基于傳感網(wǎng)絡的中間件設計方法

1、概述
中間件是位于平臺（硬件和操作系統(tǒng)）和應用之間的通用服務，這些服務具有標準的程序接口和協(xié)議。針對不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺，它們可以有符合接口和協(xié)議規(guī)范的多種實現(xiàn)。
傳感器網(wǎng)絡中間件是面向傳感器網(wǎng)絡的部署及應用開發(fā)構建的通用中間件平臺。它包含一個支持多應用的運行環(huán)境和一系列標準化系統(tǒng)服務，如數(shù)據(jù)聚合、控制和管理策略以及自適應能量有效機制等。該方法可以簡化傳感器網(wǎng)絡設計的復雜度，并解決傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)中的種種限制和挑戰(zhàn)問題，為傳感器網(wǎng)絡的研究、應用和開發(fā)提供一個高效節(jié)能、可擴展和安全的開發(fā)方法和平臺。
傳感器網(wǎng)絡中間件平臺的設計目標是實現(xiàn)一個基于異構傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)管理平臺，應用開發(fā)者可以基于傳感器網(wǎng)絡中間件快速地開發(fā)和部署相關應用，而無需了解傳感器網(wǎng)絡底層的具體技術實現(xiàn)。傳感器中間件為應用用戶提供統(tǒng)一的系統(tǒng)級視圖，并且屏蔽所有的底層復雜處理的操作。
本文設計并實現(xiàn)了一種傳感器網(wǎng)絡中間件平臺系統(tǒng)。該平臺可以為傳感網(wǎng)絡應用開發(fā)者提供統(tǒng)一的開發(fā)接口和視圖，屏蔽傳感器網(wǎng)絡的底層實現(xiàn)技術，并支持用戶對異構傳感網(wǎng)絡的部署、管理與應用。
2、傳感網(wǎng)絡中間件的體系架構設計
傳感網(wǎng)絡中間件的設計目標很清晰。簡單說，就是為了實現(xiàn)上層應用開發(fā)的靈活性，為上層應用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢和網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測等服務，屏蔽底層物理傳感網(wǎng)絡及相關協(xié)議的細節(jié)。同時，作為中介角色，彌合底層傳感網(wǎng)絡異構性所帶來的數(shù)據(jù)格式和通信接口上的差異，將上層應用的數(shù)據(jù)查詢及網(wǎng)絡監(jiān)測等服務請求轉換為傳感網(wǎng)絡能夠理解的形式，并取得相關反饋。
中間件體系的設計決定了中間件的功能、使用范圍、靈活性、可擴展性、可實施性以及具體的性能指標（包括數(shù)據(jù)的處理能力、處理延遲、穩(wěn)定性、安全性等）。因此，開展該方向研究的首要工作內容就是要設計一個完善、合理的體系結構，本文采取一種“從兩端到中間”的設計思路，如圖1：
中間件分為三層，三個層次分別是上層應用API及服務接口、中間件服務層以及底層物理網(wǎng)絡接口。通信模塊負責處理中間件不同部署方式下的通信鏈路維護。其中，中間件服務層中具體的功能模塊劃分和模塊之間的關聯(lián)關系決定了中間件的功能模型。
3、傳感網(wǎng)絡中間件部署模式
有了基本的傳感網(wǎng)絡中間件體系結構和功能模型，還不能清晰勾畫出中間件在傳感網(wǎng)絡應用開發(fā)中的角色和作用，不能提供一個完整的基于中間件的傳感網(wǎng)絡應用開發(fā)方案。為了實現(xiàn)這些目標，必須明確中間件的部署模式。部署方式，決定了中間件的主要功能實體的分布和中間件內部層次及功能模塊之間的通信形式及基本流程。
從靈活部署和易于實現(xiàn)的角度出發(fā)，采用基于SensorNode（感知節(jié)點）－SinkNode（Sink節(jié)點）－Gateway（網(wǎng)關）－ControlSite（控制節(jié)點）－Applicatioin（應用）的5級部署模型較為適合。中間件的各功能模塊和層次模型可以根據(jù)應用的實際需要在上述5類實體上部署。不同的部署對于中間件的實現(xiàn)特別是通信模塊的實現(xiàn)有不同的要求。
4、傳感網(wǎng)絡中間件的基本功能模型
無論是從上層應用還是從底層傳感網(wǎng)絡的角度來看，作為一個承上啟下的角色，傳感網(wǎng)絡中間件最為基本、關鍵的功能無外乎以下三類：傳感數(shù)據(jù)管理功能、傳感網(wǎng)絡管理功能和通信功能。在圖2所示的傳感網(wǎng)絡體系結構框架基礎上，我們對傳感網(wǎng)絡中間件的功能進行了細化，初步制定了如圖所示的基本功能模型。
為此，需要針對這三大基本功能模塊開展深入的研究，并基于研究結論不斷豐富和完善整體的傳感網(wǎng)絡中間件體系結構。
5、結語
本文設計了傳感器網(wǎng)絡中間件，為下一步大規(guī)模實現(xiàn)應用服務提供了支撐和保障。結合現(xiàn)在已有的部分應用服務，證明此中間件設計方法具有很好的擴展性和維護性。