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物联网接入系统架构及关键技术研究

王书龙  
【摘要】:随着物联网技术的发展,越来越多的行业成为了物联网应用的新领域,伴随而来的是海量设备的接入问题。由于这些设备之间相互异构,且数量巨大,如何在现有技术条件下实现对其统一的物联网接入是物联网面临的关键和难点问题。目前,国内外机构和学者已经针对该问题提出不同的接入标准、平台和相关方案,但普遍存在较多问题:一方面传统物联网接入方案需要较高的系统资源代价,成本过高,且接入能力有限;另一方面,各接入方案的架构相互异构,数据格式互不兼容,导致各个系统之间相互孤立。为此,如何基于现有技术条件和接入方案,实现对物联网下“物”的统一接入,具有重要的现实意义。针对以上问题,本文从物联网下“物”的接入特性出发,在对现有“物”的定义、属性和接口进行研究的基础上,对“物”尤其是接入受限设备的物联网接入需求进行研究,并从功能性和非功能性两方面进行详细分析。基于此,为满足物联网下“物”的接入需求,实现“物”的统一接入,对通用性的接入解决方案及关键技术进行详细研究。基于以上研究思路,本文面向物联网下泛在的“物”,提出物联网接入系统(IoT Access System:IoTAS)解决方案。该接入系统屏蔽底层设备的异构性,通过模块化软硬件系统设计,以较低的系统资源代价,实现物联网下“物”的统一硬件接入和统一功能发布。为支持接入系统针对不同领域的具体实现和应用,提出完整的物联网接入系统体系架构,包括接入系统总体架构、物理架构、软件架构和关键技术架构。在此基础上,从硬件接入、资源描述、资源发布等多个方面,对接入系统关键技术进行深入细致的研究,并取得一定的成果。本文的主要研究成果有:(1)面向物联网下海量异构设备,提出物联网接入系统体系架构,解决广泛“物”的统一接入问题。基于对物联网下“物”的接入特性分析,提出“物”的功能性和非功能性接入需求。在现有物联网接入标准、平台和相关方案的基础上,提出物联网接入系统总体架构:IoTAS-OA,从物理架构、软件架构和关键技术架构多个角度对总体架构进行详细分析,并分别提出了混合式接入系统物理架构和基于Multi-Agent的接入系统软件架构,构成完整的接入系统体系架构。(2)提出一种基于多IP(Intellectual Property)核的IoTAS扩展接入接口,解决海量异构设备的统一硬件接入问题。该扩展接入接口以IEEE 1451标准为基础,除实现基本的传感器和执行器设备接入外,依托FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)、IP核设计和复用技术,以较低的硬件资源代价,扩展实现对新型和高速设备的接入支持。在此基础上,针对物联网下多单总线类执行器设备,设计专用的物联网多功能控制IP核,实现该类设备的统一接入。(3)提出一种基于本体的物联网设备资源描述模型ORDM(Ontology-based Resource Description Model),解决接入设备的统一资源描述问题。通过对现有描述模型进行归纳和分析,面向IoTAS接入设备进行领域本体建模,建立物联网设备资源描述模型:ORDM,基于属性、接口、状态和功能多个维度,实现对接入设备的综合资源描述。(4)提出一种基于REST(Representational State Transfer,表述性状态传递)服务发布接口,解决接入系统的统一资源发布问题。在定义基于ORDM的基本资源的基础上,进一步定义了面向复杂设备的复合资源和面向业务功能的规则资源。在详细设计各类资源的RESTful API接口及业务功能实现逻辑的基础上,实现了对接入设备的统一功能发布。(5)提出一种面向IoTAS资源发布的调度算法,支持物联网接入系统下多用户、随机性的资源访问请求,并进一步提升接入系统的资源发布效率。在对IoTAS资源发布的调度问题进行形式化描述的基础上,提出面向资源的非抢占式EDF调度算法,并通过仿真实验进行验证。本文针对物联网接入面临的问题及相关研究现状,提出了物联网接入系统体系架构和各关键实现技术,结合物联网实际应用需求,对典型物联网应用系统(智慧办公室)进行实际开发和部署。通过对系统的测试评估,验证了该接入系统能够满足物联网下“物”的功能性和非功能性接入需求,实现不同应用场景下“物”的统一物联网接入,具有一定的应用和推广价值。


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