技术 112.3.4 纳米技术 123 物联网中间件 133.1 中间件基本概念 133.1.1 中间件的定义及特点 133.1.2 物联网中间件 143.1.3 中间件的分类 153.2 中间件构成 163.3 中间件关键技术 173.3.1 RFID中间件技

6、术 173.3.2 物联网中间件技术指标 183.4 中间件技术的发展及趋势 193.4.1 OMG的CORBA 193.4.2 Sun的J2EE 193.4.3 Microsoft COM/DCOM 203.4.4 中间件发展趋势 214 物联网RFID技术中间件的设计 224.1 RFID技术中间件设计 224.2 中间件工作原理 224.3 中间件的模块设计 234.3.1中间件接口模块 234.3.2 电子编码(EPC)数据处理模块 244.3.3末端读写服务器模块 245 总结与展望 26致 谢 27参考文献 281 引言物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID（射频识别技术，俗

7、称电子标签）、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用各种传感技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。而传感技术，正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在物联网的构想中，传感标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。 国际电信联盟2005年一份报告曾描绘“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动

8、报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。毫无疑问，如果“物联网”时代来临，人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。事实上，在现实生活中已可见物联网的具体应用，如远程防盗、智能图书馆等，只不过这些仅是物联网的雏形，还尚未形成一个庞大的网络。物联网固然构建了一个十分美好的蓝图，但从目前全球状况来，物联网发展面临着众多难题，如实现物联网，首先必须在所有物品中嵌入电子标签等存储体，并需安装众多读取设备和庞大的信息处理系统，而这必然导致大量的资金投入。而物品附属存储体也将导致物品成本的上升，在成本尚未降至能普及的前提下，物联网的发展将受到限制。其次，物联网的发展必然

9、涉及通信的技术标准，而各类层次通信协议标准如何统一则是一个十分漫长的过程。1.1 选课的目的和意义物联网是继计算机、互联网和移动通信之后引发新一轮信息产业浪潮的核心领域，发达国家已纷纷开展物联网领域的规划布局。日韩2004年提出无处不在的信息社会战略（U计划），欧盟委员会2009年提出欧盟物联网行动计划，美国2006年至2009年分别提出“智能微尘”、“信息物理融合系统”、“智慧地球”等战略，我国也于2009年提出“感知中国”， 并将物联网正式纳入“十二五”规划五大战略产业之一。物联网已经开始在军事、工业、农业、环境监测、建筑、医疗、空间和海洋探索等领域投入应用。物联网的问世，打破了传统产业思

10、维模式。过去一直将物理基础设施与IT基础设置分开，一方面是机场、公路、建筑物等；别一方面是数据中心、个人电脑、宽带等。而在物联网时代，所有的物品、电缆、芯片、宽带将整合为统一的基础设施。物联网中间件是物联网的核心关键技术，对该技术的研究受两方面的制约。一方面，受限于底层不同的网络技术和硬件平台，研究内容主要还集中在底层的感知和互联互通方面，距离现实目标包括屏蔽底层硬件及网络平台差异，支持物联网应用开发、运行时共享和开放互联互通，保障物联网相关系统的可靠部署与可靠管理等还有很大差距；另一方面，当前物联网应用复杂度和规模还处于初级阶段，支持大规模物联网应用还存在环境复杂多变、异构物理设备、远距离多

11、样式无线通信、大规模部署、海量数据融合、复杂事件处理、综合运维管理等诸多问题需要攻克。通过物联网软件中间件的研究与设计是解决上述问题的有效方法之一。本文针对物联网关键技术在物联网领域中的应用飞速发展的现状，着重介绍了物联网的技术架构和关键技术，分析了物联网中相关技术,研究并设计了关键技术的中间件。针对物联网发展过程的思考和关键技术处于学习与初步探索，希望能对我国物联网的发展能够产生积极的意义。1.2 国内外研究的现状和进展 1999年MIT Auto-ID Center提出物联网概念，即把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。2004年日本总务省提出u-Ja

