基于傳感網(wǎng)絡(luò)的中間件設(shè)計(jì)方法

1、概述
中間件是位于平臺(tái)（硬件和操作系統(tǒng)）和應(yīng)用之間的通用服務(wù)，這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議。針對(duì)不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)，它們可以有符合接口和協(xié)議規(guī)范的多種實(shí)現(xiàn)。
傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件是面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署及應(yīng)用開發(fā)構(gòu)建的通用中間件平臺(tái)。它包含一個(gè)支持多應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境和一系列標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)服務(wù)，如數(shù)據(jù)聚合、控制和管理策略以及自適應(yīng)能量有效機(jī)制等。該方法可以簡(jiǎn)化傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并解決傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中的種種限制和挑戰(zhàn)問題，為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究、應(yīng)用和開發(fā)提供一個(gè)高效節(jié)能、可擴(kuò)展和安全的開發(fā)方法和平臺(tái)。
傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)管理平臺(tái)，應(yīng)用開發(fā)者可以基于傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件快速地開發(fā)和部署相關(guān)應(yīng)用，而無需了解傳感器網(wǎng)絡(luò)底層的具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)。傳感器中間件為應(yīng)用用戶提供統(tǒng)一的系統(tǒng)級(jí)視圖，并且屏蔽所有的底層復(fù)雜處理的操作。
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件平臺(tái)系統(tǒng)。該平臺(tái)可以為傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)者提供統(tǒng)一的開發(fā)接口和視圖，屏蔽傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并支持用戶對(duì)異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)的部署、管理與應(yīng)用。
2、傳感網(wǎng)絡(luò)中間件的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)
傳感網(wǎng)絡(luò)中間件的設(shè)計(jì)目標(biāo)很清晰。簡(jiǎn)單說，就是為了實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用開發(fā)的靈活性，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等服務(wù)，屏蔽底層物理傳感網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)協(xié)議的細(xì)節(jié)。同時(shí)，作為中介角色，彌合底層傳感網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性所帶來的數(shù)據(jù)格式和通信接口上的差異，將上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)查詢及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)等服務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為傳感網(wǎng)絡(luò)能夠理解的形式，并取得相關(guān)反饋。
中間件體系的設(shè)計(jì)決定了中間件的功能、使用范圍、靈活性、可擴(kuò)展性、可實(shí)施性以及具體的性能指標(biāo)（包括數(shù)據(jù)的處理能力、處理延遲、穩(wěn)定性、安全性等）。因此，開展該方向研究的首要工作內(nèi)容就是要設(shè)計(jì)一個(gè)完善、合理的體系結(jié)構(gòu)，本文采取一種“從兩端到中間”的設(shè)計(jì)思路，如圖1：
中間件分為三層，三個(gè)層次分別是上層應(yīng)用API及服務(wù)接口、中間件服務(wù)層以及底層物理網(wǎng)絡(luò)接口。通信模塊負(fù)責(zé)處理中間件不同部署方式下的通信鏈路維護(hù)。其中，中間件服務(wù)層中具體的功能模塊劃分和模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系決定了中間件的功能模型。
3、傳感網(wǎng)絡(luò)中間件部署模式
有了基本的傳感網(wǎng)絡(luò)中間件體系結(jié)構(gòu)和功能模型，還不能清晰勾畫出中間件在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)中的角色和作用，不能提供一個(gè)完整的基于中間件的傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)方案。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，必須明確中間件的部署模式。部署方式，決定了中間件的主要功能實(shí)體的分布和中間件內(nèi)部層次及功能模塊之間的通信形式及基本流程。
從靈活部署和易于實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，采用基于SensorNode（感知節(jié)點(diǎn)）－SinkNode（Sink節(jié)點(diǎn)）－Gateway（網(wǎng)關(guān)）－ControlSite（控制節(jié)點(diǎn)）－Applicatioin（應(yīng)用）的5級(jí)部署模型較為適合。中間件的各功能模塊和層次模型可以根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際需要在上述5類實(shí)體上部署。不同的部署對(duì)于中間件的實(shí)現(xiàn)特別是通信模塊的實(shí)現(xiàn)有不同的要求。
4、傳感網(wǎng)絡(luò)中間件的基本功能模型
無論是從上層應(yīng)用還是從底層傳感網(wǎng)絡(luò)的角度來看，作為一個(gè)承上啟下的角色，傳感網(wǎng)絡(luò)中間件最為基本、關(guān)鍵的功能無外乎以下三類：傳感數(shù)據(jù)管理功能、傳感網(wǎng)絡(luò)管理功能和通信功能。在圖2所示的傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)框架基礎(chǔ)上，我們對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)中間件的功能進(jìn)行了細(xì)化，初步制定了如圖所示的基本功能模型。
為此，需要針對(duì)這三大基本功能模塊開展深入的研究，并基于研究結(jié)論不斷豐富和完善整體的傳感網(wǎng)絡(luò)中間件體系結(jié)構(gòu)。
5、結(jié)語
本文設(shè)計(jì)了傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件，為下一步大規(guī)模實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)提供了支撐和保障。結(jié)合現(xiàn)在已有的部分應(yīng)用服務(wù)，證明此中間件設(shè)計(jì)方法具有很好的擴(kuò)展性和維護(hù)性。