基于SOS技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)

引言

物聯(lián)(Internet of Things, IoT)是指將各種信息傳感設(shè)備、 傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID電子標簽、儀表、條碼、二維碼和GPS 接收儀等同人們感興趣的物體以無線或有線的方式連接起來, 使這些物體可以提供本身及其所在環(huán)境的實時信息，這些信 息通過網(wǎng)關(guān)及傳輸網(wǎng)絡(luò)(互聯(lián)網(wǎng)、3G/4G移動網(wǎng)絡(luò))被發(fā)送到 數(shù)據(jù)服務(wù)中心進行數(shù)據(jù)存儲和智能化處理。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涉及智 能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消 防、工業(yè)監(jiān)測、老人護理、個人健康等多個領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng) 具有高度的創(chuàng)造性、滲透性和帶動性，對國家安全、經(jīng)濟和 社會發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，歐、美、日、韓等主要發(fā)達國家和地 區(qū)將物聯(lián)網(wǎng)納入國家戰(zhàn)略性計劃，我國也將物聯(lián)網(wǎng)放到了戰(zhàn)略 發(fā)展的地位。

1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)

圖1所示是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實時信息系統(tǒng)的組成圖。該物聯(lián) 網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)包含六個部分：節(jié)點(node)、網(wǎng)關(guān)(gateway)、傳 輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)客 戶端。

圖2所示是可同物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交換的各類節(jié)點。 具體來說，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點就是儀表、傳感器、RFID標簽、攝像 頭、GPS設(shè)備、執(zhí)行器和繼電器等。一維碼、二維碼、RFID 標簽等節(jié)點主要作用是識別物體；傳感網(wǎng)、傳感器及儀表等節(jié) 點主要用來獲取物體的狀態(tài)及環(huán)境信息；執(zhí)行器和繼電器主要用來控制被監(jiān)控的設(shè)備；GPS等節(jié)點主要用來跟蹤被監(jiān)控物 體的位置信息；攝像頭等節(jié)點主要用來監(jiān)控物體的當前的行為 狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通過USB、RS 232、RS 485、藍牙、紅外、 ZigBee、Wi-Fi等短距離有線或無線傳輸技術(shù)進行協(xié)同工作或 者傳遞數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)進一步將來自不同節(jié)點的數(shù)據(jù) 通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)中心。

圖1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實時信息系統(tǒng)組成

圖2可同物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交換的各類節(jié)點

IoT網(wǎng)關(guān)是一個具有多種接口的嵌入式計算機設(shè)備，其 可以收集并處理來自其所管理的各類節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將處理 后的數(shù)據(jù)通過其具有的廣域接口(3G/4G、Wi-Fi、以太網(wǎng)等) 傳輸?shù)絀oT數(shù)據(jù)服務(wù)中心。物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)負責網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)服 務(wù)中心之間的數(shù)據(jù)傳送，常見的傳輸網(wǎng)絡(luò)包括3G移動網(wǎng)絡(luò)、

Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)及以太網(wǎng)等。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)中心負責存儲來 自一個或多個IOT網(wǎng)關(guān)的實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行智能化處理, 提供各種物聯(lián)網(wǎng)實時信息服務(wù)，比如實時監(jiān)測、定位跟蹤、報 警聯(lián)動、自動化處理、反向控制、遠程維護、統(tǒng)計決策和信息 安全等。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)使用戶可以接受或使用物聯(lián)網(wǎng)數(shù) 據(jù)服務(wù)中心提供的服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng) 絡(luò)可以是同一個網(wǎng)絡(luò)，也可以是不同的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)客戶 端是用戶通過物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)接受或使用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服 務(wù)中心提供的服務(wù)的設(shè)備，包括智能手機、平板電腦、筆記本 電腦和臺式電腦等。

