基于QoS 的物联网网关中间件设计及应用

文/郑志凌 宋晓莉 刘霜霜

本文提出了一种支持QoS 的物联网网关中间件架构模型，对其中的各层进行了详细分析描述，并针对性的设计了QoS 管理模块。该模型经过应用验证，可以有效提高物联网系统的QoS。

【关键词】物联网 QoS 网关中间件

随着物联网技术的广泛应用，物联网已经渗透到我们身边的方方面面。由于数据量的大幅增加以及服务对象、种类的逐渐扩展，物联网的网关中间件需要提供QoS（Quality ofService）保障，实现对海量数据的有效管理和调度，对不同服务对象提供针对性的服务。

1 保障物联网网关中间件QoS的必要性物联网中的QoS 保障是国内外研究的热点，而在物联网网关中间件中实现QoS 保障主要基于以下几个方面的原因。

（1）物联网中需要针对具体业务应用来提供实时性、可靠性和稳定性的服务，对QoS有较高的要求。例如物联网在远程医疗的应用中，系统需要在病人身体出现异样时第一时间将情况数据发送到医生手中，以便医生可以及时作出医疗指导，否则会危及患者的生命健康。

（2）物联网的应用过程中，大量的异构终端设备都需要接入到网关中间件，这些终端都会单独产生海量数据，造成巨大的数据量同时涌入，而网关中间件的处理能力则是有限的，从而导致不同的数据争夺网关中间件的资源，对物联网中的QoS 产生影响。

（3）物联网的应用是多方面的，物联网网关中间件的服务对象所需要的服务要求也是不同的。例如有些应用需要保障数据传输的即时性和完整性，有些应用需要保证传输速度，因此对不同的服务对象，要提供不同条件下的QoS 保障。综上所述，物联网服务的即时性、资源分配的可调度、服务对象的多样化等方面都是需要保障物联网的QoS。

2 支持QoS的物联网网关中间件架构模型设计

QoS 保障机制是一种合理分配资源、数据快速可靠到达目的地的方法。在传统的有线网络中，由于丰富的带宽资源和高效的信息传输，人们对传统网络的QoS 没有太多的关注。摘 要传统的传感网往往以牺牲QoS 为代价来实现低功耗，而在物联网中需要根据不同的业务应用来实现QoS 保障。物联网网关中间件可以跨平台、跨操作系统实现物联网的主要功能。其工作流程是：先从终端设备中获取不同格式、不同类型的数据，然后将数据按照统一的格式进行处理，使接收到的数据形成统一的数据格式，再通过统一的Web 接口向用户提供所需的资源。此外，还有一些附加功能，例如实现对网关和其中的设备进行管理等。支持QoS 的物联网网关中间件架构模型设计为三层：设备抽象层、管理控制层和服务层。

2.1 抽象设备层

由于物联网接入终端设备的多样化，因此所进行的通信方式也是基于不同的模式和数据格式的。因此，网关中间件中需要一个结构来将所有的通信设备和通信协议造成的差异性进行统一化，然后将统一化后的数据进行后续处理。这部分的主要构成模块是各种设备驱动和网络驱动。

2.2 管理控制层

在将接收到不同设备的数据以及资料转发给不同的用户时，需要一个管理控制模块将数据按照种类、优先级、完整性等要求进行分类存储并管理。此外，管理控制层还要对终端设备和网关配置等相关的内容进行管理。

2.3 服务层

主要面向用户提供两个功能，一是将数据资源提供给用户访问，二是将相关资料和模块通过Web 服务来供用户来进行管理、控制。

3 物联网网关中间件QoS管理模块的设计物联网网关中间件还包含两个跨层次的功能模块：安全管理模块和服务质量管理模块。服务质量管理模块即QoS 管理模块，主要分为两个部分，一是数据采集和缓存，二是数据

调度和弃用。

3.1 数据采集和缓存模块是将各种设备输入的数据进行采集并存入缓存缓存的资源有两个优势，一是在用户反复对数据发出请求时，可以避免多次的数据采集过程，直接输出缓存中的数据，这样既节省了数据反复收发对设备造成的浪费，同时也节省了时间，为用户的请求作出更即时的相应。二是将暂时无法处理的数据存储，在设备空闲时利用管理模块对数据进行调度处理，避免发生数据混乱，导致设备性能降低。

3.2 数据调度和丢弃模块是将数据进行优先级标记，并根据不同数据所标记的优先级进行调度处理优先级的标记采用两个优先属性：优先级和优先权值，在相同的优先级数据中采用优先权值来进行细化的区分，通过优先级的排列选择数据处理的先后顺序，或是选择是否要将该数据舍弃。该模块可以保证数据服务的秩序，在数据量很大的情况下使优先权高的数据首先进行处理，然后依次处理高中低级的不同数据，确保网关不会因为同时接入巨大的数据量而导致设备出现问题，同时也能保证优先级低的数据在经过适当的等待时间后被处理。由于部分数据存入缓存模块中，该部分还筛选缓存中的数据是否过期，并及时清理，保证后续数据处理的效率。

4 支持QoS的物联网网关中间件的应用

本文所提出的支持QoS 的物联网网关中间件在智能家居系统中进行了应用试验。将智能家居系统中室内的各种常用电器设备以不同的连接方式接入到物联网网关中，例如温度传感器、湿度传感器、防盗警报、监视探头、声控设备、自动清洁器等，其中的连接方式有Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、以太网等。物联网网关中间件是一套基于.Net Framework 开发的软件系统。该软件系统收集上述电器设备的实时状态并进行显示，供工作人员对房屋内的状态进行实时监控。本文提出一种支持QoS 的物联网网关中间件的架构模型，对其内部的基本层次和功能模块进行了设计。该网关中间件已经投入物联网应用中，能够有效提高物联网系统的QoS，具有广阔的应用前景。

参考文献

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作者单位

湖南工业职业技术学院 湖南省长沙市

4100208