12、pan构想中，希望在2010年将日本建设成一个“Anytime，Anywhere，Anything，Anyone”都可以上网的环境。同年，韩国政府制定了u-Korea战略，韩国信通部发布的数字时代的人本主义：IT839战略以具体呼应u-Korea。2005年11月在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了ITU互联网报告2005：物联网，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。2008年11月IBM提出“

13、智慧的地球”概念，即“互联网+物联网=智慧地球”，以此做为经济振兴战略。如果在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，不仅仅能够在短期内有力的刺激经济、促进就业，而且能够在短时间内为国家打造一个成熟的智慧基础设施平台。2009年6月欧盟委员会提出针对物联网行动方案，方案明确表示在技术层面将给予大量资金支持，在政府管理层面将提出与现有法规相适应的网络监管方案。2010年6月，胡锦涛总书记在两院院士大会讲话时强调，要大力发展信息网络科学技术，加快发展物联网技术，推进国民经济和社会信息化。中央关于“十二五”规划的建议中也明确提出了“推进物联网研发应用”。作为下一代信息技术发展的一个非常重要的领域，未来

14、几年将是中国物联网的迅猛发展期，物联网技术与工业等的结合可望成为中国经济新的增长点。2009年8月7日，温家宝总理曾在无锡考察时指出，应高度重视物联网的发展，尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。2009年11月3日，温总理在讲话中再次强调科学选择战略性新兴产业非常重要，指示要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发。国家发改委已将物联网等战略性新兴产业纳入到正在起草的新兴产业发展规划中，表示将通过启动实施一批带动作用强、市场前景好的重大工程和专项。1.3 主要研究的内容本文主要对物联网中间件进行研究及设计，简单介绍了物联网的基本定义及其发展，还着重研究了R

15、FID，WSN等物联网关键技术及其物联网的技术架构，分析物联网中相关技术的通信协议，研究并设计了关键技术的中间件。提出一套物联网中间件设计方法和理论，建立中间件分析验证平台。章节安排安排如下：第一部分为引言，重点介绍选课的目的和意义、国内外的发展现状、趋势，以及本文的主要研究内容。第二部分主要对物联网进行基本概述，包括物联网的起源和发展，物联网的体系结构和物联网的关键技术。第三部分重点介绍物联网中间件，中间件的定义，中间件技术及其中间件的发展。第四部分详细介绍了物联网RFID中间件技术的工作原理，并架构了RFID中间件的整体结构，在此基础上设计了一个中间件系统，对阅读器传来的数据进行过滤、汇总

16、、计算，减少了传往企业应用的大量原始数据。第五部分总结全文，并对未来工作进行展望。2 物联网概述物联网（Internet of Things）概念是由美国麻省理工学院的Kevin Ashton教授在1999年提出。随后麻省理工学院建立了“自动识别中心（Auto-ID）”，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。早期的物联网是依托RFID技术的物流网络，但是随着技术和应用的发展，物联网的内涵已发生较大变化。国际电信联盟（ITU-T）在2005年发布的物联网报告中提到，通过一些关键技术，将现有互联网渗透到物理世界，构成物联网。这些关键技术包括RFID、传感器、机器人技术、嵌入式智能和

17、纳米技术等。目前物联网已经覆盖很多行业，如图2.1所示：图2.1物联网2.1 物联网的定义物联网（Internet of Things，IOT）的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。从技术上理解，物联网理解是指物体通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。从应用上理解，物联网是指把世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与先有的互联网

18、结合，实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和生动的方式管理生产和生活。2.2 物联网的体系结构目前在业界物联网体系架构大致被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层。如图2.2所示：图2.2物联网体系结构感知层是物联网的皮肤和五官，主要是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、GPS、传感器、自组织网络、传感器网络等。网络层是物联网的神经中枢和大脑，主要将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。网络层包括接入层和核心网。接入网为终端提供基本的网络

