物聯網技術及應用（第2版）第7章物聯網應用系統設計7.1物聯網應用系統概述7.2物聯網應用系統設計7.3基于M2M“智慧城市”平臺設計【主要內容】7.1物聯網應用系統概述物聯網應用系統：是綜合物聯網應用共性特點，貫穿感知、傳輸、服務三層的功能模塊、協議和平臺等的總稱，是物聯網應用的核心支撐平臺。功能：能提供終端遠程管理、運行監控、警告管理、協議適配、業務數據傳輸、行業應用接入等綜合服務功能。為物聯網各種應用系統提供強大、穩定的運行支撐環境。核心：是利用各種通信設備和線路（包括有線和無線）將分布在不同地理位置、功能各異的物品連接起來，通過功能完善的軟件系統（包括通信協議）實現數據傳輸及資源共享。物聯網應用系統的建設，將打破孤立“豎井式”應用架構所形成的“信息孤島”為物聯網應用提供標準體系架構，并支持多應用業務信息融合和服務共享，實現應用業務間無縫集成與協作。強大易擴展的物聯網應用系統支持多種類型感知設備適配接入，兼容現有各類傳輸網絡，提供靈活的應用服務部署和業務交互共享模式，并可根據用戶需求在系統上動態添加新的應用。強大的平臺開發及運行維護支撐能力可顯著降低物聯網業務應用開發成本、服務運營成本及維護成本，降低物聯網的準入門檻。先進、成熟、符合國際標準的軟硬件技術和易擴展的開放式體系結構，能根據技術、業務的發展需要對系統功能進行調整、增加，支持二次開發和快速集成。多種信息加密手段與安全管理協議以及靈活的訪問權限機制，為物聯網應用提供堅實的安全保障。價值與優勢：7.2物聯網應用系統設計7.2.1物聯網應用系統的設計原則可靠性：要求物聯網應用平臺系統能夠長時間穩定運行，即使出現故障或突發性事故時，也應具有能夠保障系統正常運行和快速恢復正常運行的措施。要保證網絡中各類電源的可靠供應，尤其是關鍵網絡設備和關鍵客戶機，必須配置足夠功率的不間斷電源（UninterruptedPowerSupply，UPS），以免數據丟失。應盡量避免出現單點故障而波及整個系統的現象發生。必須建立一套全面的實時監管方案。實用性：性價比高、實用性強、易于擴展，是任何一個網絡系統的基本要求。在選擇具體的網絡通信和數據處理技術時，應盡可能采用先進和成熟的主流技術；構建的應用平臺應盡可能簡單易用，使用戶經過短期培訓，就可掌握使用方法；應具備充分靈活的適應能力、可擴展能力和自動升級能力，提供可視化的二次開發、配置工具，并充分考慮軟、硬件接口和通信協議的標準化和開放性，使系統具備支持多種通信媒體和多種物理接口能力，能方便地實現技術升級和設備更新；應具備完整的統計、分析、授權、預警、短信、郵件、視頻監控、GPS定位、打印等通用服務功能。安全性：主要解決如下問題物聯網機器/感知節點的本地安全、傳輸網絡和承載網絡的信息安全等；應用平臺中的病毒、黑客入侵；用戶訪問權限；用戶賬戶（特別是高權限賬戶）安全。7.2.1物聯網應用系統的設計步驟圖7-1物聯網系統設計的內容和步驟用戶需求分析基本配置需求分析性能和功能需求分析應用和安全需求分析成本和效益評估初步方案設計確定網絡規模和覆蓋范圍構建網路總體架構物聯網系統設計確定網絡拓撲結構：

基本的物聯網拓撲結構有總線型、星型、樹型和混合型等總線型：是一種基于多點連接的拓撲結構。星型：是一種以中央節點為中心，把若干外圍節點連接起來的輻射式互聯結構。樹型：是一種層次型樹狀結構。混合型：是將兩種或兩種以上的拓撲結構混合使用，這樣可以取長補短，但網絡配置難度較大。節點規模設計：

