OpenIoT：开源物联网云平台的全面解析

# OpenIoT：开源物联网云平台的全面解析 ## 1 OpenIoT 系统组件 OpenIoT 系统包含多个关键组件，各组件协同工作以实现物联网数据的有效管理和服务交付。以下是主要组件的介绍： - **服务交付与效用管理器（SD&UM）**：该组件依据 OpenIoT 系统内的服务工作流组合数据流，以交付所请求的服务（通常以 SPARQL 查询形式表达）。同时，它还充当服务计量工具，跟踪每个服务的效用指标。 - **请求定义组件**：支持对 OpenIoT 平台的服务请求进行即时指定。它包含一组用于指定和制定此类请求的服务，并将其提交给调度器。该组件由图形用户界面（GUI）支持。 - **请求展示组件**：负责服务输出的可视化。此组件从合适的库中选择混搭（mash - ups），以促进服务展示。 - **配置与监控组件**：实现对 OpenIoT 平台内部署的传感器和服务功能的可视化管理与配置。 ## 2 OpenIoT 本体与语义互操作性 ### 2.1 OpenIoT 本体概述 OpenIoT 本体代表了一种通用的术语体系，用于融合感知数据与语义网。它增强了现有的传感器和互联网连接对象（ICOs）词汇表，添加了与物联网/云集成相关的额外概念，如用于注释测量单位、原始传感器值和特定粒度级别的兴趣点的术语。特别地，OpenIoT 本体扩展了 W3C SSN 本体，该本体支持对传感器的物理和处理结构进行描述。在 OpenIoT 本体中，传感器不仅限于物理传感设备，任何能够估算/计算现象值的事物都可视为传感器，例如设备、计算过程或它们的组合。传感器在本体中的表示将其测量的内容（领域现象）、物理传感器（设备）及其功能和处理（模型）联系在一起。 ### 2.2 本体的实现与应用 OpenIoT 本体以单个 OWL 文件形式提供，并支持半自动生成文档。通过添加额外注释，本体被划分为主题模块。本体的实现及其在 OpenIoT 架构中的集成通过 LSM 中间件完成。LSM 将虚拟传感器的数据转换为以 RDF（资源描述格式）存储的链接数据，这些数据实际上使用 SPARQL 进行查询。在物联网应用和 LSM 的特定上下文中，此类查询通常涉及传感器元数据和历史传感器读数。LSM 的 SPARQL 端点提供了发出这些查询的接口。LSM 部署的 RDF 三元组存储基于 OpenLink Virtuoso，并提供支持 SPARQL 1.1 标准的链接数据查询处理器。SPARQL 查询对整个集合执行一次，结果生成后即被丢弃，而对链接流数据的查询是连续的。连续查询首先在系统中注册，随着新数据的到来持续执行，新结果一旦生成就会输出。LSM 提供了广泛的接口（包装器）用于访问传感器读数，如物理连接、中间件 API 和数据库连接。每个包装器在运行时可插拔，以便在系统运行时开发新的包装器来连接新类型的传感器。包装器按照 OpenIoT 本体描述的数据布局以统一格式输出数据。 ### 2.3 相关流程 下面是 LSM 处理数据的流程图： ```mermaid graph LR A[虚拟传感器] --> B[LSM 中间件] B --> C[转换为 RDF 链接数据] C --> D[存储在 RDF 三元组存储] D --> E[通过 SPARQL 端点查询] F[新数据] --> B B --> G[连续查询处理] G --> H[输出新结果] ``` ## 3 移动代理与发布/订阅中间件 ### 3.1 CUPUS 中间件介绍 OpenIoT 通过名为 CloUd - based Publish/Subscribe middleware for the IoT（CUPUS）的发布/订阅中间件支持从移动传感器（如可穿戴传感器、内置在移动设备中的传感器）发现和收集数据。