面向智能门锁的物联网中间件的设计与实现

发布时间：2020-06-19 15:26

【摘要】：随着第三次信息产业浪潮的到来,物联网跃然出现在我们生活中的方方面面,而随着温家宝总理提出的“感知中国”的概念,物联网已经变成热点话题,引起了全国人民的关注。不同于传统的互联网,物联网把各式各样琳琅满目的物品接入到了网络中。根据Gartner的统计,2017年物联网设备的数量已经超过了全球人口的数量,这意味着,在这个从互联网到物联网时代的转折中,万物物联正处在即将爆发的时刻。经过数十年的发展,传统的互联网已经形成了行业内通用的规范,而物联网还没有形成领域内认可的标准。如果向传统的互联网行业那样把海量的多源异构的数据交给后台服务器去处理,对硬件配置的要求将会十分夸张,而且也不利于服务器业务的横向纵向扩展。为了解决这个问题,缓解后台服务器的压力,物联网中间件的概念应运而生。本文以物联网中间件为切入点,探讨了如何设计一个功能完善、适应多种传输协议并且可以满足生产环境的单台服务器百万级别并发设备连接的中间件,并以此为基础,根据实际项目需要设计了一套物联网智能门锁系统。首先,本文介绍了中间件这一概念,以及它在项目架构中的位置,并引出物联网中间件的主要功能,即处理多源异构数据。接着探讨了行业内没有统一的传输协议标准这一话题,比较并分析了项目中需要用到的MQTT协议和CoAP协议的特点,设计对比仿真实验测试了它们的性能,并为在哪些领域使用这些协议提出了建议。其次,根据物联网中间件设计的主要需求,通过单台服务器百万级别的并发连接实验测试了 Nodejs实现高性能物联网中间件的可行性。在此基础上设计了以微服务为架构的智能门锁中间件系统,提供包含微服架构的服务发现、服务注册、服务升级等基本功能,同时还包括MQTT、CoAP传输协议数据处理、系统日志等模块,此外,为缓解海量数据对中间件的压力,使用Kafka集群作为物联网中间件与后端服务器信息交互的“桥梁”。最后,设计并实现了智能门锁系统的前端管理页面、移动端app以及后端服务器,使用数据库MongoDB的分片功能来持久化海量数据,并且与实现了与单台百万级并发连接的智能门锁中间件的对接。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU89;TP391.44;TN929.5
【图文】：

中间件,多源数据,三层结构,软件系统

８］逡逑0逡逑在整个系统架构中，中间件所处的位置如图２．１所示：逡逑应用层１逦逦邋应用层ｎ逡逑逦ｉＺ逦逦ＸＺ逦逡逑中间件层逡逑逦逦逡逑操作系统／硬件逡逑图２．邋１应用中间件的三层结构逡逑总的来讲，中间件作为一个独立的软件系统，可以使上层避免多源数据采集逡逑异构的问题，为上层提供便利。另外，在对分布式应用系统需求越来越高的今天，逡逑人们提出的中间件的理论，为分布式的广泛发展提供了支持。逡逑

协议结构

ＭＱＴＴ协议是应用层协议，采用了邋“发布／订阅”模式，就是指发布消息者逡逑和订阅消息者并不是通过ＭＱＴＴ协议直接进行信息交流。相反，数据交换由消逡逑息Ｂｒｏｋｅｒ邋（代理）通过ＭＱＴＴ协议执行。如图３．１所示：逡逑逦邋逦邋ｐａｙｌｏａｄ逦逦逡逑ｔｏｐｉｃ／ｐａｙｌｏａｄ逦逦逦逦—？—邋逦Ｎ逡逑发布者代理逦＾订阅者逡逑逦逦Ｉ逦ｂ＝＝＝＝ｌ逦逡逑ｔｏｐｉｃ逡逑图３．邋１邋ＭＱＴＴ协议结构图逡逑ＭＱＴＴ使用Ｃ／Ｓ邋（客户端／服务器）模型，每个传感器节点（嵌入式设备）是逡逑通过ＴＣＰ连接到代理服务器的独立客户端。ＭＱＴＴ是面向消息的，每个数据对逡逑代理都是离散的和不透明的［３５］。每个客户端可以订阅多个主题，代理服务器接逡逑收到消息后，会根据其主题的不同，会发送到所有订阅该主题的客户端上。同时，逡逑ＭＱＴＴ提供三种ＱｏＳ邋（Ｑｕａｌｉｔｙ邋ｏｆ邋Ｓｅｒｖｉｃｅ，服务质量）来应对不同的开发需求。逡逑１０逡逑

【参考文献】