3.2　物聯網服務平臺架構的概念模型

從概念上來說，“架構”是一個抽象的泛化模型，包含了與“物聯網”領域相關的所有的抽象元素及其關系，是對主要概念元素、目標系統實際元素、它們之間的關系及體系結構設計原則的高層次描述，其中的概念元素泛指系統預期的功能、涵蓋的數據、抽象的服務等。

3.2.1　物聯網服務平臺架構核心概念的抽象

當前，物聯網服務平臺架構技術的研究通常采用面向具體應用領域的方式進行，難以應對物聯網設備的異構性問題，更沒有完成對異構物聯網設備在理論層面的抽象描述，無法實現跨應用平臺環境下物聯網應用實例間的互通。因此，需要構建統一的抽象模型對異構設備進行建模，為不同應用平臺實例間的互通提供支持，實現設備數據與操作的一致性，并避免應用與設備的耦合度過高。同時，考慮到物聯網設備互聯網絡的動態特性，需要利用抽象靈活的數據結構對網絡拓撲進行表征及維護，以最小的開銷為設備的數據同步與交互操作提供支持。

通用物聯網服務平臺架構如圖3-2所示，作為支撐物聯網設備與物聯網應用的服務平臺，其目標是使異構的物聯網設備與物聯網應用解耦，從而打破現有物聯網應用的垂直開發模式，解決物聯網服務平臺架構的應用局限和封閉性問題，實現各平臺實例間透明的互聯互通。

物聯網服務平臺架構應該具有以下技術特性。

（1）通用性。物聯網服務平臺架構的最終目標是帶動物聯網相關產業的整體發展，因此要具有足夠的通用性，能夠為各行業、各領域提供通用的物聯網服務。

（2）先進性。物聯網服務平臺架構的設計需要充分考慮物聯網技術的未來發展趨勢，從而保持其先進性。

（3）兼容性。物聯網服務平臺架構應該充分利用現有的通信方式，結合電信系統與互聯網的特點與優勢，以互聯網為基礎，兼容現有的物聯網應用技術。

（4）可擴展性。物聯網服務平臺架構模型應預留靈活的升級接口，并在技術層面保留充分的升級空間。

（5）標準化。物聯網服務平臺架構模型應充分采用業界開放標準，并利用標準的擴展及推廣。

互聯網是完成人與人、人與信息交互的網絡，而物聯網是完成人與物體、物體與物體交互的網絡。物體與用戶之間實際上并不能直接交互，必須通過某些操作接口或者交互接口實現。通過這些操作接口，用戶可以獲得物體的屬性或者改變物體的狀態。例如，用戶可以通過網絡遠程操作打開和關閉攝像頭，獲取圖像。在網絡域中，這些操作接口其實就是軟件領域中的服務。因此，從最本質的方面來說，物聯網是使物理世界中的對象和位置能夠在數字世界中具有相應表示的一種提供技術支持的基礎設施，而我們要在數字世界中表示物理世界中的對象的原因是期望使用“軟件”來實現對“物”的遠程監控，并與物理世界進行交互。

從另一個維度來說，用戶的直接交互對象并不是物體，而是物體在網絡空間中的映像，即一個虛擬對象，這個虛擬對象就是物體在網絡空間中的映像。這個虛擬對象是物體的屬性、參數、操作接口（服務）在網絡中的聚合。假設將這個對象稱為虛擬實體（Virtual Entity，VE），則物體、虛擬實體交互模型如圖3-3所示。

基于上述最基本的模型抽象描述，根據視點的不同，可以用多個不同的視圖來描述特定領域的體系結構參考模型，以捕獲與模型相關的特定屬性。在工程領域中廣泛采用的視圖有功能視圖、信息視圖、部署視圖等，而所有視圖的構建都是基于該領域的領域模型來實現的。領域模型是針對特定領域的“問題域”的最高層次的抽象表述，它通過領域場景的構建和用例分析來獲得概念的抽象及功能的需求，以及非技術性約束的標識；是建立設計目標和原則、細化概念視圖、確定所需功能及描述功能和信息邏輯的基礎。

3.2.2　物聯網服務平臺架構的領域模型

領域模型用于定義特定領域中的主要概念，它從業務角色內部的觀點來定義業務用例，是對業務角色和業務實體之間應該如何聯系和協作以執行業務的一種抽象表述，它關注的是模型中的對象在業務中所承擔的角色及其職責。

由于領域模型主要用來抽象某一領域中的核心概念及其基本屬性，以及這些概念之間的相互關系，因此領域模型相對穩定，即使根據該領域模型所建立的體系結構參考模型（Architecture Reference Model，ARM）中的細節可能會隨著時間的推移而不斷進化或演變，領域模型中所抽象出的概念仍在一段相當長的時間內保持不變。領域模型一般使用統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）來表示領域內的主要概念及彼此的關系，它可以作為相關領域研究人員之間、跨不同領域工作人員之間進行技術交流的有力工具。

可以看出，物聯網和當今互聯網有一個根本的區別：互聯網服務是一個內容和服務的虛擬世界（盡管這些服務托管在真實的物理機器上），而物聯網則完全通過互聯網與真實的物理實體進行交互，即對于物聯網模型來說，物的交互相對于通信的交互得到了提升。由此可知，與物理環境的交互是物聯網技術的核心思想，因此需要在領域模型中明確地表述這種思想所涉及的核心對象及彼此間的關系。一個簡化的物聯網系統架構的領域模型如圖3-4所示。該模型抽象出了物聯網環境中最基本、最核心的概念（模型）及其相互關系。

