公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李冬靜+江林升+楊雁瑩

摘 要： 為解決公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)過(guò)于老舊，很多功能在時(shí)代的發(fā)展下已經(jīng)無(wú)法使用的問(wèn)題，需要進(jìn)行新一輪的功能改革。通過(guò)對(duì)比不同物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)在公安系統(tǒng)中的適用性，設(shè)計(jì)一種面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，選用Web技術(shù)下的REST接口增強(qiáng)體系架構(gòu)的開(kāi)放性，設(shè)計(jì)三角型架構(gòu)的服務(wù)模式提高服務(wù)質(zhì)量。通過(guò)整合公安系統(tǒng)模塊工作流程使模塊數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)模塊聚合，并進(jìn)一步描述功能實(shí)體。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，在面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，各模塊既可以獨(dú)立工作，也可以協(xié)同作業(yè)，且各項(xiàng)功能均能正常實(shí)現(xiàn)，可靠性與穩(wěn)定性良好。

關(guān)鍵詞： 公安系統(tǒng)； 物聯(lián)網(wǎng)； 體系架構(gòu)； REST接口； 功能改革； Web技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919.2?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）01?0085?04

Abstract： The current public security Internet of Things （IoT） architecture is too old， and its functions are unusable with the development of the times， so it requires a new round of functional reform. In comparison with the applicability of different IoT architectures in public security system， a resource?oriented public security IoT architecture is designed， the representational state transfer （REST） interface based on Web technology is selected to enhance the openness of the system architecture， and the service mode of triangle architecture is designed to improve the service quality. By integrating the work flow of the public security system module， the module data is intercommunicated to realize the module aggregation. The functional entity is further described. The system test results show that each module in the resource?oriented public security IoT architecture can work independently or collaboratively， each function of the architecture can be realized normally， and the architecture has high reliability and stability.

Keywords： public security system； Internet of Things； system architecture； REST interface； function reform； Web technology

物聯(lián)網(wǎng)的定義由麻省理工學(xué)院率先提出，從提出之日起，物聯(lián)網(wǎng)就開(kāi)始在建筑、家居、物流、防偽等領(lǐng)域逐漸流行開(kāi)來(lái)。在我國(guó)，物聯(lián)網(wǎng)的首次應(yīng)用是在公共安全環(huán)境中。歷經(jīng)十余年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，一度延伸至交通、安保、探測(cè)、圖像識(shí)別等領(lǐng)域。目前，我國(guó)城市的公安系統(tǒng)幾乎全部應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，這是將公安人員工作與市民需求聯(lián)系起來(lái)的有力手段，能夠最大限度地提升公安出警效率，減少人員閑置。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)是公安系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，決定著其網(wǎng)絡(luò)連接、智能共享、信息兼容、硬件完善等功能能否正常使用，我國(guó)目前應(yīng)用的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)過(guò)于老舊，需要進(jìn)行新一輪的功能改革。

1 公安物聯(lián)網(wǎng)體系的架構(gòu)

1.1 體系架構(gòu)類(lèi)型的選擇

整個(gè)公安系統(tǒng)擁有大量處理模塊，維持各模塊間數(shù)據(jù)交流的可靠性和穩(wěn)定性是公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)需要考慮的主要因素[1]。早先使用的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于模塊節(jié)點(diǎn)容易部署，普遍兼容異構(gòu)性處理儀器，但在模塊節(jié)點(diǎn)數(shù)逐年增長(zhǎng)的公安系統(tǒng)下，各種模塊儀器的相互交流變得復(fù)雜，通信工作屢次出現(xiàn)錯(cuò)誤。由此可知，對(duì)公安系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的模塊整合是當(dāng)前發(fā)展中最重要的因素，這需要一種具備強(qiáng)大擴(kuò)展能力并能夠開(kāi)放管理模塊基本功能互通性的體系架構(gòu)，以便實(shí)時(shí)響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)更新速度。

有關(guān)架構(gòu)最直觀的定義是：架構(gòu)是指模塊間用于實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用和數(shù)據(jù)交流的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在架構(gòu)的選擇上應(yīng)遵循功能定義、接口模式以及模塊接線方式等標(biāo)準(zhǔn)。公安系統(tǒng)使用分布式物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，主要包括面對(duì)對(duì)象、面對(duì)服務(wù)和面對(duì)資源三種類(lèi)型[2]，表1對(duì)這三種類(lèi)型的功能模式進(jìn)行了對(duì)比。