根據用戶網絡規模、功能和應用需求、相應設備布局等，確定物聯網主要的節點數量和布局、節點設備性能、容量和應具備的功能等。

確定網絡操作系統目前主要有3大類：Windows操作系統：包括WindowsNT4.0、Windows2000、Windows2003以及最新的Windows2008等；Unix系統：版本主要有UnixSUR4.0、SVR4.2、HP-UX11.0，SUN的Solaris8.0等。Linux操作系統：它是一種新型的網絡操作系統，其最大的特點就是源代碼開放，可以免費得到許多應用程序，而且安全性和穩定性好。網絡設備的選型和配置主要的網絡設備有：服務器、交換機、路由器、不停電電源等。網絡服務器：是網絡服務的核心設備，應按照穩定第一、需求夠用、知名品牌等原則選型；交換機：是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備；路由器：主要用于各種不同網絡或網段之間的聯結，并對所連接網絡的數據信息進行相互“翻譯”，以實現不同網絡或網段之間的互聯互通；同時它還具有判斷網絡地址和選擇路徑的功能，以及過濾和分隔網絡信息流的功能。UPS：是一種含有一定能量存儲能力的不停電電源設備。是指采用標準化措施，將多種應用布線系統進行統一綜合，實現統一材料、統一設計以及統一安裝施工，以使整個系統結構清晰、便于管理和維護。要求根據用戶需求的感知節點部署和網絡規模等，設計整個網絡的綜合布線圖。網絡綜合布線系統要采用國內外標準化部件和模塊化組合方式，把語音、數據、圖像、控制等各種信號，用統一的傳輸媒介進行綜合，形成一套標準、適用、靈活、開放的布線系統。綜合布線系統設計應用系統設計：分模塊設計出滿足用戶需求的各種應用系統框架和對網絡系統的要求，特別是一些特定行業和關鍵應用。設備配置：根據用戶業務特點、應用需求和數據流量，對整個系統的服務器、感知節點、用戶終端等外設進行配置和設計。軟件選擇：為計算機系統選擇適當的數據庫（DBS）、企業資源計劃（ERP）系統、經營管理系統（MIS）等及開發平臺。機房環境設計：確定用戶端系統的服務器所在機房和一般工作站機房環境，包括溫度、濕度、通風等要求。系統集成：將整個系統涉及的各個部分加以集成，并最終形成系統集成的正式文檔。系統調試和試運行。物聯網應用系統平臺設計主要包括：具體的用戶應用系統設計、M2M系統、ERP系統、MIS管理系統選擇等。7.3基于M2M“智慧城市”平臺設計智慧城市：是以地理空間框架為定位基準，集成城市自然、社會、經濟、人文、環境等綜合信息，基于網絡基礎設施實現城市信息的廣泛共享。M2M：是機器對機器（Machine-to-Machine）通信的簡稱。目前，M2M重點在于機器對機器的無線通信。7.3.1平臺的功能要求提供統一的終端接入平臺提供統一的應用基礎運行平臺提供統一的安全認證提供統一的數據交換平臺提供統一門戶支撐平臺提供多種業務構件7.3.2平臺的性能要求處理能力要求支持300用戶并發M2M應用業務請求；滿足10萬個以上終端的監控管理需求；支持300個以上用戶在線進行并網操作，且系統內響應時間不超過2s；CPU忙時利用率平均不超過60%。穩定性和可靠性要求1）

