基于描述规则的物联网物体接入与管控方法

作者简介

刘佩云

中国电子科技集团公司信息科学研究院工程师，硕士，物联网产品研发负责人，主要从事物联网技术研究与产品研发工作。

马 超

中国电子科技集团公司信息科学研究院高级工程师，博士，物联网技术研究所所长助理、标准化主管，主要研究方向为物联网与智慧城市的技术研究与标准制定，边缘计算、工业互联网等。

温秀秀

中国电子科技集团公司信息科学研究院工程师，博士，主要从事物联网前沿技术研究、物联网应用系统论证。

论文引用格式：

刘佩云，马超，温秀秀. 基于描述规则的物联网物体接入与管控方法[J]. 信息通信技术与政策, 2020(8): 80-84.

∗ 基金项目：中国电科联合基金项目“6141B08120302-面向智能制造的云网络及信息安全技术”资助

基于描述规则的物联网物体接入与管控方法*

刘佩云 马超 温秀秀

（中国电子科技集团公司信息科学研究院，北京 100086）

摘要：基于描述规则的物联网物体接入与管控方法，从物联网的物体交互接口协议类型出发，提炼大量物联网物体接入中的共性规律，解决物联网集成应用对跨厂商、跨类型、跨系统的物体统一接入与管控问题。通过此方法，可有效降低物联网物体接入平台的难度和复杂度，具有可扩展性强、可维护性好等优点。

关键词：物联网；物体接入；物体管控；物体描述；集成应用

1 引言

如今，物联网（IoT）发展迅速，预计未来将有数以十亿计的物体被关联起来^[1]。物联网中物体的种类越来越丰富，物联网应用系统的数量也在快速发展，但这些物联网应用或物体提供的服务常常只针对特定场景，相互独立^[2]，然而单一的物联网应用系统或物体服务越来越不能满足实际应用中对联动场景的服务需要，如何实现跨厂商品牌、跨物体类型、跨系统的物体统一接入与管控，进而实现物体间的联动需求是现在物联网行业应用方案中需要解决的关键问题。例如，智慧楼宇/社区/园区等，建设方案涉及安防、消防、电梯等系统和设备的集成和管理，需要实现消防火灾报警器报警时让门禁处于打开状态以及让电梯处于停用状态，这涉及到消防报警物体、门禁以及电梯的联动监测和执行，联动监测和执行的前提条件是可以实现与这些物体的交互，需要实现消防系统或物体、安防门禁系统以及电梯的集成。

2 物体接入与管控

物联网的接入与服务管控技术研究大都从3个层面开展，第一个是接入物联网的物体通信模块或网关技术^[3-4]，该技术研究方向旨在解决不具备接入能力的物体的接入问题；第二个是物联网产生的数据层面的统一化汇聚与管理，通过数据分析处理实现综合数据服务提供^[5-7]，该技术研究方向可以为跨物联网系统产生的感知数据进行统一化管理，通过数据汇聚、分析、处理来为多个行业提供综合数据服务，更好地挖掘物联网数据价值；第三个是通过抽象底层细节和通信协议提供一套集成的技术方法^[8-9]，该技术研究方向通过定义高级数据类型原语和允许在多个智能对象之间传播交互来支持协作应用程序的开发，旨在允许非物联网专家的开发人员专注于应用逻辑，促进物联网应用快速原型化。这3个研究层面都不能很好地解决目前物联网集成应用所面临的既要考虑现存物联网系统以及物联网设备的集成接入与管控问题，但也为解决该问题开阔了思路。

研究物联网物体接入与管控技术方法需要考虑3方面关键因素：构建统一的物体描述规则模型，消除异构物体的差异性；对下研发协议适配器，实现对物体的接入支撑；对上设计服务发布机制，提供统一形式的物体交互和数据服务的调用接口。

基于上述分析，本方法是基于描述规则给出的物联网物体接入与管控方法，尤其是结合物联网物体的特征和属性^[10-11]，构建了基于物联网物体描述标准模型的物体描述规则，通过通信接口标准化封装，屏蔽物联网物体的接口协议、数据结构、接入方式等异构问题，统一接口格式和数据格式，为上层应用联动场景和数据服务提供统一形式的接口服务，形成一个方便扩展、方便维护、支持各类物联网物体接入和管控的方法。

