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面向物联网的闭环全生命周期管理系统中间件设计

更新时间：2019-12-18 20:52:46 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为了在闭环全生命周期管理系统中提供高效的数据服务,解决众多异构系统信息交互和全生命周期内信息分享等方面的问题,建立了一种基于物联网协议MQTT和NIO框架Netty的中间件.首先,简要概述了闭环生命周期管理的内涵和系统架构;其次,在分析闭环生命周期管理系统中间件特点的基础上,设计了中间件的软件架构和处理过程;最后,设计了测试实验并进行了测试.测试结果表明,闭环全生命周期管理系统中间件能够快速有效地实现无效产品数据过滤,在大数据量和数据服务订阅者模式下,中间件的普通消息处理平均时间维持在8.56 s以内,系统平均吞吐率为2 162 packets/s,可以满足闭环全生命周期管理数据服务的应用需求.同时,该中间件也非常适合于拥有大量传感器节点的物联网环境,实现大数据量系统的数据采集和分发基础服务.

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第３４卷第４期ꢀꢀꢀ

２０１７年４月ꢀꢀ

计算机应用与软件

Ｖｏｌ畅３４Ｎｏ．４

Ａｐｒ．２０１７

ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅ

面向物联网的闭环全生命周期管理系统中间件设计

程ꢀ健ꢀ许宜春ꢀ桑ꢀ成

（中国科学技术大学信息科学技术学院ꢀ安徽合肥２３００２７）

摘ꢀ要ꢀꢀ为了在闭环全生命周期管理系统中提供高效的数据服务，解决众多异构系统信息交互和全生命周期

内信息分享等方面的问题，建立了一种基于物联网协议ＭＱＴＴ和ＮＩＯ框架Ｎｅｔｔｙ的中间件。首先，简要概述了闭

环生命周期管理的内涵和系统架构；其次，在分析闭环生命周期管理系统中间件特点的基础上，设计了中间件的

软件架构和处理过程；最后，设计了测试实验并进行了测试。测试结果表明，闭环全生命周期管理系统中间件能

够快速有效地实现无效产品数据过滤，在大数据量和数据服务订阅者模式下，中间件的普通消息处理平均时间维

持在８．５６ｓ以内，系统平均吞吐率为２１６２ｐａｃｋｅｔｓ／ｓ，可以满足闭环全生命周期管理数据服务的应用需求。同

时，该中间件也非常适合于拥有大量传感器节点的物联网环境，实现大数据量系统的数据采集和分发基础服务。

关键词ꢀꢀ闭环全生命周期管理ꢀＭｅｓｓａｇｅＱｕｅｕｅＴｅｌｅｍｅｔｒｙＴｒａｎｓｐｏｒｔ（ＭＱＴＴ）ꢀＮｅｔｔｙꢀ中间件ꢀ物联网

中图分类号ꢀＴＰ３９３ꢀꢀꢀꢀ文献标识码ꢀＡꢀꢀꢀꢀＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００-３８６ｘ．２０１７．０４．００４

DESIGN OF MIDDLEWARE IN CLOSED-LOOP LIFECYCLE MANAGEMENT

SYSTEM FOR INTERNET OF THINGS

ＣｈｅｎｇＪｉａｎꢀＸｕＹｉｃｈｕｎꢀＳａｎｇＣｈｅｎｇ

（College of Information Science and Technology，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，Anhui，China）

AbstractꢀꢀＩｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｍｏｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄａｔａｓｅｒｖｉｃｅｉｎｃｌｏｓｅｄ-ｌｏｏｐｌｉｆｅｃｙｃｌｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｏｌｖｅｔｈｅ

ｐｒｏｂｌｅｍｏｆｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇａｎｄｓｈａｒｉｎｇｌｉｆｅｃｙｃｌｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｍａｎｙｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｓｙｓｔｅｍｓ，ａｍｉｄｄｌｅｗａｒｅｂａｓｅｄｏｎＭＱＴＴ

ａｎｄＮＩＯｆｒａｍｅｗｏｒｋＮｅｔｔｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎａｎｄａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｃｌｏｓｅｄ-ｌｏｏｐｌｉｆｅｃｙｃｌｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ

ｓｙｓｔｅｍａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｂｒｉｅｆｌｙ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｍｉｄｄｌｅｗａｒｅａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｉｄｄｌｅｗａｒｅｉｎｃｌｏｓｅｄ-ｌｏｏｐｌｉｆｅｃｙｃｌｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｉｄｄｌｅｗａｒｅｃａｎｑｕｉｃｋｌｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｖａｌｉｄｐｒｏｄｕｃｔｄａｔａｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．Ｉｎｔｈｅ

ｍｏｄｅｗｉｔｈｍａｓｓｄａｔａａｎｄｄａｔａｓｅｒｖｉｃｅｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒｓ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｉｍｅｏｆｎｏｒｍａｌｍｅｓｓａｇｅｋｅｅｐｓｌｅｓｓｔｈａｎ

８．５６ｓ，ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｉｓ２１６２ｐａｃｋｅｔｓｐｅｒｓｅｃｏｎｄ，ｗｈｉｃｈｂｏｔｈｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｒｉｅｍｅｎｔｓｏｆｃｌｏｓｅｄ-ｌｏｏｐ

ｌｉｆｅｃｙｃｌｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｄａｔａｓｅｒｖｉｃｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｍｉｄｄｌｅｗａｒｅｉｓａｌｓｏｗｅｌｌｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓｗｉｔｈａｌａｒｇｅ

ｎｕｍｂｅｒｏｆｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓ，ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｂａｓｉｃｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｅｒｖｉｃｅ．

KeywordsꢀꢀＣｌｏｓｅｄ-ｌｏｏｐｌｉｆｅｃｙｃｌｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔꢀＭｅｓｓａｇｅｑｕｅｕｅｔｅｌｅｍｅｔｒｙｔｒａｎｓｐｏｒｔ（ＭＱＴＴ）ꢀＮｅｔｔｙꢀＭｉｄｄｌｅｗａｒｅꢀ

Ｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓ

生产阶段数据的管理，无法形成产品全生命周期信息

流闭环管理。闭环全生命周期管理ＣＬ２Ｍ（Ｃｌｏｓｅｄ-

ＬｏｏｐＬｉｆｅｃｙｃｌｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔ）^［１］为解决上述问题提供了

