物联网中间件技术.
物联网协议分析与协议中间件设计
物联网协议分析与协议中间件设计摘要近几年来物联网技术受到了人们的广泛关注。
物联网（The Internet of Things），指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。
它是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一项新技术。
其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理，涉及标识、感知、信息传送与处理等关键技术。
毫无疑问，如果“物联网”时代来临，人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。
本论文详细介绍了物联网的定义及其网络结构、服务体系和物联网关键技术如RFID技术、WSN技术等；论文的着重点是从物联网的基本结构出发，对物联网系统中关键技术WSN所采用的协议标准—ZigBee标准做出的研究和分析及对面向物联网的射频技术中间件的相关概念的理解和设计。
关键词：物联网射频技术无线传感网络技术 ZigBee协议标准中间件Analysis Protocol and Design Middleware based on TheInterent of ThingsAbstractIn recent years, Internet of things technologies received extensive attention. Internet of things, refers to various information sensing device, such as radio frequency identification (RFID), infrared sensors, device, laser scanner global positioning system combined with Internet device such as a huge network formed. It refers to all kinds of sensors and the existing Internet connected a new technology. It’s purpose is to let all the items are connected to the network together, easy to identify and manage, involving logo, perception, information transmission and processing technique. There is no doubt that if Internet of things era, the People's Daily life will earth-shaking changes.This paper introduces the definition of network and the network structure and service system, key techniques such as network technology, WSN RFID technology, The paper focus from content, the basic structure of network of networking system adopted by the key technology of WSN ZigBee standard protocol standards - the research and analysis on the net for content and the related concept of RFID middleware and understanding of design.Keywords: Internet of things RFID WSN ZigBee protocol standardsMiddleware目录1 绪论 (6)1.1 论文研究的背景 (6)1.2 论文研究的意义 (7)1.3 论文的主要工作 (7)1.4 论文的章节安排 (8)2 物联网介绍及软件中间件简介 (9)2.1 物联网的定义 (9)2.2 物联网体系结构 (10)2.2.1 感知层 (10)2.2.2 网络层 (11)2.2.3 应用层 (12)2.3 物联网的网络体系与服务体系 (12)2.3.1 EPCGlobal“物联网”体系架构 (12)2.3.2 UID技术体系结构 (13)2.4 物联网的关键技术 (14)2.4.1 物联网包含的关键技术—RFID技术 (14)2.4.2 WSN技术 (15)2.4.3 智能技术 (17)2.4.4纳米技术 (18)2.5中间件技术 (18)2.5.1 中间件简介 (18)2.5.2 RFID中间件的相关概念 (20)2.5.3 RFID中间件的特点 (20)2.6 本章小结 (20)3.