基于 QoS 的物聯網網關中間件設計及應用

隨著物聯網技術的廣泛應用，物聯網已
經滲透到我們身邊的方方面面。由于數據量的
大幅增加以及服務對象、種類的逐漸擴展，物
聯網的網關中間件需要提供 QoS（Quality of
Service）保障，實現對海量數據的有效管理和
調度，對不同服務對象提供針對性的服務。
1 保障物聯網網關中間件QoS的必要性
物聯網中的 QoS 保障是國內外研究的熱
點，而在物聯網網關中間件中實現 QoS 保障
主要基于以下幾個方面的原因。
（1）物聯網中需要針對具體業務應用來
提供實時性、可靠性和穩定性的服務，對 QoS
有較高的要求。例如物聯網在遠程醫療的應用
中，系統需要在病人身體出現異樣時第一時間
將情況數據發送到醫生手中，以便醫生可以及
時作出醫療指導，否則會危及患者的生命健康。
（2）物聯網的應用過程中，大量的異構
終端設備都需要接入到網關中間件，這些終端
都會單獨產生海量數據，造成巨大的數據量同
時涌入，而網關中間件的處理能力則是有限的，
從而導致不同的數據爭奪網關中間件的資源，
對物聯網中的 QoS 產生影響。
（3）物聯網的應用是多方面的，物聯網
網關中間件的服務對象所需要的服務要求也是
不同的。例如有些應用需要保障數據傳輸的即
時性和完整性，有些應用需要保證傳輸速度，
因此對不同的服務對象，要提供不同條件下的
QoS 保障。
綜上所述，物聯網服務的即時性、資源
分配的可調度、服務對象的多樣化等方面都是
需要保障物聯網的 QoS。
2 支持QoS的物聯網網關中間件架構模型
設計
QoS 保障機制是一種合理分配資源、數
據快速可靠到達目的地的方法。在傳統的有線
網絡中，由于豐富的帶寬資源和高效的信息傳
輸，人們對傳統網絡的 QoS 沒有太多的關注。
基于 QoS 的物聯網網關中間件設計及應用
文/鄭志凌 宋曉莉 劉霜霜
本文提出了一種支持 QoS 的
物聯網網關中間件架構模型，對
其中的各層進行了詳細分析描述，
并針對性的設計了QoS管理模塊。
該模型經過應用驗證，可以有效
提高物聯網系統的 QoS。
摘
要
傳統的傳感網往往以犧牲 QoS 為代價來實現
低功耗，而在物聯網中需要根據不同的業務應
用來實現 QoS 保障。
物聯網網關中間件可以跨平臺、跨操作
系統實現物聯網的主要功能。其工作流程是：
先從終端設備中獲取不同格式、不同類型的數
據，然后將數據按照統一的格式進行處理，使
接收到的數據形成統一的數據格式，再通過統
一的 Web 接口向用戶提供所需的資源。此外，
還有一些附加功能，例如實現對網關和其中的
設備進行管理等。支持 QoS 的物聯網網關中
間件架構模型設計為三層：設備抽象層、管理
控制層和服務層。
2.1 抽象設備層
由于物聯網接入終端設備的多樣化，因
此所進行的通信方式也是基于不同的模式和數
據格式的。因此，網關中間件中需要一個結構
來將所有的通信設備和通信協議造成的差異性
進行統一化，然后將統一化后的數據進行后續
處理。這部分的主要構成模塊是各種設備驅動
和網絡驅動。
2.2 管理控制層
在將接收到不同設備的數據以及資料轉
發給不同的用戶時，需要一個管理控制模塊將
數據按照種類、優先級、完整性等要求進行分
類存儲并管理。此外，管理控制層還要對終端
設備和網關配置等相關的內容進行管理。
2.3 服務層
主要面向用戶提供兩個功能，一是將數
據資源提供給用戶訪問，二是將相關資料和模
塊通過 Web 服務來供用戶來進行管理、控制。
3 物聯網網關中間件QoS管理模塊的設計
物聯網網關中間件還包含兩個跨層次的
功能模塊：安全管理模塊和服務質量管理模塊。
服務質量管理模塊即 QoS 管理模塊，主要分
為兩個部分，一是數據采集和緩存，二是數據
調度和棄用。
3.1 數據采集和緩存模塊是將各種設備輸入的
數據進行采集并存入緩存
緩存的資源有兩個優勢，一是在用戶反
復對數據發出請求時，可以避免多次的數據采
集過程，直接輸出緩存中的數據，這樣既節省
了數據反復收發對設備造成的浪費，同時也節
省了時間，為用戶的請求作出更即時的相應。
二是將暫時無法處理的數據存儲，在設備空閑
時利用管理模塊對數據進行調度處理，避免發
生數據混亂，導致設備性能降低。
3.2 數據調度和丟棄模塊是將數據進行優先級
標記，并根據不同數據所標記的優先級進行調
度處理
優先級的標記采用兩個優先屬性：優先
級和優先權值，在相同的優先級數據中采用優
先權值來進行細化的區分，通過優先級的排列
選擇數據處理的先后順序，或是選擇是否要將
該數據舍棄。該模塊可以保證數據服務的秩序，
在數據量很大的情況下使優先權高的數據首先
進行處理，然后依次處理高中低級的不同數據，
確保網關不會因為同時接入巨大的數據量而導
致設備出現問題，同時也能保證優先級低的數
據在經過適當的等待時間后被處理。由于部分
數據存入緩存模塊中，該部分還篩選緩存中的
數據是否過期，并及時清理，保證后續數據處
理的效率。
4 支持QoS的物聯網網關中間件的應用
本文所提出的支持 QoS 的物聯網網關中
間件在智能家居系統中進行了應用試驗。將智
能家居系統中室內的各種常用電器設備以不同
的連接方式接入到物聯網網關中，例如溫度傳
感器、濕度傳感器、防盜警報、監視探頭、聲
控設備、自動清潔器等，其中的連接方式有
Wi-Fi、藍牙、Zigbee、以太網等。物聯網網
關中間件是一套基于 .Net Framework 開發的軟
件系統。該軟件系統收集上述電器設備的實時
狀態并進行顯示，供工作人員對房屋內的狀態
進行實時監控。
本文提出一種支持 QoS 的物聯網網關中
間件的架構模型，對其內部的基本層次和功能
模塊進行了設計。該網關中間件已經投入物聯
網應用中，能夠有效提高物聯網系統的 QoS，
具有廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 徐九韻 , 吳同心 , 寧肖等 . 一種面向物聯
網服務資源優化的調度模型 [J]. 計算機
工程與科學 ,2013,35(9):57-63.
[2] 昌煦超，孫禮 . 支持 QoS 的物聯網網關中
間件系統研究 [J]. 中國科技論文在線，
2013.
[3] 孫其博，劉杰，黎羴 . 物聯網：概念、架
構與關鍵技術研究綜述 [J]. 北京郵電大
學學報，2010,33（3）：1-9.
[4] 代鈺，楊雷，張斌，高巖 . 支持組合服務
選取的 QoS 模型及優化求解 [J]. 計算機
學報，2006，29（7）：1167-1178.
作者單位
湖南工業職業技術學院 湖南省長沙市