物联网传感器技术：中间件的设计目标及功能实现

中间件应用越来越广泛，已成为解决众多系统问题的基本手段。在三网融合以及与物联网的下一步融合中，如基于Java技术的中间件以及面向DVB广播电视接收器、IPTV终端和Blu-Ray播放器等末端设备和头端系统的数字电视中间件标准已经得到广泛的应用，如GEM欧洲电信标准学会（ETSI）标准和ITU推荐标准已成为今天的主流。在物联网的软件和硬件中，应用的软件又被称为中间件。此外物联网领域还由一些硬的中间件，如RFID在物联网中，它也可称为一种硬的中间件。根据不同的特点和技术阶段，还可进行不同的定义。如在安防领域，随着应用功能的增加和复杂度的提高，形成了“大安防”的理念，系统涉及各种终端形态、智能识别、GIS、门禁、报警监测、停车场管理、监控与数据采集（SCADA）、流媒体交换、视讯会议、应急管理与联动、安检防范、消防联网、国土资源安全（地震灾害、滑坡、桥梁、隧道监测等）、电工考场、教学应用等各种业务。安防应用集成中间件的概念应运而生，国内一些安防厂商已开展安防中间件的研发。

1.设计目标

在物联网中间件的设计中，读写器在读取RFID标签并识别出数据编码后，可对读取进来的标签信息进行数据平滑、校验以及暂存等一些系列操作。数据经过中间件处理，对于不同标准的读写器，要考虑系统的维护成本。如果加入一个新的标准或者当一个RFID标准改变了其中的数据格式，只需修改系统的相关组件，而不必改动整个系统的结构，这样就不会变更数据库的存储方式，就可降低系统的成本。

2.功能实现

中间件不仅可以为应用程序提供集成功能，还可以提供数据过滤功能来减少从读写器到应用程序的数据量，同时为标签物体或其他对象提供与应用程序之间的稳定通信和实时信息。通常，物联网中间件具有读写器接口、事件管理器、应用程序接口、对象信息服务（Object Information Service，OIS）以及对象名称解析服务（ONS）等功能。物联网中间件的功能模块结构如图4-5所示。

图4-5 物联网中间件功能模块结构

（1）读写器接口

物联网中间件必须优先为各种形式的读写器提供集成功能，读写器接口即是实现此项功能的重要组成部分。协议处理器确保中间件能够通过各种网络通信方案连接到RFID读写器，如RS-232、TCP/IP等接口及各自的数据交换协议与应用程序通信，因此协议处理器使得来自很多不同生产厂商的读写器能够以无缝方式与中间件应用程序相互作用。早期的读写器只用唯一的通道周期性地轮流检测读写器来得到标签数据，但如今开发出的读写器有两个通道：一个是所谓的控制通道，用来处理应用程序发出的指令和对应用程序的响应；另一个是通知通道，它取代了轮流检测方式，以异步方式自动将标签信息传输给应用程序。

读写器完成阅读后，读得的标签数据以该阅读周期被发送到应用程序。只要标签在读写器的工作范围内，对它的阅读指令就被不断地发送给应用程序。同时，所制定的规范提出了根据减少引入的标签数据规模的需要，确定事件产生的办法。每当标签被第一次发现时，便产生事件“TagSeen”。当标签在某时间段内瞄准一系列阅读周期时，便产生“FirmRead”事件。若标签先前产生了一个“FinnRead”事件，但是还没有到预先已设定的时间间隔，则产生一个“TagExpired”事件；此外，若标签的状态保持在“SoftRead”状态，而且标签不被阅读，则此时会发出“TagVanished”事件。这种方法去除了对于相同标签的多余传送步骤，使进入的信息量大为减少。

事件生成器在物联网中间件中发挥着重要作用，不但为每个引入的标签数据生成事件，并传送给事件管理器，而且类似模拟器那样，为了支持应用程序的开发，在没有物理读写器连接时，产生虚拟标签事件数据。

（2）事件管理器

事件管理器（EM）用于对来自读写器接口的RFID事件数据进行过滤、聚合和排序操作，并且再通告数据与外部系统相关联的内容。从读写器来的RFID事件数据的传输速率从每秒几十个到每秒上百个事件，进行适当的过滤处理就显得尤其重要，除去那些多余的和非必需的信息。过滤所使用的规则主要取决于所涉及的服务类型。

