智慧社区中物联网架构系统与中间件模型设计

黄承宁,孙洁

(南京工业大学 浦江学院，江苏 南京 210000)

0 引言

社区是人类社会群居生活与管理的基本单元，也是城市发展的重要组成部分.从数字化社区到智慧社区的发展，说明居民对社区智能化主动服务化地需求不断提升，各大物业公司也竞相加快了智慧建设步伐[1-2].目前的社区无法实现全面智能化主动化地业主服务，已经无法满足社区与居民对环境的发展生活需求.

随着“互联网+”与物联网技术的发展，目前社区建设存在的问题已经有了全面智能化的技术支撑.物联网是实现实物间互联的网络，将网络神经末端延伸到任何物品与物品的连接，通过智能感知、识别技术与数据计算等通信感知技术提供更加全面、丰富的信息，实现智能化的控制与决策.物联网技术的发展与基础网络的接入，为社区居民提供一个平安、温馨、方便的智能化生活环境，从而形成基于数字信息化社会管理与社区服务新型管理形态的社区奠定了良好的基础，智慧社区越来越成为智慧城市建设的重要组成单元，也是未来社区发展与建设的趋势[3].国家层面 “中国制造2025”的提出使得物联网的发展真正从概念阶段步入实际应用阶段，在物联网应用体系中，基础物联网架构与体系中对不同格式数据的采集清洗技术也渐渐成为研究热点.

本文结合智慧社区建设需求调研过程中的结果以及目前社会物联网应用技术的发展阶段，提出了一种面向社区智慧服务的物联网系统架构，该系统架构由底层的物联网感知数据层、网络及中间价支撑层、上层智慧社区应用服务层构成.对于处于物联网络中的设备与采集数据的管理，采用中间件管理方案，同时结合DT时代的发展，引入云计算与大数据技术，打造高效云端的数据存储与处理方式，彻底消除社区数据共享中存在的信息孤岛问题，为智慧社区提供安全共享的数据存储与处理保障[4-6].

1 智慧社区物联网架构

目前物联网正处于发展阶段，带来的智慧社区建设的项目工程也都处于不断的探索实践之中，因此各个城市与研究者对于智慧城市智慧社区的建设构想也存在不同解读与实施.普遍认为智慧社区是指充分利用互联网、移动互联网、物联网、云计算等新一代信息技术的继承应用，为社区居民提供一个安全、舒适、便利的现代化、智慧化地生活环境，进而形成基于信息化、智能化社会管理与服务的一种新型管理形态的社区[7].智慧社区系统中将物业贴心服务、生活缴费、业主互动和智能互联等场景有机智能统筹管理，智慧社区的主体(居民、物业、社区机构、商户等)通过基于物联网基础建设的基础智能网络社区应用平台等对社区中的资源(建筑、人、车、智能物联设备等)进行监控管理，通过设备的管理和数据的采集构建智能化地服务系统[8-9].

智慧社区主要通过智能物联设备来感知和收集社区内的智慧资源，然后通过互联网、移动互联网等异构网络进行数据传输，最后经过应用分析处理呈现居民和相关人员使用服务.因此本文对智慧社区的物联网架构划分为智能感知层、异构网络层和服务应用层.智慧社区物联网架构如图1所示.

图1 智慧社区系统架构“云<应用层>+管<网络层>+端<感知层>”

如图1所示的智慧社区系统架构，可以看出该系统在多种智能感知设备与多重网络通信技术的基础上，对社区服务、工作流程、居民需求等进行整体化地设计，构建出智慧社区系统.该系统架构由物联感知数据层、网络及中间价支撑层、智慧社区应用层构成.

在感知层借助RFID技术、条码技术、医用传感器技术来 感知智慧资源环境中的物理量，如温度、压强、光照、速度、血压等信息，也可通过采集到的信息来识别物体.

智能传感器设施采集的信息上传到物联网智能网关，交由无差别异构网络传输到物联网中间件集成平台的网关，然后网关采集传感设备数据转换为统一数据格式，从而实现智慧社区提供数据存储处理.

按照智慧社区信息平台架构建设的设计框架，网络架构设计需满足社区7×24h连续服务、大容量社区数据传输，随时随地的无线业务终端接入，同时满足数据信息的保密和入网安全性方面的需求.图1所示，底层各类智能感知设备获取数据之后交由上层网络进行带格式数据传输，因此构建无差别全面覆盖的网络是物联化地传输基础，在网络与通信技术发展的今天，网络基本3G、4G、5G与无线多重覆盖，有线网络与无线网络有机集合，为社区打造无死角网络传输覆盖基础.智慧社区有线/无线泛在网络架构如图2所示.

图2 智慧社区有线/无线泛在网络架构图

在智慧社区的上层应用中根据居民需求调研结果提供各类服务应用，采用云架构提供云服务.各种应用服务云对通过底层传感设备采集的数据进行有效智能地管理和控制，满足智慧社区的智慧服务需求建设.