物联网ZigBee协议的分析 (21)3.1 ZigBee技术简介 (21)3.2 ZigBee协议栈 (21)3.2.1 应用层 (22)3.2.2 网络层 (22)3.2.3 IEEE 802.15.4 (23)3.2.4 安全机制 (25)3.3 本章小结 (26)4.物联网RFID技术中间件的设计 (27)4.1 引言 (27)4.2 Middleware工作原理 (27)4.3 Middleware的模块设计 (29)4.3.1中间件接口模块 (29)4.3.2 电子编码(EPC)数据处理模块 (30)4.3.3末端读写服务器模块 (30)4.4 本章小结 (31)5. 总结与展望 (32)5.1 总结 (32)5.2 展望 (32)致谢 (34)参考文献 (35)1 绪论1.1 论文研究的背景随着现代微机电系统、微电子、片上系统SOC、纳米材料、传感器、无线通讯、计算机网络、分布式信息处理等技术发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）和射频标签（Radio FrequencyIdentification，RFID）在近几年获得了飞速发展。
物联网中间件技术是物联网产业链的重要环节
机会 。可 以在一 定程度 上说 ，能否 做大做 强 中间件 ，是整 个 中 国 Ｉ Ｔ产业 能 否做 大做 强 的关键 。物联 网产
业的发展为物联 网中间件的发展提供了新的机遇，欧洲联盟 Ｈ ｄ 物联 网中间件计划 的技术架构 ，值得我 ｙｒ ａ 国借鉴。 物联 网中间件是 业务 应用 程序 和底 层数 据 获取设 备之 间 的桥 梁 ，它封 装 Ｒ Ｉ ＦＤ读 写 器管 理 、数据管 理 、 事 件管 理等 通用 功能 ，实现 软件 复用 ，从 而 降低应 用 系统 的开 发成 本和 缩 短开 发周 期 。物 联 网 中间件是 数 据 管理 、设 备管理 、事件 管理 的 中心 ，是物联 网应 用集 成 的核 心部 件 ，所 以在 物联 网产业 链条 中 占有重 要
会服务 ，软件 （ 包括嵌入式软件 ）和中间件将作为核心和灵魂起到至关重要 的作用 。这并不是否定发展传 感 器等末 端重 要性 ，而是在 大集 成工 程 中 ，系统变 得更 加智 能化 和 网络化 ，反过 来会 对 末端 设 备 和传感 器 提 出更 高的 要求 ，如此 循环 螺旋 上升 会推 动整 个产 业链 的发 展 。因此 ，要 占领 物联 网制 高点 ，软件 和 中间
件 的作用 至关重要 ，应 该得 到 国家 层 面的高度 重视 。
中 间件是 物 联 网软件 的核 心
如果 说软件 是 物联 网 的灵 魂 ，中间件 就是 这个灵 魂 的核 心 。中 间件 与操 作 系统 和数 据库 并 列成 为三 足
鼎立 的 “ 础软件 ” 基 。这 一理 念经过 多年 的探讨 已经 被 国内业 界和政 府 主管部 门认可 ，但 在 国内长期 “ 硬 重 轻软 ”的大 环境下 ，中间件产 业并 未得 到足够 的重视 。
第6章 物联网中间件
2019/11/14
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第6章 物联网中间件
根据处理的数据的特点物联网中间件具有下列基本 特征：
(1) 独立架构(Insulation Infrastructure)：物联网中 间件独立并且存在于后端应用程序与数据采集器之 间，并且能够与多个或者多种后端应用程序以及多 个数据采集器连接，以减轻架构与中间件维护的复 杂性。
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第6章 物联网中间件
IOT-A体系框架
WP1-架构参考模型
W P2-协调整合到未来的 互联网 服务层 WP3-协议套件 WP4-解析和识别 WP5-IOT对象平台
WP6-要求，验 证和利益相关
方的互动
WP7-用例
WP8-传播和影响生成
WP9-管理和协调
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(2) 数据处理(Data Flow)：物联网主要目的在于将 实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据 处理是物联网最重要的特征，物联网中间件具有数 据的搜集、整合、过滤与传递等特性，以便将正确 的对象信息传到企业后端的应用系统。
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第6章 物联网中间件
(3) 流程处理(Process Flow)：物联网中间件采用程 序逻辑及储存再转送(store-and-forward)的功能来提 供顺序的消息流，具有数据流程设计与管理的能力。
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第6章 物联网中间件
6.1 中间件技术概述