對于較大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)中心往往 要接收來自成百上千的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的實時數(shù)據(jù)，并且每一個網(wǎng) 關(guān)所管理的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的數(shù)目和種類較多。每一網(wǎng)關(guān)如果希望 往數(shù)據(jù)服務(wù)器中心發(fā)送數(shù)據(jù)，該網(wǎng)關(guān)所管理的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點必須 在數(shù)據(jù)服務(wù)中心進行注冊。另外，對于注冊后的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的 數(shù)據(jù)，也必須按照特定的格式由網(wǎng)關(guān)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)中心。近 年來，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在我國得以迅速發(fā)展的同時，也出現(xiàn)了一些 亟待解決的問題。各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)都是相關(guān)對獨立和 封閉的，導致了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點在數(shù)據(jù)服務(wù)中心的注冊的方式及網(wǎng) 關(guān)往數(shù)據(jù)服務(wù)中心所發(fā)送的格式都各有差異。有時，即使對 于同一個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點被添加的時間不同，其 被注冊的方式及數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，也有可能不同，這導致每 一個新的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的添加，都會涉及到對數(shù)據(jù)服務(wù)中心和網(wǎng) 關(guān)軟件源代碼的修改。同時，由于節(jié)點注冊格式和節(jié)點數(shù)據(jù)傳 輸格式的不同，不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換或數(shù)據(jù)融 合也變得極為困難。目前，所存在的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點注冊難以管理、 數(shù)據(jù)傳輸存儲格式難以統(tǒng)一、難以實施數(shù)據(jù)融合及智能決策 等問題，造成了時間和經(jīng)濟資源的嚴重浪費，它們也成為當前 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域迫切需要解決的問題。

為了解決所存在的實時數(shù)據(jù)標準化管理問題，本論文以 開放地理空間聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)制 定的 SOS(Sensor Observation Service)服務(wù)標準為基礎(chǔ)［5-10］， 建立了標準化的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點注冊格式、標準化的節(jié)點實時數(shù)據(jù) 傳輸格式和標準化的節(jié)點實時數(shù)據(jù)存儲格式，并依此開發(fā)了物 聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。同時，為驗證物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理 系統(tǒng)的性能,研究團隊使用Android智能手機作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān), 使用手機上面所配置的各種傳感器及GPS接收儀作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié) 點，實現(xiàn)并驗證了標準化的節(jié)點注冊、標準化數(shù)據(jù)傳輸、標準 化數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)的智能化處理及顯示，取得了良好的效果。

2實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)及測試環(huán)境

實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)所涉及的軟硬件及網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖3 所示。

圖3系統(tǒng)開發(fā)及測試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

所開發(fā)的系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫采用PostGreSQL作為數(shù)據(jù)庫，以 MyEclipse作為開發(fā)軟件平臺，應(yīng)用當前流行的JavaEE SSH 開發(fā)框架進行整合開發(fā)。本系統(tǒng)所涉及的硬件包括筆記本數(shù)臺、 Android手機數(shù)臺，服務(wù)器一臺和無線路由器一臺。Android 手機需要安裝Android 2.2或者更高版本的操作系統(tǒng)，手機上配 備有Wi-Fi無線上網(wǎng)功能。然后，下載并安裝PostgreSQL 8.x或者 更高版本的Postgres數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。在安裝Postgres數(shù)據(jù)庫時, 需要選擇要安裝相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫軟件PostGIS 1.5。完成安裝 PostgreSQL后，根據(jù)SOS的文件指南，運行必要需要的SQL 語句來建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表格。Maven軟件被用來管理SOS Web服務(wù)器平臺的開發(fā)和升級。下載并解壓縮apache-maven- 3.0.4-bin.zip，安裝好Maven后，需要修改配置文件setting.xml 來并配置Maven運行環(huán)境變量，插入以下代碼。

〈profile〉

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<repository><id>Apache</id>

<name>Apache repository</name>

<url>HYPERLINK "http://repo1.maven.org/maven2%3c/url">

</repository> </repositories> </profile> 安裝Java開發(fā)工具時，可以先從官方網(wǎng)站下載最新的 Java SE Development Kit (JDK)版本，安裝完成后，要進行“環(huán) 境變量，，和“系統(tǒng)變量”的配置，并建立JAVA_HOME路徑。 物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)SOS Web服務(wù)器安裝有Tomcat應(yīng) 用服務(wù)器軟件?？梢詮木W(wǎng)站HYPERLINK "http://jakarta.apache.org/site/%e4%b8%8b%e8%bd%bd" 最新版的Tomcat進行安裝及配置。安裝完成后，需要配置 Tomcat Web服務(wù)器的管理員權(quán)限，可在tomcat-users.xml配 置文件中添加如下管理員權(quán)限相關(guān)的信息。

<role rolename="manager-gui"/>

<role rolename="manager-script"/> <role rolename="manager-jmx"/> <role rolename="manager-status"/> <user password="admin" roles="manager-gui" username=" tomcat" />