分析表1可知，面對(duì)對(duì)象的體系架構(gòu)重點(diǎn)考慮標(biāo)準(zhǔn)與對(duì)象之間的組合狀態(tài)，包括封裝對(duì)象和通信對(duì)象等。這種體系架構(gòu)通常應(yīng)用在需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督與控制的物聯(lián)網(wǎng)中，通信數(shù)據(jù)格式相對(duì)簡(jiǎn)潔[3]，對(duì)融入公安系統(tǒng)中不同客戶(hù)端的數(shù)據(jù)格式要求比較高。同時(shí)，由于采取遠(yuǎn)程形式，系統(tǒng)必須具有強(qiáng)封閉性，使得體系架構(gòu)的擴(kuò)展能力很弱；如果設(shè)計(jì)面對(duì)服務(wù)的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)將集中在服務(wù)負(fù)載強(qiáng)度上，這對(duì)公安系統(tǒng)與用戶(hù)的交互能力有一定的增進(jìn)作用，但在編程語(yǔ)言上，不同類(lèi)型的服務(wù)對(duì)象將使用不同的編程語(yǔ)言[4]，公安系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象種類(lèi)眾多，一般來(lái)講這不易于實(shí)現(xiàn)，而且面對(duì)服務(wù)體系架構(gòu)的其他功能與模式并不突出；面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)在擴(kuò)展能力、敏捷度和耦合性上尤為突出，而且對(duì)編程語(yǔ)言的要求不高，實(shí)現(xiàn)難度低。根據(jù)以上介紹及分析，選擇面對(duì)資源的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。endprint

1.2 公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)接口設(shè)計(jì)

Web技術(shù)可為物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的開(kāi)放性提供幫助，Web技術(shù)擁有大量接口，能與內(nèi)部?jī)x器和外部資源同時(shí)溝通。接口類(lèi)型不同，所提供的功能也不同，選擇接口類(lèi)型也成為公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)需要著重考慮的對(duì)象。常用接口類(lèi)型有REST（Representational State Transfer，表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移）接口和WS（Web Socket，雙向通信）接口[5]，如表2所示，REST接口以其簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)兼容性取勝，更加適合應(yīng)用在面對(duì)資源的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中。

REST接口的缺點(diǎn)表現(xiàn)在其服務(wù)模式的不健全上，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種獨(dú)特的、針對(duì)REST接口的公安系統(tǒng)服務(wù)模式，如圖1所示，該服務(wù)模式呈三角形架構(gòu)，在這種服務(wù)模式下，公安物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)被映射為超文本傳輸協(xié)議，相當(dāng)于WS接口屬性。為了避免新屬性與REST接口標(biāo)準(zhǔn)屬性產(chǎn)生歧義，將新屬性代碼直接賦予用戶(hù)進(jìn)行服務(wù)實(shí)施，整個(gè)過(guò)程只需要在進(jìn)行代碼編程時(shí)考慮資源的數(shù)據(jù)類(lèi)型，使得面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)在REST接口功能的局限性之下也能夠兼容大量用戶(hù)服務(wù)。

2 公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

2.1 模塊聚合的實(shí)現(xiàn)

公安系統(tǒng)中含有大量模塊，面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)這些模塊間的聚合。按照功能將公安系統(tǒng)模塊分為儀器模塊、服務(wù)模塊和通信模塊，如圖2所示，公安系統(tǒng)儀器模塊接收用戶(hù)服務(wù)任務(wù)，服務(wù)模塊進(jìn)行服務(wù)程序設(shè)計(jì)，通信模塊將服務(wù)程序逐次傳導(dǎo)到服務(wù)發(fā)出點(diǎn)，通過(guò)遺留應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)施[6]。服務(wù)實(shí)施分三層實(shí)現(xiàn)，依次增加服務(wù)難度，將兩個(gè)底層服務(wù)程序集成，輸出標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)程序。通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交流和傳導(dǎo)，它原本就具備與其他模塊的聚合能力，使得面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的聚合任務(wù)落在儀器模塊與服務(wù)模塊之間。