6.1.1 中间件的作用和意义 中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布 式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享 资源。中间件位于客户机/服务器的操作系统之上， 管理计算机资源和网络通讯，是连接两个独立应 用程序或独立系统的软件，相连接的系统即使它 们具有不同的接口，但通过中间件相互之间仍能 交换信息，执行中间件的一个关键途径是信息传 递，通过中间件应用程序可以工作于多平台或OS 环境。
物联网中间件
2.1 web服务
Web 服务（ Web Services ）就是一种可以通过
Web描述、发布、定位和调用的模块化应用。
Web服务可以执行多种功能，从简单的请求到复
杂的业务过程。
一旦Web服务被部署，其他的应用程序或是Web
物联网中间件
1
物联网中间件基本概念
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物联网中间件关键技术
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物联网中间件编程实例
1 物联网中间件基本概念
1.1 物联网中间件的定义和分类 1.2 物联网中间件的基本组成和特点 1.3 物联网中间件举例
1.1 物联网中间件的定义和分类
(1) 中间件定义：
独立的系统软件或服务程序。
应用于客户机、服务器的操作系统，管理计算 机资源和网络通信。 连接两个独立应用程序或独立系统的软件，使 相连接的系统即使具有不同的接口，利用中间件 仍然能相互交换信息。
服务就能够发现并且调用这个部署的服务。
Web服务（Web Services）向外界提供一个 能 够 通 过 Web 进 行 调 用 的 API （ Application Programming Interface，应用程序编程接口） ，能够用编程的方法通过Web来调用这个应用 程序。我们把调用这个Web Services的应用程 序叫做客户。
支持分布计算，提供跨网络、硬件和OS平台的透明的
应用或服务的交互
支持标准的协议
支持标准的接口
*(5) 什么是物联网中间件 在物联网中采用中间件技术，
以实现多个系统和多种技术之间的
资源共享，最终组成一个资源丰富
物联网技术概论--物联网中间件
01 中间件的概述 02 中间件的特点 03 中间件的分类
目录
中间件的概述
中间件是位于平台和应用之间的具有标 准程序接口和协议的通信服务。
中间件=平台+应用的需要 • 运行于多种硬件和OS平台 • 支持分布计算，提供跨网络，硬
件和OS平台的透明的应用和服 务的交互 • 支持标准的协议 • 支持标准的接口
• 交易中间件和消息中间件一样也具有跨平台, 跨网络的能力
中间件的分类
对象中间件
• 对象中间件也叫Object TP Momitor, 的模式来组织 体系结构的,在线的电子交易很适合采用这种中间件 类型。因为这种类型的应用会被频繁的修改,面向对 象的体系结构可以保持足够的弹性来应付这种改动。
中间件的分类 应用服务器
中间件的分类
感谢观看
中间件的分类
目前，中间件发展很快，已经与操作系统、数据库并列为三大基础软件
中间件的分类
消息中间件
主要功能:将数据从一个应用程序发送到另一个应用程序
中间件的分类
交易中间件
• 主要功能:管理分布于不同计算机上的数据的一致性，协调数据库处理 分布式事务,保障整个系统的性能和可靠性。
• 交易中间件所遵循的主要标准是x/opendtp模型。它适用于联机交易 处理系统，如银行的ATM系统,电信的计费营收系统。主要产品 有:BEA TUXEDO, IBM CICS, 东方通科技tongeasy
物联网中间件技术
物联网中间件技术在当今科技飞速发展的时代，物联网（Internet of Things，简称IoT）已经成为了一个热门话题。
从智能家居到工业自动化，从智能交通到医疗保健，物联网的应用无处不在。
而在物联网的架构中，中间件技术扮演着至关重要的角色。
什么是物联网中间件技术呢？简单来说，它就像是一个桥梁，连接着物联网中的各种设备和应用程序，使得它们能够有效地协同工作。
想象一下，在一个智能家居系统中，有各种各样的设备，如智能灯泡、智能门锁、智能摄像头等等。
这些设备来自不同的制造商，使用不同的通信协议和数据格式。
如果没有中间件技术，要让这些设备相互通信和协调工作将是一项极其复杂的任务。
而中间件技术的出现，解决了这个问题。
物联网中间件技术具有多种功能。
首先，它能够实现设备的管理和控制。
中间件可以对连接到物联网的设备进行注册、认证和监控，确保设备的安全性和可靠性。
同时，它还可以对设备进行远程控制和配置，方便用户进行管理。
其次，数据的采集和处理也是中间件的重要职责。
物联网中的设备会产生大量的数据，这些数据的格式和类型各不相同。
中间件能够将这些数据进行收集、整合和转换，使其成为有意义、可分析的信息。
再者，中间件还支持通信协议的转换。
不同的物联网设备可能使用不同的通信协议，如 Zigbee、蓝牙、WiFi 等。
中间件可以在这些协议之间进行转换，使得设备之间能够无障碍地通信。
此外，中间件还具备应用程序接口（API）的提供功能。
这使得开发者能够更轻松地开发基于物联网的应用程序，无需了解底层设备的复杂细节。
在实际应用中，物联网中间件技术带来了许多好处。