<user password="admin" roles= "manager-script，manager-jmx，manager-status" username="admin"/>

安裝及配置完成Maven、Postgres、JDK和Tomcat軟件后， 可以在命令行界面執(zhí)行mvn -命令來進行SOS Web服務(wù)軟件 的下載、升級和更新。例如，通過命令行mvn-Pwith-deploy, 對SOS服務(wù)生成和部署。

3 SOS服務(wù)介紹

圖4所示是SOS數(shù)據(jù)服務(wù)體系的結(jié)構(gòu)圖。SOS通過提 供一個標準的數(shù)據(jù)傳輸接口，收集來自物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及物聯(lián)網(wǎng) 節(jié)點的實時數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)按照標準的格式傳輸?shù)絊OS Web 服務(wù)器，并按照標準格式存儲到SOS數(shù)據(jù)庫。物聯(lián)網(wǎng)實時 數(shù)據(jù)使用客戶端可以通過標準的SOS接口來獲取SOS數(shù)據(jù) 庫中不同形式的數(shù)據(jù)，然后進行智能化數(shù)據(jù)處理及各種物聯(lián) 網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)。例如，通過GetCapabilitiesRequest標準接 口，可以獲取一個Capabilities文檔，該文檔主要描述了 SOS Web服務(wù)器可以提供的各種數(shù)據(jù)服務(wù)，包含了 SOS服務(wù)所 支持服務(wù)的所有操作，以及每個操作所涉及的參數(shù)等。使用 DescribeNodeRequest標準接口，可以獲取物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)標 記語言(lOTNodeML) XML文件，該文件描述了物聯(lián)網(wǎng)節(jié) 點及其實時數(shù)據(jù)的特性。另外，使用GetObservationRequest 標準接口，可以獲取SOS數(shù)據(jù)庫中所存儲的物聯(lián)網(wǎng)實時或 者歷史數(shù)據(jù)，說返回的XML文檔中包含Observations & Measurements (O&M)數(shù)據(jù)。

圖4 SOS數(shù)據(jù)服務(wù)體系結(jié)構(gòu)圖

SOS數(shù)據(jù)服務(wù)體系采用了 B/S三層架構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)展 示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。展示層主要負責與物聯(lián)網(wǎng)實 時數(shù)據(jù)使用客戶端的交互。業(yè)務(wù)邏輯層主要包括SOSServelet 以及RequestOperation這兩個核心類。前者用于處理用戶請求 以及返回響應(yīng)信息，后者接收SOSServelet請求，并將請求信 息進行有效的過濾，將信息傳給監(jiān)聽類，再由監(jiān)聽類決定調(diào) 用何種操作。數(shù)據(jù)訪問層主要包括各種工廠類和Dao類，負 責與數(shù)據(jù)庫的交互。

4物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的標準化管理

為了解決物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)處理難以統(tǒng)一的問題，我們依 據(jù)OGC制定的SOS服務(wù)標準，建立了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點注冊的標 準化格式、節(jié)點實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴驶袷?、?jié)點實時數(shù)據(jù) 存儲的標準化格式和查詢使用物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的標準化格式。 對于這些物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的標準化管理，分別敘述如下。 4.1標準化的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點注冊

在各種各類物聯(lián)網(wǎng)實時信息系統(tǒng)的開發(fā)過程中，一個重 要的方面是將來自無數(shù)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)服務(wù)中心進行 統(tǒng)一的存儲。在存儲數(shù)據(jù)之前，需要知道這些數(shù)據(jù)來自何地 的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)所管轄的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，這就需要將這些物聯(lián)網(wǎng)節(jié) 點的名稱、地理位置和數(shù)據(jù)類型等信息在數(shù)據(jù)庫中進行注冊。 當前，注冊物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的方式多種多樣，有的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點注冊 是通過人工方式將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點相關(guān)文件導入到數(shù)據(jù)庫；有的 是直接通過數(shù)據(jù)庫SQL語句的人工操作來注冊物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點信 息；有的是通過UI界面數(shù)據(jù)輸入來進行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的注冊。 以上注冊方式，不但速度慢，易出錯，而且浪費大量的人力 和物力。在我們的物聯(lián)網(wǎng)實時系統(tǒng)設(shè)計和實踐中所采用的物聯(lián) 網(wǎng)節(jié)點注冊方式是，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)自動發(fā)現(xiàn)其所管理的物聯(lián)網(wǎng)節(jié) 點的名稱、位置和數(shù)據(jù)特征等信息，然后建立一個標準化的 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點XML注冊文件，并將該文件發(fā)送到SOS Web服 務(wù)的數(shù)據(jù)接收接口。當SOS服務(wù)器接收到注冊XML文檔信 息后，將會自動分析該文檔的特征，并將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的相關(guān)信 息存入數(shù)據(jù)庫，自動完成物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的注冊。一個簡化版本的 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點標準化注冊XML文檔如下：t它主要包括物聯(lián)網(wǎng)節(jié) 點ID注冊、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點經(jīng)度、緯度和海拔高度位置信息注冊 和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)輸岀注冊等）