2 面向智慧社区服务的物联网中间件模型

如前所述，物联网系统架构包含物联感知层、异构网络层和服务应用层.感知层负责连接各类智能设备和采集智能数据；网络层则是异构融合泛在通信网络；服务层为社区中人与智能设备等终端提供面向服务的社区应用.提供社区智慧服务是内在需求，然而不管是底层的物联感知层还是异构网络数据传输，涉及的数据与设备种类繁多、格式不一，因此需要在这三个层之外建立一个通用数据服务平台，用于有效管理异构设备与数据的计算处理，确保物联智能服务的提供[10-12].如此便产生了物联网系统中的中间件的建设需求.

物联网中间件的建设需求决定了它是介于感知设备与服务应用层之间的基础功能软件.由于在智慧社区中应用场景的多样不同，接入智能设备的终端与应用服务不同，所以本文中物联网中间件模型采用SOA架构设计，模型架构设计如图3所示.

图3 智慧社区物联网中间件系统架构图

在整体中间件架构中，系统主要由底层设备驱动、中间接口与解释层以及数据调度业务层三部分组成.

在设备的驱动层，中间件完成底层智能物联设备采集上传的不同格式数据的统一化，对上屏蔽掉底层设别的差异，定义统一接口，完成数据通信，在上一层中统一接收经过屏蔽与处理过的XML格式数据文件.

在中间接口与解释层中分别定义了事件的驱动方法DriverManager()与连接方法getConnection()，在建立起设备接口之间的连接后，通过preparedStatement()方法与resultSet()方法执行业务需求和获取数据结果集，再通过数据的封装XML文件将数据向上提供服务.

在整体系统中，如果中间件平台所提供的公共服务越多，那么向上应用层就越专注与提高高质量良好体验的分布式应用服务系统. 也正是有了中间件提供的公共服务，系统建构人员可以将主要精力集中于系统的具体业务逻辑.

一般来说，智慧社区物联网中间件系统架构中常见的中间件公共服务有：(1)事务服务(Transactions Service)：提供支持事务处理的机制，以保证系统状态与数据的一致性与完整性，支持可靠的服务端计算.(2)安全服务(Security Service)：为系统提供在分布式环境下的安全机制，以防止未授权用户对系统的非法访问.(3)命名服务(Naming Service)：在分布式系统中，命名服务提供了一种定位分布式对象与其它系统资源的机制.(4)持久性服务(Persistence Service)：持久性服务使得分布式对象可以通过持久的数据存储来保存、更新和恢复他的状态.(5)消息服务(Messaging Service)：消息处理服务提供异步编程模式，异步模式在很多应用中都需要.(6)分布式垃圾回收服务(Distributed Garbage Collection Service)：当一个程序不再使用分布式对象时，分布式垃圾回收服务会自动释放分布式对象所占用的存储单元.(7)资源管理服务(Resource Management Service)：一般来说，资源管理器按照使可伸缩性最大化的方式来管理分布式对象， 即支持大量的客户程序同分布式对象在短时间内进行交互的能力.

中间件中加载驱动与获取服务对象代码如下所示：

static{Class．forName(＂com．microsoft．sqlserver．jdbc．SQLServerDriver＂)；//加载驱动Propertiesp=newProperties()；//描述属性文件xx．propertiestry{//通过配置文件获得数据源对象p．load(JDBCUtil．class．getClassLoader()．getResourceAsStream(＂datasource．proper⁃ties＂))；ds=BasicDataSourceFactory．createDataSource(p)；}catch(Exceptione){e．printStackTrace()；}}

在数据调度业务层中直接负责与上层智能服务应用的交互，中间件为一个服务应用提供特有的API接口，通过此接口完成设备配置、业务请求和数据处理功能.在上一层的服务业务层中利用发射技术通过动态加载DLL数据文件完成业务功能提供.

在此中间件模型中中间件向上提供不同形式的通信服务，在这些基本的通信服务基础上构筑各类数据处理框架，为应用程序提供不同业务需求的数据处理，以实现多种异构智能设备和多系统技术之间的资源通信共享，从而连接上下层对外统一提供一个资源丰富、功能强大的服务系统.

面向服务的智慧社区中间件可以有多种模式，但是无论架构模型如何，中间件都要完成三大功能：(1)向下屏蔽底层异构性；(2)在数据中层提供个系统间的无障碍交互；(3)向上应用层提供数据预处理[13].总之，在智慧社区中协同物联网中间件(IOT)为智慧社区建设提供智能传感网络，实现对智慧社区中各类设备和设施资源的识别、管理、跟踪定位和数据采集等，从而为居民提供安全、舒适、便利的现代化、智慧化生活环境.

3 结论

本文针对智慧城市建设中的重要环节智慧社区的建设发展情况提出了一种面向智慧社区服务的物联网架构，并对系统中物联网中间件模型设计进行了阐述.在物联网架构中将整体系统划分为感知层、网络层和应用层，三层上下有机结合互为提供服务，构建智慧社区.在物联网中间件模型中通过底层设备驱动、中间接口与解释层以及数据调度业务层三个功能部分组成，共同完成向下屏蔽底层异构性、多系统之间的交互操作和数据的预处理功能.基于物联网的智能社区已然成为未来社区的发展方向，本文阐述的系统架构与模型，希望为智慧社区的建设完善提供参考依据.

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