过滤器是用来去除多余的标签阅读事件，提高阅读区域和物体运动的速率。在完成阅读任务读写器，系统会将冗余数据报告给应用程序，直到标签离开该区域为止。由于RFID读写器不能100%准确地报告标签数据，或当此区域附近有未预料到的标签物体经过时，也可能产生意外读取，此时则需要应用滤波算法。这就类似于读写器接口的数据生成器“Fi-nnRead”事件的功能，每个标签都有其唯一的ID，若该ID和预先设定的编码相匹配，则过滤器允许其传输到应用程序，当两者不匹配时，就会被忽略掉。若标签物体被放在一起，则多个读写器能够报告相同的标签数据，而且结果与相同的语法操作有关。当读写捕捉某仓库的进货数据情况时，就需要应用协调算法从来自众多的读写器标签数据中选择一个数据。是否过滤标签数据，要看有关事件是否与用户应用程序相关联。过滤了的数据能够被快速传送给其他过滤器进行更深入的处理，或者为了发送到外部程序而先记录下来。

（3）应用程序

接口应用程序是使应用程序能够控制读写器（其中服务接收器（SL）接收应用程序系统的指令），提供XML-RPC、SOAP-RPC、Web-Serv-ice类的通信功能。消息处理器分析传送的指令，并将其结果传送到读写器接口中的命令处理器，命令处理器响应后传回应用程序系统。

Auto-ID中心通过Savant设计应用程序接口，包括3个区分明显的层，如图4-6所示。内容层对在Savant和应用程序之间进行交换的抽象信息进行详细解释。信息层详细说明抽象的信息是怎样被编码、封装和转换的。传输层有两种信息通道，其一是控制通道，用于Savant和应用程序之间的请求/响应命令；其二是通知通道，用于由Savant将单向传输的信息异步地传送给应用程序。几乎所有的读写器都不同时支持两种信息通道。因此，要求中间件必须提供相应模块，通过执行控制通道的轮流检测机制实现两种信息通道。(www.xing528.com)

图4-6 中间件三层体系结构

（4）对象信息服务

对象信息服务（OIS）由两部分组成：一个是目标存储库，用于存储与标签物体有关的信息，并使之能供后续查询；另一个是服务引擎，提供目标存储库管理的信息接口。

3.结构选择

系统结构的选择是十分重要的，计算机体系结构经历了主机集中的终端方式、C/S结构、B/S结构，以及现在使用越来越普遍的多层次客户端/服务器（C/S）结构。传统的分布式系统采用客户端/服务器（C/S）两层结构，客户端往往过于庞大，负载过重，导致“胖客户端”产生，而且系统维护成本提高。在这种传统模式下开发的系统，移植性和可扩展性较差，开发和维护繁杂，不能适应不断增长的多方面需求。分布式多层结构模式的出现很好地解决了两层C/S结构的上述问题。三层结构描述是将客户端的事务处理逻辑独立出来而单独构成一层，即应用层。这样，客户层、应用层和原有的数据层便形成了一个三层体系结构，如图4-7所示。

在以中间件为平台的应用系统中，客户端提出的服务请求不是直接提交给数据库的，而是通过中间件提供的高速数据特点传送至服务器，进而提交给数据库的。同时交易服务中与数据库无关的逻辑处理也由中间件完成，这样就分担很多原来需要数据库完成的工作，提高了系统的工作效率。

图4-7 应用程序接口的层次结构

客户层又称为表示逻辑层，其表现形式为用户界面，其主要功能是实现用户交互和数据表示，为以后处理收集信息，向第二层业务逻辑请求调用核心服务处理，并显示结果。

应用层又称为业务逻辑层，实现核心业务逻辑服务，将这些服务按名字广播、管理并接受客户服务请求，向资源管理器提交数据操作，同时将处理结果返回给请求者、客户或其他服务器。

数据层又称为数据逻辑层，负责管理应用系统数据资源，完成数据操作；应用层的服务器组件在完成服务的过程中，通过数据层资源管理存取相关数据。

中间件三层结构模式是应用系统的基础，既作为底层支撑环境，又作为客户端和服务器的连接纽带，使系统成为一个有机、高效的整体，主要可提供下面两个功能：

1）负责客户端与服务器之间的联系与通信，并提供了客户层和应用层之间、应用层与应用层之间、应用层与数据层之间、数据层与数据层之间的连接和完善的通信机制；

2）提供了一个三层结构应用开发和运行的平台。

中间件为建立运行、管理和维护三层的体系结构的应用提高了一个基础框架，降低了应用开发、管理和维护的人力/物力成本，提高了成功率，真正使大型企业应用的高效实现成为可能。