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<RegisterSensor service="SOS" version="1.0.0" > <SensorDescription>

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<!--sml:identification元素必須包含物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的ID--> <sml:identification><sml:IdentifierList><sml:identifier> <sml:Term definition="OGC:uniqueID">

<sml:value> IfGI- SDP</sml:value>

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<!一物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點最后一次測定位置信息-->

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<swe:Position referenceFrame=" EPSG:4326"> <swe:location>

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<!—物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)輸出列表-->

<sml:outputs><sml:OutputList>

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4.2標準化的數(shù)據(jù)傳輸格式

在各種各類物聯(lián)網(wǎng)實時信息系統(tǒng)的開發(fā)過程中，另外一 個重要的方面是如何將來自無數(shù)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù) 服務(wù)中心，并進行統(tǒng)一的存儲。對于當前的物聯(lián)網(wǎng)實時信息系 統(tǒng)，很多網(wǎng)關(guān)往同一個物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。對于每 一個網(wǎng)關(guān)而言，它管理著很多物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，每一個節(jié)點的數(shù)據(jù) 輸出格式也不相同。在很多情況下，網(wǎng)關(guān)按照不同的格式將不 同的節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)中心。數(shù)據(jù)服務(wù)中心需要能夠處 理所接收到的不同格式的實時數(shù)據(jù)。這種情況導致每次增加 一些物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，就需要修改網(wǎng)關(guān)軟件和數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件的 源代碼，這為物聯(lián)網(wǎng)的大面積和大規(guī)模應(yīng)用帶來了很多不便。

在我們的物聯(lián)網(wǎng)實時系統(tǒng)設(shè)計和實踐中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采 用標準的XML文檔數(shù)據(jù)傳輸格式，并將該文件發(fā)送到SOS Web服務(wù)的數(shù)據(jù)接收接口。當SOS接收到該XML文檔信息后， 將會自動分析該文檔的數(shù)據(jù)特征，自動解析物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點實時 數(shù)據(jù)并存人數(shù)據(jù)庫。對于同一個或不同的物聯(lián)網(wǎng)實時信息系統(tǒng)， 網(wǎng)關(guān)所采用的XML文檔傳輸格式都是相同的。也就是說不同 的網(wǎng)關(guān)所使用的XML文檔具有相同的標簽，只是不同標簽下 所包含的內(nèi)容對于不同的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點有所不同。一個簡化版本 的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸XML文檔如下所示，它主要包括物聯(lián) 網(wǎng)節(jié)點ID、數(shù)據(jù)采集時間、采樣點值、地理位置信息和實時 數(shù)據(jù)的值。

<InsertObservation service="SOS" version="1.0.0"> <AssignedSensorId> IfGI-SDP</AssignedSensorId> <om:Measurement><om:samplingTime><gml:TimeInsta nt>

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</InsertObservation>

4.3標準化的數(shù)據(jù)存儲格式

在數(shù)據(jù)服務(wù)中心，利用SOS數(shù)據(jù)庫對物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)進 行標準化存儲。SOS數(shù)據(jù)庫設(shè)計所涉及的主要表格為Feature- of_interest （觀測點數(shù)據(jù)特征）表（即表1）、Observation （觀 測數(shù)據(jù)）表（即表2）‘Phenomenon （節(jié)點數(shù)據(jù)現(xiàn)象）表（表3）、 Offering （節(jié)點數(shù)據(jù)服務(wù)）表（表4）和Procedure （節(jié),點數(shù)據(jù) 處理過程）表（表5）,分別敘述如下：