对于企业来说，它可以提高生产效率，降低运营成本。
例如，在工业制造领域，通过中间件技术可以实现设备的实时监控和故障预警，及时进行维护和修理，避免生产中断。
在智能交通领域，中间件技术可以整合来自不同传感器和设备的数据，如车辆的位置、速度、路况信息等，为交通管理部门提供更全面、准确的决策依据，从而优化交通流量，减少拥堵。
物联网的中间件
物联网的中间件1、简介1.1 什么是物联网中间件1.2 物联网中间件的作用1.3 物联网中间件的优势1.4 物联网中间件的应用场景2、架构设计2.1 物联网中间件的组成部分2.1.1 设备接入层2.1.2 数据传输层2.1.3 数据处理层2.1.4 应用展示层2.2 物联网中间件的通信方式2.2.1 点对点通信2.2.2 发布-订阅模式2.2.3 请求-应答模式2.3 物联网中间件的扩展性与容错性设计 2.3.1 数据存储与查询设计2.3.2 容灾与备份设计2.3.3 负载均衡与性能优化设计2.3.4 安全性设计3、设备接入层3.1 设备与中间件的通信协议3.2 设备接入认证与授权3.3 设备状态管理3.4 设备数据采集与传输4、数据传输层4.1 数据通信协议选择与优化4.2 数据压缩与加密4.3 数据分发与路由4.4 数据精确性与实时性保障5、数据处理层5.1 数据解析与转换5.2 数据存储与处理5.3 数据分析与挖掘5.4 数据可视化与展示6、应用展示层6.1 应用接口设计与开发6.2 用户权限与访问控制6.3 数据监控与报警6.4 应用维护与升级7、附件7.1 附件1：示例代码7.2 附件2：配置文件样例注释：物联网中间件：指在物联网平台中，连接设备与应用层之间的软件系统。
法律名词及注释：- 物联网：是指在互联网基础上，将各类物品与互联网相连接，实现信息互通，数据共享，实现智能化的一种网络形态。
- 数据采集：指通过传感器、仪器设备等手段，对现实世界中的数据进行采集和记录的过程。
- 数据处理：指对采集到的数据进行分析、加工、处理，以提取有价值的信息。
- 数据存储：指将处理后的数据进行储存，以备后续使用。
- 数据传输：指在不同设备之间进行数据交互的过程。
- 应用开发：指根据具体需求，进行程序开发，实现特定功能。
- 用户权限控制：指对用户访问系统资源的权限进行控制和管理。
- 数据监控：指对物联网系统中的数据进行实时监控和报警的过程。
物联网中间件
在该类中间件中，整个物联网被看作是一个虚拟的数据库系 统，为用户的查询提供简单的接口。Cougar、TinyDB及SINA是 这类中间件的典型代表。
3.基于应用驱动的物联网中间件
这类中间件主要由应用来决定网络协议栈的结构，允许用户 根据应用需求调整网络，其典型代表为MILAN中间件。
J2EE和CORBA的最大区别是，CORBA只是针对单个对象， 而不是被应用服务器自动管理的可部署的服务器端组件。 CORBA的特点是大而全，互操作性和开放性非常好；缺点是庞 大而复杂，并且技术和标准的更新相对较慢。
物联网典型中间件
传感网网关中间件
传感网网关中间件软件系统结构（如下图）主要分为6个部 分：主控模块、公共信息中间件、通用API模块、中间件管理模 块、消息管理模块、功能性中间件模块。
客户层
客户端
中间层
客户端
应用服务器
数据层
数据库
客户端
用户界面
业务逻辑
数据逻辑
中间件技术标准
1、COM
COM（Component Object Model，组建对象模型）通过底层 的远程支持使得构件技术延伸到了分布式应用领域。COM是 Microsoft提出的一种组件规范，其多个组件对象可以连接起来形成 应用程序，并且在运行时，可在不重复连接或编译的情况下被卸载 或换掉。COM既是规范，也是实现。它以COM库的形式提供了访 问COM对象核心功能的标准接口及一组API函数，这些API用于实现 创建和管理COM对象的功能。
(1) 提供安全机制(在协议 栈)。 (2) 安全管理功能(部分在协 议栈，上位机配合，功能可 方便扩展)。 (3) 安全监控功能(上位机配 合)。
根据组件提供的功能将安全中间件分为4层。
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物联网中间件
OPC中间件
◆现今的工业自动化中，我们需要一套整合的信息系统，由底层的各项 装置采集信息 (Field Management)，中层的控制系统或图控应用程序进行 程序的控制，再由最上层的整合软件将这些信息整合起来以供企业决策 或效能提升。 ◆OPC 为硬件制造商与软件开发商提供了一条桥梁，透过硬件厂商提供 的 OPC Server 接口，软件开发者不必考虑各项不同硬件间的差异，即可 从硬件端取得所需的信息，所以软件开发者仅需专注于程序本身的控制 流程的运作，透过 OPC 可以很容易地达成远程控制的理想。
物联网中间件技术
中间件定义
独立的系统程 序、软件，用 于连接两个独 立的系统。
在客户端设 备和服务器 的操作系统 上应用
管理计算机 资源和网络 通信
保证相连接的 系统即使接口 不同却仍可以 互通
中间件定义
◆中间件系统位于感知 设备和应用之间，作用 是对感知设备采集的数 据进行校对、滤除、集 合等处理。 ◆有效减少传输分类
面向消息中间件