3 基于描述规则的物联网物体接入与管控方法

从物体的交互接口类型出发，基于对各类接口类型进行规范化信息描述，介绍了一种具有良好的扩展性和维护性的物联网物体接入与管控技术方法，便于同类型接口物体扩展和管理。

3.1 物联网物体描述规则

随着物联网中的物体数量与种类的不断增加，物体之间的信息交换往往需要统一的描述规范才能让物体“认识”对方。本文给出的物体描述规则参考ASAC模型^[14-15]进行构建，侧重于与物体交互相关的信息，针对ASAC模型中的元数据模型进行了调整。描述规则分属性和接口信息两类。其中，属性部分包含物体ID（物体的唯一标识）、物体名称、生产厂商、类型、型号、物体图标、物体位置、接口类型等信息；物体的接口信息部分（一个物体可能有多个接口）需要描述接口ID（接口的唯一标识）、接口名称、接口方向（上行、下行、请求响应）、接口功能、参数信息（调用该接口的传入参数信息，一个接口可能有多个参数）、返回值信息（调用接口的返回值信息，描述返回值的解析规则，一个接口可能有多个返回值）。物联网物体描述规则如图1所示。

图1 物联网物体描述规则

3.2 物联网物体接入与管控架构

物联网物体接入与管控架构图从下到上主要包括物体层、平台层、应用层3个层次（见图2）。

图2 物联网物体接入与管控架构

3.2.1 物体层

目前的行业物联网解决方案中物体的接入方式可分为两大类：直接对接物体和对接物体所在的应用系统。其中，直接对接的物体可以分为智能物体和非智能物体两类。智能物体是可以直接联网的物体，如网络摄像头、TCP/IP协议、NB-IoT等的物体；非智能物体是必须通过网关才能联网的物体；系统物体指通过对接物体所在的物联网应用系统提供的接口实现与物体的交互功能。

3.2.2 平台层

该层主要功能是对下实现物体层3类物体来源的对接与交互，包括HTTP、TCP/IP、MODBUS TCP/IP、MQTT、ONVIF、NB-IoT等接口协议类型^[12-13]，对上封装提供统一类型的HTTP接口和WebSocket接口。这也是目前所有涉及集成的项目中工作量最大、最难以解决的问题。本文采用基于描述的方式对物体接口进行管理、封装以及统一化。首先，对物体的各类接口协议进行调用封装，比如HTTP类型的接口封装get、post、put、delete方法，TCP/IP协议封装发送报文方法等；其次，根据封装的各类型接口所需要的参数和返回值进行抽取，抽取出来的信息就是该类型接口调用所需要的字段变动信息，将这些信息进行描述存储，可减轻运维对接的工作量和成本。

3.2.3 应用层

各行业领域应用根据需要，通过平台层提供的统一化接口实现跨物联网系统或多物体间的协作联动场景等业务逻辑功能。

3.3 物联网物体交互流程

基于本技术方法构建的物联网物体接入与管控平台通信交互流程如图3所示。接口的调用流程分为两个方向，一个是由物体发起，比如物体数据上报,通过物体层提供的接口，推送到平台层，平台层进行数据处理、存储、向上层订阅者推送等操作，上层应用接收数据进行分析或展示；另一个是由上层应用或上层业务逻辑部分发起物体控制或查询信息，调用平台层提供的统一HTTP接口，传入物体ID、接口ID和参数信息，平台层根据该物体的描述文件获取接口类型和接口信息，确定调用的下层封装的接口，通过物体层提供的接口实现与物体的交互。

图3 接口调用流程

4 落地方案对比

基于描述规则的物联网物体接入与管控方法在实现过程中可根据不同场景和项目需求进行多种形式的部署，大致可分为3种方案。

方案一：平台直接与物体通信，实现统一管控。该方案在落地时适用于部分没有老旧改造的新建项目，全部选择可通信的物体进行项目构建，大多数项目涉及到已建系统或已接入物体的集成利用，或者新建物体的厂商只提供平台层的接口，所以该类方案适用场景不多，但是本方案性能最佳。

方案二：逐一对接需要的子系统和物体，根据需求定制化开发联动场景。方案二短期看效率较高，但缺乏统一规划封装，兼容性差，后期扩展困难，运营与维护成本较高。接入新的子系统或其他品牌的物体时，需要额外进行设备开发。当涉及与之前接入的物体联动时，还需了解对接的实现逻辑才能完成。