Feature_of_interest表格存儲有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點觀測點的特 征及地理特征的參數(shù)。其中g(shù)eom字段是PostGIS的類型，詳 細記錄了觀測點的地理位置。

Observation表格結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點以及其它如時間、處 理過程、觀測點特征等分開存儲的數(shù)據(jù)。其中Procedure_id, Feature_of_interest_id 和 Offering_id 是外鍵。Observation 存 儲具體觀測到的每一條物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)，同時，觀測者可以 過濾物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點實時數(shù)據(jù)信息。

表 2 Observation

Phenomenon表存儲了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點所描述的數(shù)據(jù)觀察現(xiàn) 象，在SOS規(guī)范下的數(shù)據(jù)現(xiàn)象又稱為觀測屬性。該表格屬性 包括現(xiàn)象ID、現(xiàn)象描述、數(shù)據(jù)單位、值類型、復合現(xiàn)象和 Schema鏈接等。

Offering表存儲了可以提供SOS服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點信息。 當注冊物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點時，節(jié)點相關(guān)的信息將被存儲到Offering表格。

表3 Phenomenon （節(jié)點數(shù)據(jù)現(xiàn)象）

表4 Offering （節(jié)點數(shù)據(jù)服務(wù)）

Procedure表存儲了數(shù)據(jù)處理過程，是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點具體信 息在數(shù)據(jù)庫中的體現(xiàn)，該表的屬性包括過程ID、url描述、描 述類型、Sml文件、實際地理位置、節(jié)點是否移動和節(jié)點是否 激活。

表5 Procedure （節(jié)點數(shù)據(jù)處理過程）

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍和領(lǐng)域的擴大，各級各類物聯(lián)網(wǎng)實 時信息系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)出來。當前，各級各類物聯(lián)網(wǎng)實時信息 系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換是一個難點。一個原因是很多物聯(lián)網(wǎng)實 時信息系統(tǒng)沒有提供數(shù)據(jù)交換的API接口。另一個原因是對 一些提供對外數(shù)據(jù)交換API接口的物聯(lián)網(wǎng)實時信息系統(tǒng)，由 于它們提供的接口各不相同，當一個物聯(lián)網(wǎng)實時信息系統(tǒng)希望 使用其它幾個實時信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時，該系統(tǒng)就需要大量修 改原有的源代碼，來從不同的API接口獲取其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。 不同物聯(lián)網(wǎng)實時信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題，已經(jīng)制約了 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在各個領(lǐng)域大規(guī)模深入發(fā)展，我們研究小組試圖 解決這個難題。

在我們的物聯(lián)網(wǎng)實時系統(tǒng)設(shè)計和實踐中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采 用標準的XML文檔進行不同應(yīng)用和不同實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的 數(shù)據(jù)交換。當一個基于SOS的物聯(lián)網(wǎng)實時信息系統(tǒng)希望從另 外一個基于SOS的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)時，該 系統(tǒng)可以將一個標準的XML文檔發(fā)送到SOS Web服務(wù)的數(shù) 據(jù)接收接口。當SOS Web服務(wù)器接收到該XML文檔信息后, 將會自動分析該文檔的特征，并從SOS數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)數(shù) 據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以標準O&M XML文檔返回到調(diào)用數(shù)據(jù)的 物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)。對于同一個或不同的物聯(lián)網(wǎng)實時信息系 統(tǒng)，調(diào)用同一類數(shù)據(jù)時所采用的XML文檔傳輸格式都是相同 的。一個簡化版本的標準化的數(shù)據(jù)獲取GetObservation XML 文檔如下所示，它主要描述了所調(diào)用數(shù)據(jù)的名稱、數(shù)據(jù)特性、 返回數(shù)據(jù)格式和返回查詢結(jié)果模型。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<GetObservation service="SOS" version="1.0.0" srsName="EPSG:4326">

<offering>GAUGE_HEIGHT</offering>

<observedProperty>OGC: waterlevel</observedProperty> <responseFormat>text/xml</responseFormat> <resultModel>Measurement</resultModel> <responseMode>inline</responseMode> </GetObservation>

5物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計

基于SOS Web實時數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，我們開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)實 時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的設(shè)計分為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸 客戶端功能設(shè)計與SOS Web服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理及管理功能的 設(shè)計。