◆利用高效可靠的消息 传递机制进行数据传递 ◆在数据通信的基础上 进行分布式系统的集成。
◆数据传输支持同步、异步，对应用程序结构无特定要求，程序不受 网络复杂度影响。 ◆银行业、军工行业大量数据的安全传递。
中间件分类
对象请求代理中间件
◆为异构的分布式计算环 境提供一个通信框架，进 行对象请求消息的传递。 ◆客户和服务器没有明显 的界定，角色可互换或二 者兼有。
物联网中间件
OPC中间件
小型OPC服务 解决方案
物联网中间件
OPC中间件
◆基于OPC构架的楼宇智能集成化管理系统 ◆可以对楼宇的电器实现自动控制，对安全、门禁、监控、背景音乐、 消防等系统实行集成化管理，并进一步实现远程控制。
物联网中间件
WSN中间件
◆WSN中间件主要支持无线传感器应用的开发、维护、部署和执行等。 ◆更复杂任务，如传感器网络通信机制，异构节点之间的协调和节点 间的任务分配和调度等。
物联网中间件
OPC中间件
◆OPC(OLE for Process Control)即 用于过程控制的对象链接和嵌 入，是一个面向开放工控系统 的工业标准。 ◆管理OPC标准的国际组织是OPC基金会。
◆OPC基金会成员包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器 仪表及过程控制系统的公司。基于微软的OLE(现在的Active X)、 COM （部件对象模型）和DCOM （分布式部件对象模型）技术。 OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制 造业自动化系统。
物联网中间件
OSGi中间件
◆OSGi(Open Services Gateway initiative) 是Java技术动态化模块化系统的一系 列开放规范。 ◆管理OSGi标准的国际组织是OSGi标准联盟。
物联网中间件
WSN中间件 功耗
感知功耗 数据处理功耗 通信功耗
减少通信量
减少不必 要的网络控 制通信量 减少不必 要的传输量
增加休眠时间 在空闲时让 节点休眠 关闭不需要 工作的硬件模 块
缩短节点间 通信距离
采用功率控制 机制 保证通信质 量等网络性能 降低模块功 耗
节点间通 信距离与通 信能耗成正 相关
满足大量应 用的需求
运行于多 种硬件和 OS平台
Operating System 操作 系统
支持分布 计算
支持标准的 协议
提供跨网络、硬件 和OS平台的透明的 应用和服务的交互
面向传感 设备
支持标准 的接口
中间件分类
远程过程调用中间件
◆使用远程过程调用协议 (RPC)进行远程操作过程， 通信同步，屏蔽不同的操 作系统和网络协议。 ◆一个计算机系统的代码 访问另一个系统 ◆位于服务器的程序需要在一个Web页面上显示一个订单列表，在这种 情形下， 它需要访问业务对象服务器上的程序，通过它读取订单列表， 业务对象服务器又要访问数据库服务器
中间件定义
什么是分布系统
◆分布式系统是建立在网络之上的软件系统
◆在分布式系统中，用户感觉不到数据是分布的，即用户不须知 道关系是否分割、有无复本、数据存于哪个站点以及事务在哪个 站点上执行等 ◆典型的例子：万维网
物联网中间件作用
物联网中间件为物联网的感知、互联互通、智能等功能
提供帮助。
物联网中间件为与已有的各种中间件及信息处理技术相
融合，提升性能。
◆底层感知和互联互通，是 对底层硬件和网络平台差异 经行屏蔽，支持应用开发、 数据共享和开放式互联等。 ◆为物联网的部署和管理提 供可靠保障。
◆通过中间件技术的发展解 决复杂环境、远距离无线通 信、大量数据互通、复杂事 件处理等物联网领域技术瓶 颈。
物联网中间件特点
随着物联网的发 展，应用的数量， 类型不断增加
物联网中间件
物联网中间件的发展
◆应用程序中间件(Application Middleware)阶段
◆架构中间件(Infrastruture Middleware)阶段
◆解决方案中间件(Solution Middleware)阶段
物联网中间件
EPC中间件
◆EPC中间件也称RFID中间 件。 ◆EPC中间件是RFID标签和 应用程序之间的中介，从应 用程序端使用中间件提供一 组通用的应用程序接口 （API），能够读写RFID标签， 连接到RFID读写器获取数据， 此标准接口能够解决多对多 连接的维护复杂性的问题。
◆WSN节点的部 署
◆WSN网络的路 由协议
◆WSN节点数据 的融合与管理
◆WSN网络的 MAC协议
◆WSN网络拓扑 管理
物联网中间件
WSN中间件
中间件
设计原则
拓 扑 结 构 路 由 算 法 可 扩 展 性 容 错 性 尽量简单 便于网络扩 展、升级 维护代价小 上述因素并非孤立存在，而是彼此影 响，相互制约。
中间件分类
事务处理监控中间件
◆在大型机上，为其提供支持大量事务处理的可靠运行环境。
◆由于分布应用系统对于关键事务处理的高要求，TPM介于客户和 服务器之间，进行事务管理与协调、负载平衡、系统修复等服务， 保证系统的运行性能。
◆比如飞机、火车定票系统。实际上，并不是所有的client都同时 请求服务，如某个client请求服务，TPM提供一组服务，使 server在 有限的系统资源下能够高效地为大规模的客户提供服务。