新思路，它主张在产品中嵌入信息装置ＰＥＩＤ（Ｐｒｏｄｕｃｔ

ＥｍｂｅｄｄｅｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ），跟踪和收集产品数据，

建立产品数据＆知识管理ＰＤＫＭ（ＰｒｏｄｕｃｔＤａｔａ＆

0ꢀ引ꢀ言

目前，企业产品数据管理工具主要有：计算机辅助

设计／制造（ＣＡＤ／ＣＡＭ）、产品数据管理（ＰＤＭ）、产品

生命周期管理（ＰＬＭ）等。这些工具主要实现产品设计

收稿日期：２０１６－０３－０７。程健，高级工程师，主研领域：分布式网络测控技术及应用，智能仪器与自动检测技术，嵌入式系统

万方数据

（包括ＦＰＧＡ、ＤＳＰ）及其应用，物联网环境下闭环生命周期管理系统。许宜春，硕士生。桑成，硕士生。

ꢀ

第４期ꢀꢀꢀ

程健等：面向物联网的闭环全生命周期管理系统中间件设计

ꢀ１７

ＫｎｏｗｌｅｄｇｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔ）系统，存储、分享产品数据、信

息和知识，从而达到高效管理产品全生命周期活动的

则是一项重要性能指标。中间件没有强实时要求，但

必须保证一定的消息处理实时性。

目的^［２］

。

目前，针对ＣＬ２Ｍ系统及其中间件已有一定研究

成果。Ｊ．Ｃａｓｓｉｎａ、Ｄ．Ｋｉｒｉｔｓｉｓ等研究了物联网环境下

ＣＬ２Ｍ系统架构，提出ＰＭＩ（ＰＲＯＭＩＳＥＭｅｓｓａｇｅＩｎｔｅｒ-

ｆａｃｅ）作为系统中间件通用信息交换接口^{［５－６］}。Ｋａｒｙ

Ｆｒａｍｌｉｎｇ等基于Ｄｉａｌｏｇ架构与ＣＬ２Ｍ系统架构的相似

性，研究了在Ｄｉａｌｏｇ代理中构建ＣＬ２Ｍ中间件问

ＣＬ２Ｍ系统的体系结构如图１^［３］所示。数据获取

层实现产品全生命周期数据获取，数据管理层提供基

础中间件、数据存储、决策ＤＳＳ（ＤｅｃｉｓｉｏｎＳｕｐｐｏｒｔＳｙｓ-

ｔｅｍ）与数据挖掘等核心功能。ＰＬＭ商业应用层依托

数据管理层提供个性化产品服务与物联网服务，如租

赁型产品服务、产品故障诊断与预测维护服务等。

题

^{［７－８］}。ＳｙｌｖａｉｎＫｕｂｌｅｒ等从产品生命周期管理角度出

发，研究并提出了将产品管理扩展至物联网“万物”管

理的中间件信息交换标准ＱＬＭ（ＱｕａｎｔｕｍＬｉｆｅｃｙｃｌｅ

Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）^{［４，９］}。国内，王旭等对ＣＬ２Ｍ理念进行了

综述研究^［１０］，刘刚研究了产品全生命周期数据的统一

建模与各个阶段数据映射理论^［１１］，对于ＣＬ２Ｍ系统中

间件及其信息交换标准的研究尚属空白。

但，文献［７－８］基于Ｄｉａｌｏｇ设计的系统中间件更

适合产品物流管理，文献［４－６，９］提出的中间件信息

交换标准依赖ＨＴＴＰ等协议，并不适合于物联网环境

中资源受限的设备。本文在轻量级物联网协议ＭＱＴＴ

（ＭｅｓｓａｇｅＱｕｅｕｅＴｅｌｅｍｅｔｒｙＴｒａｎｓｐｏｒｔ，消息队列遥测传

输）基础上，提出满足ＣＬ２Ｍ系统信息交互环境的

ＣＬ２Ｍ系统中间件设计，并扩展至物联网环境下大量

传感器节点管理的基础数据中间件服务应用。

图１ꢀＣＬ２Ｍ系统体系结构^［３］

ＣＬ２Ｍ系统中间件又称ＣＬ２Ｍ数据服务，旨在为

ＣＬ２Ｍ系统构建基础产品数据服务网络，并通过通用

信息交换标准接口为系统其他组件（如ＰＥＩＤｓ、ＰＤＫＭ、

ＤＳＳ）和第三方组织等异构系统（如仓储管理系统、移

动应用等）提供产品全生命周期数据获取、持久化与

分享等服务。ＣＬ２Ｍ系统中间件具有以下特点：

１）提供通用信息交换标准接口，实现ＣＬ２Ｍ系统

不同组件和后端系统集成，并与其他异构系统信息

交互。

1ꢀCL2M 系统中间件架构设计

ＣＬ２Ｍ系统中间件典型实现模式为点对点Ｐ２Ｐ，而

发布／订阅（Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ／Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅ，Ｐｕｂ／Ｓｕｂ）作为一种

新的消息中间件实现模式，具有异步、松耦合互联、多

对多通信、体系结构开放和资源重组灵活等特点^［１２］

。

ＭＱＴＴ是一种基于发布／订阅模式设计的物联网消息

传输协议，协议开放、简单、易用，非常适合网络、处理

器、存储等资源受限的环境^［１３］，因而适合作为ＣＬ２Ｍ

系统中间件通用信息交换接口。而非阻塞异步框架

Ｎｅｔｔｙ则是一种优秀的、用于高性能服务器开发的编程

框架。

２）安全和隐私。不同用户对产品数据拥有不同

权限，必须保证用户在权限允许范围内获取正确的产

品数据。

３）持久化服务^［４］。请求数据不可达或用户不可

达时持久化请求或响应数据。

４）支持订阅服务^［４］。通过订阅关注产品，用户便

能获得不断更新的产品全生命周期数据。

５）支持无效数据过滤。中间件涉及不同产品数

据源交互，数据繁多，为提高处理效率，须对无效数据

过滤，防止无效数据充斥数据服务网络。

因此，本文基于ＭＱＴＴ和Ｎｅｔｔｙ设计ＣＬ２Ｍ系统中

间件，包括发布／订阅核心执行引擎（包括消息收发、

消息缓存池、消息过滤、订阅管理）、身份验证管理、

ＡＣＬ管理、自动订阅管理和心跳机制模块，同时为了便

于用户通过浏览器主动请求获取产品生命周期数据，

提供了Ｗｅｂ服务。整个中间件的软件架构如图２

所示。

６）并发性、实时性。传统企业应用环境下，与中

间件交互的节点有限，并发性要求不高。但ＣＬ２Ｍ系

万方数据

统扩展至物联网中所有节点生命周期管理时，并发性

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