面對(duì)資源的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)要求整個(gè)公安系統(tǒng)重點(diǎn)進(jìn)行用戶(hù)數(shù)據(jù)處理，可靠、穩(wěn)定地實(shí)施用戶(hù)服務(wù)，同時(shí)保證儀器模塊與服務(wù)模塊的聚合能力。為了實(shí)現(xiàn)以上任務(wù)，面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)開(kāi)發(fā)出如圖3所示的公安系統(tǒng)服務(wù)環(huán)境，由儀器功能平臺(tái)、資源聚合平臺(tái)和服務(wù)支持平臺(tái)組成。資源聚合平臺(tái)擁有實(shí)現(xiàn)公安系統(tǒng)各模塊聚合的作用，能夠?qū)⒉煌貐^(qū)、不同部分和不同用戶(hù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合。

在面對(duì)資源的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)上開(kāi)發(fā)出的公安系統(tǒng)服務(wù)環(huán)境與早前使用的服務(wù)環(huán)境相比靈活性更強(qiáng)，物聯(lián)網(wǎng)將不對(duì)各平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交流進(jìn)行屏蔽，而是將服務(wù)模塊和儀器模塊當(dāng)成同一個(gè)服務(wù)處理平臺(tái)[7]，也就表示服務(wù)支持平臺(tái)和儀器功能平臺(tái)間的數(shù)據(jù)是互通的。由于模塊工作流程受到資源聚合平臺(tái)的整合，服務(wù)模塊的三個(gè)層次都能單獨(dú)提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)程序。通過(guò)在儀器模塊內(nèi)部加入智能網(wǎng)關(guān)，增強(qiáng)公安系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的靈活性，公安物聯(lián)網(wǎng)不再是單純的實(shí)物與實(shí)物之間的互聯(lián)，實(shí)物與虛擬物體間也可以實(shí)現(xiàn)信息交流。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

圖4描述的是面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)功能實(shí)體圖，由服務(wù)網(wǎng)關(guān)[8]、網(wǎng)關(guān)控制實(shí)體、資源控制實(shí)體、服務(wù)程序建立實(shí)體以及程序執(zhí)行實(shí)體組成。

服務(wù)網(wǎng)關(guān)是功能實(shí)體的核心，可以為其他實(shí)體提供驅(qū)動(dòng)服務(wù)、數(shù)據(jù)緩存空間和TCP（即傳輸控制協(xié)議）支持，令公安物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)可通過(guò)Web技術(shù)進(jìn)入網(wǎng)關(guān)，與儀器實(shí)現(xiàn)交流與通信。網(wǎng)關(guān)控制實(shí)體在動(dòng)態(tài)域名的基礎(chǔ)上為網(wǎng)關(guān)布置數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，注冊(cè)通信路徑。資源控制實(shí)體的功能主要表現(xiàn)為對(duì)資源的索引以及數(shù)據(jù)挖掘，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)兩端（管理者與用戶(hù)）服務(wù)數(shù)據(jù)語(yǔ)義分析的基礎(chǔ)，對(duì)公安系統(tǒng)服務(wù)模塊的準(zhǔn)確性具有較強(qiáng)增益作用。服務(wù)程序建立實(shí)體負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)服務(wù)模塊與儀器模塊聚合，通過(guò)建立超文本連接服務(wù)將服務(wù)程序傳導(dǎo)到指定位置。程序執(zhí)行實(shí)體進(jìn)行服務(wù)數(shù)據(jù)的上下文語(yǔ)義分析，將服務(wù)場(chǎng)景虛擬化并執(zhí)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，充分挖掘用戶(hù)需求。

3 性能測(cè)試

對(duì)本文設(shè)計(jì)的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試是對(duì)其開(kāi)發(fā)的前提條件，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果是其市場(chǎng)價(jià)值的導(dǎo)向性信息。系統(tǒng)測(cè)試是指對(duì)公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的結(jié)構(gòu)與功能合理性進(jìn)行檢驗(yàn)，包括組合測(cè)試和聯(lián)合測(cè)試。