方案三：统一规划集中化接入与管控平台，分析待接入系统和物体的特性，抽取共性特性进行服务封装。通过描述配置完成特性化，性能比方案一稍差，但却极大地降低了设备对接难度，提升了方案可行性；与方案二相比，在物体接入的前期效率上稍差，但可扩展性和运维难度得到了大幅提升，此方案是方案一和方案二的折中选择。

基于描述规则的物联网物体接入与管控方法可根据实际项目需求和难度进行多种方案的部署，该技术方法已经在智慧嘉兴项目中进行了使用，共计接入145类物体，物体数量近30 万个，涵盖环境、交通、能源、化工、消防、质监、其他七大行业。物体的接入方式包括应用系统接入和物体接入两种类型，现在平台已经稳定运行一年以上时间。

5 结束语

通过对物体描述ASAC标准的适应性扩展，使得物联网各行业应用能够对接入的各类异构物体进行统一管理。本方法适用于物联网各行业集成应用，为物联网各行业集成应用的技术方法选择和实现提供参考。在当前物联网发展的关键阶段，物联网集成接入技术对物联网物体的互联、互通、互操作提供了极大的帮助，对未来推进物联网的发展极为重要。

参考文献

[1] Oweis N E , Aracenay C , George W , et al. Internet of Things: overview, sources, applications and challenges[M]//Proceedings of the Second International Afro-European Conference for Industrial Advancement AECIA 2015. Springer International Publishing, 2016.

[2] 纪阳, 成城, 唐宁. Web of Things:开放的物联网系统架构研究[J]. 数字通信, 2012(5):14-19.

[3] 张子木. 物联网接入技术研究与系统设计[J]. 电子设计工程, 2016, 24(2):157-160.

[4] 孟萌. 基于Arduino的物联网数据采集器设计与实现[D]. 北京工业大学, 2016.

[5] 荣浩, 江凌云. 物联网开放服务平台[J]. 电信科学, 2016, 32(2):120-125.

[6] Park D H , Bang H C , Pyo C S , et al. Semantic open IoT service platform technology[C]//2014 IEEE World Forum on Internet of Things (WF-IoT). IEEE, 2014.

[7] Behmann F , Wu K . Collaborative Internet of Things (C-IoT) (for future smart connected life and business)[M]. John Wilay & Sons, 2015:131-208.

[8] Gianni F , Mora S , Divitini M . RapIoT toolkit: rapid prototyping of collaborative Internet of Things applications[J]. Future Generation Computer Systems,2018: S0167739X17308555.

[9] Leonardo A , Elena M , Omar A K , et al. Internet of Tangible Things (IoTT): challenges and opportunities for tangible interaction with IoT[J]. Informatics, 2018.

[10] Wang S , Hou Y , Gao F , et al. Access features analysis of things in the Internet of Things[C]//International Conference on Information Science & Control Engineering. IEEE, 2016.

[11] 王书龙, 侯义斌, 高放, 等. 基于本体的物联网设备资源描述模型[J]. 北京工业大学学报, 2017,43(5):762-769.

[12] 孔祥龙, 王燕. 适用于低成本物联网终端的消息通讯协议比较研究[J]. 无线互联科技, 2015(16):49-52.

[13] Ouaddah A , Mousannif H , Elkalam A A , et al. Access control in The Internet of Things: Big challenges and new opportunities[J]. Computer Networks, 2016,112:237-262.

[14] 潘博文, 马超. 物联网物体描述方法与物体标识[J]. 物联网学报, 2018,2(2):27-32.

[15] 马超, 潘博文. 物联网物体描述方法研究[J]. 信息通信技术与政策, 2019(4):18-22.

IoT things access and control scheme based on description rules

LIU Peiyun, MA Chao, WEN Xiuxiu

（Information Science Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100086, China）

Abstract: Based on the description rules of Internet of Things object access and control method, this paper refines the common laws in the access of a large number of IoT objects, and solves the problem of the integration of IoT applications across vendors, types, and cross-vendors, considering object interaction interface protocol types. This method can effectively reduce the difficulty and complexity of IoT object accessing platform with strong scalability and good maintainability.

Key words: IoT；things access；things control；things description；integrated application

本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第8期

声明：本文来自信息通信技术与政策，版权归作者所有。文章内容仅代表作者独立观点，不代表安全内参立场，转载目的在于传递更多信息。如有侵权，请联系 anquanneican@163.com。