CUPUS 集成了两个关键部分： - 基于发布/订阅原则的传感器数据流云处理引擎。 - 运行在移动设备上的移动代理，用于从移动 ICOs 灵活采集数据。 在 OpenIoT 架构中，CUPUS 通过 X - GSN 与云数据库接口，X - GSN 对从移动设备收集的数据进行注释。因此，移动 ICOs 的数据流通过 X - GSN 进行注释并存储在 OpenIoT 云中，这与固定传感器的数据流通过 X - GSN 传感器中间件发布的方式类似。 ### 3.2 CUPUS 的功能特点 - **内容发布/订阅处理**：支持基于内容的发布/订阅处理，即无状态布尔订阅，具有一组用于最常见数据类型的表达性运算符（关系和集合运算符、字符串的前缀和后缀运算符以及 SQL BETWEEN 运算符），以及对滑动窗口的连续 top - k 处理。这种处理方式有助于在数据源附近对传感器数据流进行预过滤，仅将用户感兴趣、有价值和相关的数据推送到云中。过滤过程由云根据全局要求指导，而非在移动设备本地进行。 - **实时通知分发**：CUPUS 能够根据用户信息需求，近乎实时地将基于推送的通知从云分发到广泛分布的目的地，如移动设备。 ### 3.3 移动代理的工作机制 运行在移动设备上的移动代理（MB）可以连接和断开云内的发布/订阅处理引擎。一方面，带有传感器的设备作为数据源，MB 宣布其能够为平台贡献的数据类型，并将传感器添加到云数据存储中。另一方面，移动电话用户可以以订阅形式定义对数据的连续请求。基于移动设备用户或 OpenIoT 平台通过订阅表达的现有传感器数据请求，MB 从发布/订阅处理引擎接收订阅，这些订阅成为数据过滤器，以防止云内潜在的数据过载。这一机制确保只有相关数据从移动设备传输到平台进行注释和存储在 RDF 存储库中，并随后近乎实时地传输到合适的移动设备。 ### 3.4 处理引擎的弹性计算 由于发布/订阅处理引擎的负载由数量可变的发布者和订阅者以及不断变化的联合发布率产生，该引擎提供弹性实时计算。它并行处理多个订阅，从而最小化处理开销，并在不同负载下优化云资源的使用。 ## 4 OpenIoT 平台能力 ### 4.1 传感器和数据流的注册、部署与发现 OpenIoT 通过 X - GSN 管理传感器和互联对象的注册、数据采集和部署。X - GSN 是 GSN 的扩展，支持对传感器数据和元数据进行语义注释。X - GSN 的核心概念是虚拟传感器，它不仅可以代表物理设备，还可以是任何观察各种特征的抽象或具体实体。虚拟传感器可以是其他虚拟传感器的聚合或计算，甚至可以代表传感环境的数学模型。 为了将其数据传播到 OpenIoT 平台的其他部分，每个虚拟传感器需要在 LSM 中注册，以便其他应用程序和用户能够发现并访问其数据。传感器通过 X - GSN 注册，方法是发布其元数据的语义注释表示。为了将元数据与虚拟传感器关联，使用了一个简单的元数据描述符。X - GSN 根据 OpenIoT 本体创建 RDF 中的语义注释，并将其发布到 LSM 云存储库。 虚拟传感器的数据采集基于包装器，这些包装器通过串口通信、UDP 连接、HTTP 请求、JDBC 数据库查询等方式收集数据。X - GSN 为这些数据提供者实现了包装器，并允许用户开发自定义包装器。虚拟传感器和包装器设置在配置文件中指定，这些文件提供了要暴露的数据的内部细节。数据以数据流元组的形式表示，可以在线消费、查询或分析。在 OpenIoT 中，这一处理过程包括在传感器观测数据到达 X - GSN 时立即进行注释。 以下是虚拟传感器注册和数据采集的步骤： 1. 