3.1 組合測(cè)試

組合測(cè)試的作用是在維持特定誤檢率的限制條件下，將本文所設(shè)計(jì)的面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)下的公安系統(tǒng)各模塊任意組合在一起檢驗(yàn)其功能可用性。組合測(cè)試使用數(shù)字模擬組合測(cè)試儀提供測(cè)試包[9]，實(shí)驗(yàn)所用數(shù)字模擬組合測(cè)試儀的型號(hào)為IWATSO?7010，工作頻率為100 MHz，具有便攜性和高效率，使用Linux嵌入式系統(tǒng)，支持大量FM，SSB等無(wú)線設(shè)備的共同測(cè)試。由于受到公安系統(tǒng)行政職能的限制，組合測(cè)試重點(diǎn)測(cè)試本文公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的通信功能，這是因?yàn)橹挥型ㄐ拍K與其他模塊能夠?qū)崿F(xiàn)完全交互，測(cè)試數(shù)據(jù)才具有代表意義。

圖5是本文公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的通信流程。數(shù)據(jù)打包、串口發(fā)送、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)依次是正向通信過(guò)程，反向通信過(guò)程依次是打包發(fā)送、內(nèi)部接口接收和串口轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)感應(yīng)儀器將本文公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的工作數(shù)據(jù)傳送到數(shù)字模擬組合測(cè)試儀上，通信波特率設(shè)為9 600 Bd，數(shù)據(jù)位為8位，中止位為1位。分析整個(gè)工作過(guò)程是否按標(biāo)準(zhǔn)順序進(jìn)行，其中是否存在通信不正常中止的情況。再將工作數(shù)據(jù)反向給予本文公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，觀察工作過(guò)程是否正常。

經(jīng)過(guò)組合測(cè)試，數(shù)字模擬組合測(cè)試儀顯示出本文公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的組合測(cè)試結(jié)果，如表3所示，三相電壓、直流電壓和環(huán)境溫度都符合物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的功能實(shí)現(xiàn)條件，未出現(xiàn)報(bào)警狀況，表示工作順序正常，不存在通信不正常中止的情況，與通信工作相關(guān)的模塊都可以正常單獨(dú)使用，可靠性與穩(wěn)定性良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

3.2 聯(lián)合測(cè)試

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，就算公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中所有模塊都能正常獨(dú)立工作，但當(dāng)一些模塊聯(lián)合起來(lái)共同作業(yè)時(shí)，某些功能便無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)，提前進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試可避免這種情況的發(fā)生[10]。通過(guò)感應(yīng)儀器向本文所設(shè)計(jì)的面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中不斷傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)，傳導(dǎo)周期為1 s，每周期之間的傳導(dǎo)數(shù)據(jù)存在一個(gè)漲幅，觀察其作業(yè)是否受到干擾，功能是否可以正常實(shí)現(xiàn)。本文公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的聯(lián)合測(cè)試結(jié)果如表4所示，聯(lián)合測(cè)試使用的測(cè)試數(shù)據(jù)每周期漲幅是比較大的，但是本文公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)沒(méi)有在如此大的漲幅下和頻發(fā)干擾下出現(xiàn)報(bào)警狀況，三相電壓和直流電壓均滿(mǎn)足聯(lián)合測(cè)試約束范圍，環(huán)境溫度足以維持正常工作，表明本文公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)各模塊之間能夠正常協(xié)同作業(yè)，且各項(xiàng)功能可以正常實(shí)現(xiàn)，可靠性與穩(wěn)定性良好。endprint

4 結(jié) 論

本文對(duì)一種可靠性與穩(wěn)定性良好、工作模式靈活的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)類(lèi)型的選擇上，由于面對(duì)資源類(lèi)型在擴(kuò)展能力、敏捷度和耦合性方面均較為突出，而且對(duì)編程語(yǔ)言的要求不高，實(shí)現(xiàn)難度低，故設(shè)計(jì)面對(duì)資源的公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，并對(duì)其所實(shí)現(xiàn)的公安系統(tǒng)模塊聚合模式以及功能實(shí)體進(jìn)行介紹。實(shí)驗(yàn)對(duì)本文架構(gòu)進(jìn)行組合測(cè)試和聯(lián)合測(cè)試，得到了理想的測(cè)試結(jié)果。

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