5.1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)客戶端設(shè)計

客戶端設(shè)計比較簡單，它主要包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點標準 化注冊設(shè)計、數(shù)據(jù)收集設(shè)計和標準化數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計。物聯(lián)網(wǎng) 網(wǎng)關(guān)客戶端通過Post請求將標準化的XML文檔發(fā)送到一個 指定的url地址進行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的標準化注冊和實時數(shù)據(jù)傳 輸。本論文以Android智能手機作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，它所配置的 各種傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)客戶端節(jié)點標準化 注冊和標準化數(shù)據(jù)傳輸功能進行了測試。

5.2服務(wù)器端SOS數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)計

SOS服務(wù)采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù) 據(jù)的自動注冊、采集、過濾和存儲。通過SOS服務(wù)，可以有 效觀測物聯(lián)網(wǎng)實時的數(shù)據(jù)。具體流程是：當服務(wù)器接收到來 自客戶端的請求，RequestOperation檢查其合法和有效性，如 果是合法的請求，則把它交給Listener。SOS服務(wù)中存在多種 Listener，每個listener都有其對應(yīng)的請求，當Listener監(jiān)聽 到請求信息，就調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫訪問層的DAO,或者反饋 一些有效信息到客戶端。數(shù)據(jù)庫訪問層包含了各個處理業(yè)務(wù)信 息的DAO, SOS通過DAO與數(shù)據(jù)庫交互。

5.3 Web服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理及管理設(shè)計

基于SOS服務(wù)所提供的各種實時數(shù)據(jù)，可設(shè)計各種各樣 的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。本論文只簡單討論具有4個功能模塊的的物聯(lián) 網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計，它們是用戶信息管理、物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理、 GIS數(shù)據(jù)管理和日志管理。用戶信息管理模塊主要管理所有此 系統(tǒng)用戶的基本信息，管理員可以通過此模塊注冊新的管理 員或者普通用戶，同時管理員可以查看和刪除普通用戶賬號。 普通用戶可以通過此模塊修改自身信息。

通過物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理，可查看物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送過來 的實時數(shù)據(jù)。在我們開發(fā)的系統(tǒng)中，主要是通過動態(tài)曲線圖和 表格來查看數(shù)據(jù)的詳細信息。其中數(shù)據(jù)表格可以通過時間范 圍分頁查詢詳細的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)信息。管理員和普通用戶都 具有查看此模塊具體內(nèi)容的權(quán)限。

GIS數(shù)據(jù)管理模塊通過Google map定位物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的具 體位置，可以查看所有物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)的具體表格信息。當雙 擊其中某條數(shù)據(jù)時，Google map上的彈窗可以顯示據(jù)此條數(shù) 據(jù)時間點附近的五條相同類型數(shù)據(jù)，通過柱狀圖的比較，可 以看出其中的差異。通過日志管理模塊可查看系統(tǒng)的所有登錄 信息，只有管理員具備此權(quán)限，普通用戶無法查看。

6物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)客戶端功能實現(xiàn)

本論文以Android智能手機及它的傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng) 關(guān)及物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，來測試網(wǎng)關(guān)客戶端的功能實現(xiàn)。Android客 戶端負責光線數(shù)據(jù)、方向數(shù)據(jù)、磁場數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)的產(chǎn) 生與傳輸，通過Post請求將XML格式數(shù)據(jù)發(fā)送到一個指定 的url地址。Web服務(wù)器端通過運行SOS服務(wù)將收集到的數(shù) 據(jù)自動持久化到PostgreSQL數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)觀測員或者管理員 可以訪問系統(tǒng)網(wǎng)站，通過詳細的實時數(shù)據(jù)和曲線圖觀測傳感器 數(shù)據(jù)的變化。

本次設(shè)計涉及到的傳感器數(shù)據(jù)的收集和發(fā)送主要是通 過Android設(shè)備里面自帶的傳感裝置和GPS模塊來進行傳感 器數(shù)據(jù)和位置信息的收集。通過選擇發(fā)送各個傳感器數(shù)據(jù)到 SOS服務(wù)器端。傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送需要封裝成標準化的XML 格式，XML具體格式如以下代碼所示。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<InsertObservationservice="SOS" version="1.0.0">

<AssignedSensorId> androidsensor-accelerometer </AssignedSensorId>

<om:CategoryObservation>

<om:samplingTime><gml:TimeInstant>

<gml:timePosition>2012-04-02T17:44:15+02:00 </gml:timePo sition>

</gml:TimeInstant></om:samplingTime>

<om:procedure xlink:href="androidsensoi-accelerometer"/> <om: observedProperty xlink: href= "accelerometer"/> <om:featureOfInterest>