19、接入功能、移动性管理、对现有接入技术的优化等，接入网包括各种有线接入、无线接入、卫星等技术。核心网是基于IP的统一、高性能、可扩展的分组网络，支持异构接入以及移动性。核心网与已有电信网络和互联网络的基础设施很大程度上重合。应用层是物联网的“社会分工”，主要与行业需求结合，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现信息的存储、数据的挖掘、应用的决策。具体说就是将通信网络上层的应用信息进行翻译和传输，进行数据收集和集成，将所有的数据存储、智能分析等，根据人们的需要将结果呈现给用户。2.3 物联网的核心技术物联网核心技术包括射频识别（RFID）装置、WSN网络、红外

20、感应器、传感器、全球定位系统、Internet与移动网络，网络服务，行业应用软件。在这些技术中，又以底层嵌入式设备芯片开发最为关键，引领整个行业的上游发展。2.3.1 RFID技术RFID(Radio Frequency Identification的)，即射频识别，俗称电子标签。 RFID射频识别是一种利用射频通信实现非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。它是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。最基本的RFID系统由三部

21、分组成：标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线 间进行通信。每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。如图2.3所示：图2.3 RFID识别原理图RFID技术的基本工作原理是标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号，读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。2.3.2 WSN技术WSN是wireless sensor network的简称，

22、即无线传感器网络。传感器网络的发展历程分为以下三个阶段：传感器无线传感器无线传感器网络。通过微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。如图2.4所示：图2.4 无线传感器网络体系结构无线传感器网络（WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络的三要素由传感器、感知对象和观察者构成。它将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变

23、了人类与自然界的交互方式。无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。2.3.3 智能技术智能技术是为了有效地达到某种预期的目的利用知识所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使得物体具备一定的智能性能够主动或被动的实现与用户的沟通，也是物联网的关键技术之一。主要的研究内容和方向包括：人工智能理论研究(1) 智能信息获取的形式化方法；海量信息处理的理论和方法；网络环境下信息的开发与利用方法。(2) 先进的人-机交互技术与系统声音、图形、图像、文字及语言处理；虚

24、拟现实技术与系统；多媒体技术。 (3) 智能控制技术与系统物联网就是要给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，甚至实现物体与物体互相间的沟通和对话。为了实现这样的目标,必须要对智能控制技术与系统实现进行研究。例如：研究如何控制智能服务机器人完成既定任务(运动轨迹控制、准确的定位和跟踪目标等)。(4) 智能信号处理信息特征识别和融合技术、地球物理信号处理与识别。2.3.4 纳米技术纳米技术，是研究结构尺寸在0.1100 nm范围内材料的性质和应用，主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，

25、纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。使用传感器技术就能探测到物体物理状态，物体中的嵌入式智能能够通过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的威力，而纳米技术的优势意味着物联网当中体积越来越小的物体能够进行交互和连接。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。更快，是指响应速度要快；更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响是巨大的。纳米电子学，包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光、电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。3 物联网中间件随着网络技术的迅速发展，许多应用程序需要在异构

26、的平台上运行。在这种分布式异构环境中，通常存在多种硬件系统平台，在这些硬件平台上，又存在各种各样的系统软件。如何把这些硬件和软件系统集成起来，并在网络上互通互联，是非常现实和困难的问题。为解决分布异构的问题，人们提出了中间件的概念。中间件是介于前端读写器硬件模块与后端应用软件之间的重要环节，是物联网应用运作的中枢。3.1 中间件基本概念如果说软件是物联网的灵魂，中间件(Middleware)就是这个灵魂的核心。物联网中间件处于物联网的集成服务器端和感知层、传输层的嵌入式设备中。 服务器端中间件称为物联网业务基础中间件，一般都是基于传统的中间件(应用服务器、ESB/MQ等)构建，加入设备连接和图