创建虚拟传感器的元数据描述符，包含传感器位置和暴露的字段，以及传感器字段与本体中高级概念的映射。 2. 通过 X - GSN 发布语义注释的元数据到 LSM 进行注册。 3. 配置虚拟传感器和包装器设置在配置文件中。 4. 包装器收集数据并以统一格式输出。 5. 对传感器观测数据进行实时注释。 ### 4.2 资源的认证和授权访问 在物联网生态系统中，各种应用程序的交互需要复杂的安全和访问权限方案。传统方法（如为每个应用程序创建不同的用户账户并为每个用户授予访问权限）随着应用程序和用户账户数量的增加而变得不可扩展。OpenIoT 采用了一种灵活且通用的认证和授权方法。 用户管理、认证和授权由隐私与安全模块及其 CAS（中央认证服务）服务执行。用户首次尝试访问受限资源时，会被重定向到一个中心登录页面，在那里他们向中央认证实体提供用户名和密码。如果认证成功，CAS 将用户重定向回原始网页，并向 Web 应用程序返回一个令牌。令牌代表已认证的用户，具有预定义的过期时间，仅在过期前有效。令牌在请求链中从一个服务传递到下一个服务，例如从用户界面传递到 LSM。服务可以检查令牌的有效性，或使用令牌检查该令牌所代表的用户是否具有必要的访问权限。 在实现方面，支持 OAuth2.0 的 Jasig CAS 已针对 OpenIoT 的需求进行了扩展。特别地，添加了用于从 CAS 检索授权信息的端点权限。授权信息包括用户角色/权限，权限是定义每个服务的操作或行为的文本值，使用通配符权限格式（Apache Shiro）。权限可以由冒号分隔的多个级别组成，每个应用程序可以根据预定义的模式定义这些级别。例如，权限字符串 “admin:delete_role:SERVICE_NAME” 有三个级别：“admin” 表示该权限用于管理任务，“delete_role” 是操作，“SERVICE_NAME” 是允许执行该操作的服务名称。 ### 4.3 零编程应用开发 OpenIoT 提供了一个集成环境（OpenIoT IDE），用于构建、部署和管理物联网应用程序。OpenIoT IDE 包含一系列可视化工具，这些工具具有以下功能： - 可视化定义物联网服务，无需掌握 SPARQL 语言的细节。 - 根据传感器的位置和类型进行可视化发现。 - 配置传感器元数据以集成到 X - GSN 中间件中。 - 监控各种物联网服务的状态，包括它们产生的数据量和所包含的传感器状态。 - 基于 Web2.0 混搭（如地图、折线/柱状图、仪表盘等）可视化物联网服务。 这些工具加速了物联网应用程序的开发过程，在许多情况下，简单的应用程序可以几乎零编程开发。 ### 4.4 基于质量驱动的移动传感器管理 随着移动众包传感应用产生大量具有不同传感覆盖范围和密度的数据，需要对 ICOs 进行移动性管理和质量驱动的移动传感器数据采集，以满足全局传感覆盖要求，同时考虑数据冗余和不同的传感器精度。 CUPUS 提供了从移动 ICOs 收集数据的手段，这些移动 ICOs 的地理位置在向云提供数据时可能会发生变化。运行在移动设备上的移动代理在进入新的地理区域时，会宣布其当前可用发布者能够提供的数据类型。此外，针对每个新的地理区域，会按需创建一个 X - GSN 虚拟传感器，用于推送和注释当前位于该地理区域内的所有移动传感器产生的数据。 CUPUS 通过智能数据采集机制满足质量要求（如能源效率、传感数据质量、网络资源消耗、延迟）： - **选择性数据采集**：通过在移动设备上部署移动代理，仅在需要时从附加到移动设备的外部数据源选择性地收集数据并传输到云。在没有当前活动订阅的地理区域运行的移动代理将抑制数据收集，避免向云发送不必要的数据。 - **集中式质量驱动管理**：CUPUS 集成了一个集中式质量驱动的传感器管理功能，旨在管理和采集传感器读数，以满足全局传感覆盖要求，同时避免冗余传感器活动，从而降低整个系统的能源消耗。在某个地理区域存在冗余数据源时，会调用决策引擎来确定一个最优的传感器子集，使其保持活动状态，以满足数据请求，同时考虑传感器精度、可信度和电池电量等参数。 ## 5 概念验证应用 ### 5.1 Phenonet 实验 Phenonet 利用传感器网络以比传统方法更高的分辨率收集作物品种试验的环境数据，并提供高性能的实时在线数据分析平台，使科学家和农民能够从获取的传感器测量值中可视化、处理和提取实时和长期的作物性能信息。 该实验使用了两种类型的传感器： | 传感器类型 | 描述 | | --- | --- | | 石膏块土壤湿度传感器（GBHeavy） | 安装在不同深度（如 20、30 和 40 cm），用于测量土壤湿度 | | 冠层温度测量传感器 | 用于测量冠层温度 | 实验的目标是通过分析根系活动、水分利用（土壤湿度）和温度的影响来监测特定作物品种的生长和产量。实时获取的作物生长信息有助于植物科学家研究人员估算作物品种的潜在产量。OpenIoT 促进了实时数据收集、传感数据的即时注释、数据清理、数据发现、存储和可视化的过程。 ### 5.2 城市众包传感应用 这是一个用于社区传感的移动应用程序，传感器和移动设备共同收集和共享感兴趣的数据，以实时观察和测量空气质量。携带可穿戴空气质量传感器的志愿者在城市中移动时，将传感数据贡献给 OpenIoT 平台。市民可以消费感兴趣的空气质量信息，通常是在他们附近实时获取。 以下是该应用的工作流程： ```mermaid graph LR A[可穿戴空气质量传感器] --> B[蓝牙连接] B --> C[Android 手机移动应用] C --> D[OpenIoT 平台] E[用户兴趣声明] --> C D --> F[推送相关数据到用户] ``` 用户可以声明接收附近环境数据（如温度、CO 水平）的兴趣，也可以表示希望接收某个区域随时间变化的最差空气质量读数或特定区域的平均读数。 ### 5.3 智能校园应用 智能校园应用将典型校园场景中人与物之间的交互信息整合到一个通用信息模型（CIM）中。该模型将传感器的观测数据、移动应用程序和静态结构信息结合到一个由 OpenIoT 管理的网络物理上下文中。 在原型中使用的传感器是基于 QR 码或 NFC 的扫描仪，用于检测和确认人员的存在，并识别资产和主题。移动应用程序用于预订工作场所和进行讨论。结构信息描述了校园资产，如建筑物、房间和工作场所，以及教学材料。OpenIoT 支持基于事件的流处理以及对 CIM 的上下文推理。 ## 6 总结 OpenIoT 提供了一个创新的物联网/云融合平台，具有以下显著优势： - **数据与应用集成**：实现了物联网数据和应用在云计算基础设施中的集成，为大规模物联网应用提供了强大的支持。 - **语义互操作性**：其语义互操作性功能是该平台与其他物联网/云平台相比的关键区别因素，为智慧城市和移动众包传感等领域的新应用开发提供了基础。 - **安全访问**：采用灵活通用的认证和授权方法，确保对资源的安全访问，适应物联网生态系统中多样化的应用需求。 - **便捷开发**：通过 OpenIoT IDE 提供的可视化工具，支持零编程开发物联网应用，大大加速了应用开发过程。 - **移动传感器管理**：能够有效处理移动传感器及其相关的 QoS 参数，通过智能数据采集机制满足质量要求，降低系统能源消耗。 总的来说，OpenIoT 平台为物联网应用的开发和部署提供了全面、高效、安全的解决方案，推动了物联网技术在各个领域的广泛应用和发展。