<sa:SamplingPoint gml:id="foi_sensor_10001"> <gml:name>SANMING</gml:name>

<sa:sampledFeature xlink:href=""/>

<sa:position>

<gml:Point>

<gml:pos srsName="EPSG:4326">5L7167 8.76667 </gml:pos></gml:Point></sa:position>

</sa: SamplingPoint></om: featureOfInterest> <om:result>12, 12, 12</om:result> </om:CategoryObservation>

</InsertObservation>

SOS指定了一個可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)地址，http:// IP地址:8080/52nSOSv3/sos,具體的IP地址和端口視具體網(wǎng)絡(luò) 環(huán)境改變，手機端軟件每隔一段時間（1 s、5 s或10 s）便會自動 將收到的實時數(shù)據(jù)以標準化的數(shù)據(jù)傳輸XML文檔發(fā)送到SOS 服務(wù)器。當服務(wù)器接收到post請求，便調(diào)用SOS的Servlet和監(jiān) 聽器類，對XML代碼詳細解析，當判斷出此XML是觀測到的傳 感器數(shù)據(jù)信息，將自動持久化到數(shù)據(jù)庫，并反饋插入成功的標識和 信息到客戶端。當用戶點擊此軟件客戶端，就會進入如圖5所示的 主界面,用戶可以觀測到各種傳感器數(shù)據(jù)的變換,并通過menu鍵, 選擇發(fā)送數(shù)據(jù)或停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖5 Android客戶端展示

7 Web服務(wù)器端的功能實現(xiàn)

如圖6所示，在瀏覽器地址欄中輸入http:// IP地址:8080/ sensorSystem,就可以看到登陸界面，通過輸入用戶名和密碼， 以及角色權(quán)限，經(jīng)驗證合法，將會跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)首頁。管理員 與普通用戶的權(quán)限不盡相同，管理員可以查看各個模塊的信 息，以及管理各個用戶，并且查看日志信息，普通用戶只能查 看傳感器數(shù)據(jù)信息。圖7所示是光線傳感器的實時動態(tài)數(shù)據(jù) 顯示界面，其它的傳感數(shù)據(jù)顯示界面相似。動態(tài)曲線圖顯示的 是實時的十五條最新數(shù)據(jù)，用戶也通過grid條件查詢，查詢 某個時間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)列表如圖8所示。圖9所示是Google map模塊數(shù)據(jù)管理界面。Google map展示頁與管理頁的風格 是一致的，采用將Google map嵌入panel的形式，不僅可以 實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及節(jié)點的定位，而且與Grid數(shù)據(jù)的交互更加 方便。圖10所示是Google map界面實時數(shù)據(jù)柱狀圖展示。 當用戶雙擊界面列表中的某一條記錄，Google map上將會打 開一個信息窗口，此窗口展示了與此記錄相同傳感類型的五條 傳感器數(shù)據(jù)，通過柱狀圖的比較，可以觀測出他們的區(qū)別，更 為直觀地展示數(shù)據(jù)。

圖6物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)登錄界面

圖7光線傳感器動態(tài)數(shù)據(jù)曲線顯示

圖8光線傳感器數(shù)據(jù)列表

圖9 Google map模塊數(shù)據(jù)管理界面

圖10 Google map界面實時數(shù)據(jù)柱狀圖展示

8結(jié)語

本論文依據(jù)SOS Web數(shù)據(jù)服務(wù)標準，建立了標準化的物 聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理體系，它包括物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的標準化注冊、物 聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)標準化傳輸、物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)標準化存儲和物 聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)標準化調(diào)用。同時，為了驗證該實時數(shù)據(jù)標準化 管理體系的有效性，使用了目前非常流行的Web前后臺開發(fā) 框架 Extjs 和 SSH2(Struts2, Spring，Hibernate)開發(fā)了物聯(lián) 網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了 PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，它 運行于小巧靈活的Tomcat Web服務(wù)器。開發(fā)及測試表明，我 們所采用的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)處理標準可以幫助快速建立高性 能的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并可以方便地完成不同系統(tǒng) 之間的數(shù)據(jù)交換。

20211222_61c2f6f48f193__基于SOS技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)