物联网环境下CL2M系统中间件研究与设计

发布时间：2017-08-17 18:32

  本文关键词：物联网环境下CL2M系统中间件研究与设计

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【摘要】：随着物联网、信息通信等技术的不断发展,如何利用相关技术和标准,消除产品全生命周期各阶段间的信息壁垒,形成产品全生命周期信息流和知识流闭环管理,从而提升企业对产品的持续追踪水平,改进产品设计和制造能力,并提供创新性产品和服务,已成为亟待解决的问题。闭环全生命周期管理(Closed-loop Lifecycle Management,CL2M)为解决该问题提供了新的思路和方法。但是,目前CL2M系统还不完善,没有标准化的中间件规范,缺乏独立且通用的CL2M系统中间件,而这些是解决产品全生命周期基础数据服务问题的关键。本文在分析CL2M系统中间件特性的基础上,引入消息队列遥测传输(Message Queue Telemetry Transportation, MQTT)协议作为CL2M系统中间件标准,通过对CL2M系统中间件相关问题的研究,给出了中间件的具体构建方案,设计并实现了CL2M系统中间件。论文的主要工作内容如下：1、针对CL2M系统中间件标准,通过对PMI (PROMISE Message Interface)和QLM (Quantum Lifecycle Management)标准提议进行解析,找出了其中存在的问题,如缺乏错误处理机制、没有考虑安全和隐私以及不适合资源受限设备等。在此基础上,将MQTT协议与PMI和QLM标准提议进行了对比分析,并研究了MQTT协议扩展问题,如规范客户ID表达和消息负载格式,定义指定消息主题紧急因子功能。最后,提出引入MQTT协议作为CL2M系统中间件标准的设计思想。2、分析了CL2M系统中间件相关问题并提出了解决之策。定义了基于MQTT的中间件模型,并采用基于NIO模式的Netty框架设计,满足了中间件并发性指标。通过定义消息紧急因子来区分消息紧急性,实现中间件紧急消息优先路由。基于多维计数布隆滤波器进行了中间件无效消息过滤算法设计。最后,为了将CL2M代理功能从中间件中解耦,设计了CL2M代理并集成产品数据采集功能。3、在分析CL2M系统中间件相关问题、应用目标要求的基础上,设计了中间件系统框架、各功能模块及驱动机制。具体内容包括：各功能模块处理流程的设计：各功能模块的编程实现：无效消息过滤算法：基于多优先级队列的紧急消息优先路由策略：基于XML文件的消息负载内容格式校验算法等。4、为了测试CL2M系统中间件的性能,针对消息过滤有效性、并发性、消息处理时间、系统吞吐率和可用性等特性指标,搭建测试方案并进行了详细测试。测试结果表明,设计的CL2M系统中间件满足具体应用目标要求。
【关键词】：闭环全生命周期管理 中间件 物联网 消息队列遥测传输 Netty
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.44;TN929.5;TB472
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 相关研究现状13-16
• 1.2.1 物联网研究现状13-14
• 1.2.2 CL2M系统中间件的研究与发展14-15
• 1.2.3 CL2M系统中间件相关软件研究与发展15-16
• 1.3 本文主要研究内容16-17
• 1.4 本文章节安排17-18
• 第2章 CL2M系统概述和中间件标准研究18-36
• 2.1 CL2M系统概述18-21
• 2.1.1 传统产品生命周期管理的问题18
• 2.1.2 CL2M系统内涵18-19
• 2.1.3 CL2M研究内容19-20
• 2.1.4 CL2M系统架构20-21
• 2.2 CL2M系统中间件特性分析21-23
• 2.3 CL2M系统中间件标准研究23-34
• 2.3.1 PMI标准提议24
• 2.3.2 QLM标准提议24-27
• 2.3.2.1 O-DF24-26
• 2.3.2.2 O-MI26-27
• 2.3.3 PMI和QLM标准提议存在的问题分析27-28
• 2.3.4 物联网协议MQTT28-30
• 2.3.5 MQTT与PMI/QLM对比分析30-31
• 2.3.6 MQTT协议扩展研究31-34
• 2.3.6.1 连接包扩展31-32