在物聯網環境中，一類最基本的交互是人或應用（程序）與物理世界中的對象或位置之間的交互。因此，用戶（User）和物理實體（Physical Entity）是領域模型中的兩個關鍵概念。模型中的用戶可以是人，交互可以是物理的，這種物理上的交互是人類為了達到某一目的而產生的意圖。此外，人類用戶還可以選擇通過服務（Service）或應用與物理環境進行交互，在這種情況下，應用（程序）也將承擔領域模型中的用戶角色。

與虛擬實體相關聯的數字構件是僅存在數字世界中的構件，它可以是被動的（如數據庫條目），也可以是主動的（如應用程序軟件）。此外，領域模型將由物理實體和虛擬實體共同組成的特殊的設備描述為加強實體（Augmented Entity），即由兩種不同類型的實體組合而成的實體。

為了通過虛擬實體對相應的物理實體進行監控或實現彼此交互，物理實體或其所處的環境中需要裝備特定類型的設備（Device），或者將特定的設備嵌入其環境中。設備通常是實現物理世界和虛擬環境之間交互的物理構件，也可以是完成某種類型的應用的物理實體，如管理應用程序。在物聯網領域模型中，三種最重要的設備類型如下。

（1）傳感器（Sensor）：可以是簡單的或復雜的設備，通常包含一個變換器（Transducer），以將物理屬性（如溫度）轉換為電信號。一般來說，這類設備還具有將模擬電信號轉換為所需的數字信號、進行簡單計算、存儲中間結果的能力，以及對獲取的數字信號進行傳輸和接收命令的通信能力。

（2）執行器（Actuator）：這類設備也可以是簡單的或復雜的設備，一般內部包含變換器，以將電信號轉換為物理特性的變化（如打開開關或啟動電機）。這類設備還需要具備通信能力，中間命令的存儲、處理及將數字信號轉換為模擬電信號的能力。

（3）標簽（Tag）：標簽用于標識其所依附的物理實體。在現實世界中，標簽既可以是設備，也可以是物理實體，但不能二者都是。標簽作為設備的一個例子是射頻識別（RFID）標簽，而作為物理實體的典型應用是紙質的不可變的條形碼或快速響應（QR）代碼。無論是電子設備標簽還是紙質實體標簽都包含一個唯一的標識，并且可以通過光學手段（條形碼或二維碼）或無線電信號（RFID標簽）讀取。本質上，用于操作標簽的閱讀器通常是一個傳感器，特別是在可寫RFID標簽的情況下，傳感器和執行器可以組合在一起。

設備也可以是多種設備的集合，如傳感器節點可以包含溫度傳感器、發光二極管（執行器）和蜂鳴器（執行器）等。對于物聯網中的任何設備來說，其通信、處理、存儲，以及能量儲備的能力決定了其所采用的設計決策，如設備是否應內置所有資源，為了節約能源設備是否應具備睡眠模式，收集到的數據是否可以保存在本地或必須盡快傳播等。

領域模型中的資源（Resource）是為控制物理實體而提供的數據或作為數據端點的軟件組件。資源有兩種類型，即設備資源（on-Device Resources）和網絡資源（Network Resources）。設備資源通常駐留在設備自身或者設備所連接的物理實體的控制點上，并且能夠為設備提供所需的信息。例如，部署在房間內的溫度節點上的溫度傳感器所承載的軟件組件能夠響應房間溫度的查詢操作。網絡資源是托管在網絡或云中的軟件組件。一個虛擬實體可能與多種資源相關聯，這些資源能夠為虛擬實體提供信息或控制由虛擬實體所表示的物理實體。資源有以下多種類型。

（1）傳感器資源：用于提供傳感器數據。

（2）執行機構資源：能夠提供驅動能力或執行器的狀態。

（3）處理器資源：將所獲得的傳感器數據作為輸入，并提供加工后的數據作為輸出。

（4）存儲器資源：存儲與物理實體相關的數據。

（5）標簽資源：提供識別物理實體的數據。

模型通過資源的概念將（監視或控制）功能抽象為具有開放和標準化接口的服務（Service），從而隱藏了資源的底層實現細節，即可以認為服務是用戶通過虛擬實體與物理實體進行交互的數字構件。由此可知，與裝備了某種設備的物理實體相關聯的虛擬實體所使用的資源一定與相應的服務資源關聯。虛擬實體與服務之間的這種關聯使得虛擬實體可以通過多個冗余資源或服務進行監視或控制。因此，維護這些關聯對于用戶對資源進行查找或發現非常重要。在物聯網環境中，服務可以根據其抽象程度分為以下三類。

（1）資源級服務（Resource-Level Services）：通常采用開放設備上的資源來實現設備所提供的功能。此外，這種類型的服務通常需要考慮服務質量方面的相關問題，如安全性、可用性和服務性能等問題。除設備自身的資源外，還存在駐留在功能更強大的服務器或云中的網絡資源，網絡資源能夠提供資源級服務并抽象實際資源的物理位置。資源級服務通常具有基于資源自身標識來訪問資源信息的接口。

（2）虛擬實體級服務（Virtual Entity-Level Services）：提供關于虛擬實體的信息及交互功能，因此其服務接口通常包含虛擬實體標識。

（3）集成服務（Integrated Services）：是由資源級服務和虛擬實體級服務的任何組合所構成的服務。

為了實現用戶通過數字環境與物理世界進行交互，在物聯網系統中對物理實體的識別非常重要，典型實現方式如下。

（1）使用物理實體的自然特征進行識別。

（2）使用附加到物理實體上的標簽進行識別。

除了識別問題，位置和時間信息對于收集特定的物理實體信息并在虛擬實體中進行表示也很重要。因此，可以將虛擬實體的位置（通常是位置的時間戳）建模為虛擬實體的屬性，并通過位置感知資源來獲取該屬性。