27、形化组态展示等模块; 嵌入式中间件是一些支持不同通信协议的模块和运行环境。物联网中间件是物联网应用的共性需求（感知、互联互通和智能），与已存在的各种中间件及信息处理技术，包括信息感知技术、下一代网络技术、人工智能与自动化技术的聚合与技术提升。一方面，受限于底层不同的网络技术和硬件平台，物联网中间件研究主要还集中在底层的感知和互联互通方面，现实目标包括屏蔽底层硬件及网络平台差异，支持物联网应用开发、运行时共享和开放互联互通，保障物联网相关系统的可靠部署与可靠管理等内容；另一方面，当前物联网应用复杂度和规模还处于初级阶段，物联网中间件支持大规模物联网应用还存在环境复杂多变、异构物理设备、远距离多样

28、式无线通信、大规模部署、海量数据融合、复杂事件处理、综合运维管理等诸多仍未克服的障碍。因此物联网中间件就是构建一个模块化、高可靠性、高扩展性、易于维护、易于使用、支持快速开发、标准调用的物联网中间能力层。3.1.1 中间件的定义及特点中间件有两层含义。从狭义的角度，中间件意指Middleware，它是表示网络环境下处于操作系统等系统软件和应用软件之间的一种起连接作用的分布式软件，通过API的形式提供一组软件服务，可使得网络环境下的若干进程、程序或应用可以方便的交流信息和有效的进行交互与协同。简言之，中间件主要解决异构网络环境下分布式应用软件的通信、互操作和协同问题，它可屏蔽并发控制、事务管理和

29、网络通信等各种实现细节，提高应用系统的易移植性、适应性和可靠性。从广义的角度，中间件在某种意义上可以理解为中间层软件，通常是指处于系统软件和应用软件之间的中间层次的软件，其主要目的是对应用软件的开发提供更为直接和有效的支撑。 综上概括中间件定义为： 独立的系统软件或服务程序。 应用于客户机、服务器的操作系统之上。 用于管理计算机资源和网络通信。 连接两个独立应用程序或独立系统的软件。 相连系统即使具有不同接口，利用中间件仍然能相互交换 信息。 执行的关键途径是信息传递。如图3.1所示：图3.1 中间件示意图中间件的特点： 满足大量应用的需要 运行于多种硬件和OS平台 支持分布计算，提供跨网络、

30、硬件和OS平台的透明应用或服务交互 支持标准的协议 支持标准的接口3.1.2 物联网中间件美国最先提出物联网中间件（The Internet of Things Middleware，IOT-MW）的概念。美国企业在实施射频识别项目改造期间，发现复杂度和难度最高的问题，是如何保证将射频识别的数据正确导入企业管理系统。物联网中间件用于实现射频识别硬件以及配套设备的信息交互和管理，同时作为一个软件和硬件集成的桥梁，完成与上层复杂应用的信息交换。物联网中间件起到一个中介的作用，它屏蔽了前端硬件的复杂性，并将采集的数据发送到后端的网络。物联网中间件可以在众多领域应用，需要研究的范围也很广，既涉及多个行

31、业，也涉及多个不同的研究方向。如图3.2所示：图3.2 物联网中间件的作用因此在物联网中采用中间件技术，以实现多个系统和多种技术之间的资源共享，最终组成一个资源丰富、功能强大的服务系统。3.1.3 中间件的分类中间件所包括的范围十分广泛，针对不同的应用需求涌现出多种各具特色的中间件产品。因此，在不同的角度或不同的层次上，对中间件的分类也会有所不同。基于目的和实现机制的不同，业内将中间件分为以下主要几类： 远程过程调用中间件（Remote Procedure Call） 面向消息的中间件（Message-Oriented Middleware） 对象请求代理中间件（Object Request Brokers）远程过程调用中间件（RPC）是另外一种形式的中间件，广泛使用的分布式应用程序处理方法。主要分为两个部分：server和Client。它的工作方式如下：server提供一个或多个远程过程；client向server发出远程调用。server和client可以位于同一台计算机，也可以位于不同的计算机，甚至运行在不同的操作系统之上。它们通过网络进行通讯。相应的stub和运行支持提供数据转换和通讯服务，从而屏蔽不同的操作系统和网络协议。在RPC模型中，client和server只要具备了相应的RPC接口，并且具有RPC