• 2.3.6.2 发布包消息内容负载格式规范化32-33
• 2.3.6.3 订阅包扩展33-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 CL2M系统中间件相关问题分析及解决方案36-52
• 3.1 中间件模型36-37
• 3.2 并发性问题37
• 3.3 消息紧急性定义37-38
• 3.4 无效消息过滤38-44
• 3.4.1 标准布隆滤波器原理38-40
• 3.4.2 消息过滤算法设计40-44
• 3.4.2.1 算法描述42
• 3.4.2.2 哈希函数的设计42
• 3.4.2.3 哈希函数个数和计数器数组计算42-44
• 3.4.3 算法时间和空间复杂度44
• 3.5 CL2M代理44-50
• 3.5.1 CL2M代理的功能和结构框图44
• 3.5.2 CL2M代理的模块设计44-48
• 3.5.2.1 微控制器模块44-45
• 3.5.2.2 传感检测模块45
• 3.5.2.3 RFID读写器模块45-46
• 3.5.2.4 GPS模块46-47
• 3.5.2.5 通信模块47-48
• 3.5.3 CL2M代理的软件设计48-50
• 3.5.3.1 软件系统设计48-50
• 3.5.3.2 MQTT软件实现50
• 3.6 本章小结50-52
• 第4章 CL2M系统中间件设计与实现52-76
• 4.1 需求分析52-53
• 4.1.1 应用目标52
• 4.1.2 功能性需求分析52-53
• 4.1.3 非功能性需求分析53
• 4.2 系统架构设计53-55
• 4.3 系统功能模块结构55
• 4.4 系统模块化设计55-65
• 4.4.1 消息收发和消息过滤55-57
• 4.4.2 身份验证57
• 4.4.3 ACL管理57-58
• 4.4.4 自动订阅58
• 4.4.5 订阅管理58-61
• 4.4.5.1 产品消息主题设计59
• 4.4.5.2 主题匹配59-60
• 4.4.5.3 订阅请求处理60
• 4.4.5.4 发布消息处理60-61
• 4.4.6 消息缓存61-63
• 4.4.6.1 接收消息缓存池61-62
• 4.4.6.2 发送消息缓存池62-63
• 4.4.7 消息内容校验63-64
• 4.4.8 元数据管理和发现服务64
• 4.4.9 心跳机制64
• 4.4.10 web服务64-65
• 4.5 数据库设计65-66
• 4.6 CL2M系统中间件实现66-75
• 4.6.1 CL2M系统中间件主程序66-68
• 4.6.2 消息收发实现68
• 4.6.3 消息过滤实现68-69
• 4.6.4 ACL验证和身份验证实现69-70
• 4.6.5 自动订阅实现70
• 4.6.6 主题树构建与主题匹配实现70-71
• 4.6.7 消息缓存实现71-72
• 4.6.8 消息内容校验实现72
• 4.6.9 心跳机制实现72-73
• 4.6.10 Web服务实现73-75
• 4.6.10.1 用户登录注册73
• 4.6.10.2 历史数据查询73-74
• 4.6.10.3 文件上传和下载74-75
• 4.7 本章小结75-76
• 第5章 验证实验的设计与测试76-86
• 5.1 实验测试场景76-78
• 5.1.1 基于等离子体设备测控系统的测试方案76-77
• 5.1.2 CL2M系统中间件客户端开发77
• 5.1.3 CL2M系统中间件部署77-78
• 5.2 CL2M系统中间件实验测试及结果分析78-83
• 5.2.1 消息过滤测试78-79
• 5.2.2 并发性测试79-81
• 5.2.3 消息处理时间测试81-82
• 5.2.4 系统吞吐率测试82-83
• 5.2.5 可用性测试83
• 5.3 实验结论83-84
• 5.4 本章小结84-86
• 第6章 总结与展望86-88
• 6.1 工作总结86-87
• 6.2 下一步工作展望87-88
• 参考文献88-94
• 附录 数据表达格式示例94-96
• 致谢96-98
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果98

【参考文献】

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本文编号：690471