要求平臺具有較高的可靠性和穩定性。關鍵設備應采用負荷分擔、分布式多處理機構，主要模塊冗余度至少為1+1。2）

系統各服務器應保證數據實時的一致性、可用性，主設備和備用設備的切換時間不超過3min。3）

系統故障恢復時間不超過30min。4）

設備必須支持熱插拔功能。5）

系統應滿足7×24h不間斷工作。6）

存儲設備應具有極高的可靠性，有良好的備份和恢復策略。系統數據和業務數據可聯機備份、聯機恢復，恢復的數據必須保持其完整性和一致性。7）

應對系統的配置數據、操作日志進行備份，并永久保存；8）

在系統失效的情況下，應能夠從數據記錄中恢復最近的數據。軟件要求

平臺軟件必須基于業界開放式標準，包括各種網絡協議、硬件接口、數據庫接口等，以保證系統的生命力，體現良好的擴展性和互操作能力。應提供維護管理和實時監控功能，簡化系統的使用和維護。各類軟硬件系統應采用先進成熟的設備和技術，確保技術的先進性，投資的有效性和延續性。充分考慮可擴展性。應用軟件能夠以多種方式支持系統的擴展，包括業務功能的增加，系統升級以及系統容量和規模的擴大等。內置服務總線ESB、ETL工具、搜索引擎、ORM中間件、工作流引擎、報表定制工具、BI引擎(OLAP、Analysis、Query)等輔助產品與工具。

整體要求①應具備可移植性，能平滑移植到其它主流操作系統和主流硬件平臺上。②應采用組件化設計，支持各種組件的在線拆卸、在線加載；支持組件間通信流程的靈活控制及業務流程的靈活變更；組件應具有開放的管理和服務接口。③能夠實現應用部分與數據庫部分在邏輯上的分離，便于對應用部分進行修改，從而方便隨時添加新的功能或對原有功能進行改動而不影響數據庫。④能夠提供二次開發功能，以適應不斷增加的支撐功能和不斷拓展的業務空間。應用軟件具備可視化的二次開發工具，以及集成開發環境，提高二次開發的效率。⑤提供靈活多樣的服務，快速適應新業務的開展，應用軟件的設計應采用結構靈活、面向對象、面向服務、中間件等技術。⑥整個應用軟件系統應能夠連續7×24h不間斷工作。⑦具有完整的操作權限管理功能和完善的系統安全機制，能夠對每個操作員的每次操作有詳細的記錄，對每次非法操作進行警告。⑧應能為系統管理員提供多種發現系統故障和發現非法登陸的手段。⑨提供通用的商業智能組件，如報表、數據抽取及轉換、數據挖掘等。⑩提供通用的工作流引擎、電子地圖、及移動定位、短信、郵件、視頻等服務。⑾采用簡潔、直觀、友好的圖形化界面。⑿支持中文大字符集等相關國家標準規定的漢字字符處理、顯示和打印。7.3.3平臺的總體構架設計基于M2M平臺的“智慧城市”物聯網應用模式

圖7-3基于M2M平臺的“智慧城市”物聯網應用系統模式

M2M平臺的技術功能

終端接入數據轉發行業平臺能力提供統一門戶M2M平臺的系統架構設計要求：基于XML/J2EE/Portlet/WFMC等開放技術，遵循SOA架構體系，采用統一的基于J2EE的軟件平臺和全程建模、基于組件分層開發的技術路線，支持大顆粒構件的復用；技術架構：遵循構件化、模塊化、可擴展、可復用，以滿足物聯網應用未來的數據擴展和業務發展；總體架構：終端層、通信層、業務和數據處理層、用戶層等4層結構。

終端層：位于平臺體系的最底層，涵蓋了各行業所能涉及的所有終端設備；通信層：是各種數據的傳輸網絡，其主要功能是提供數據的透明傳輸，是終端層與基礎平臺層溝通的橋梁；業務和數據處理層：是各種應用業務和數據的處理中心；用戶層：涵蓋了物聯網統一管理門戶及各行業應用的所有用戶。圖7-4智慧城市M2M平臺體系架構

M2M平臺的技術架構設計終端感知層、中間平臺層、頂端應用層等3層結構。圖7-5M2M平臺技術架構圖

感知層：是各類數據的感知和終端傳輸網絡，主要完成所有行業各類數據的采集、處理和上下傳輸任務。平臺層：是M2M應用平臺的核心，采用模塊化設計，完成所有應用功能。主要組件包括：基礎運行平臺統一安全身份認證系統統一數據應用集成中心應用集成業務基礎構件應用層：是面向對象的系統功能模塊，