中间件层

摘要：

汽车中间件层屏蔽了平台的异构性，并为应用任务提供了高级通信服务。此外，这一层是一个软件架构，由汽车制造商和第三方供应商共享，确保应用任务的可移植性和互操作性。在本研究中，提出了一种方法，旨在开发中间件的软件体系结构，并获得一组表征中间件实现的任务。该体系结构是用一组设计模式构建的，它标识了一组中间件任务，这些任务的特征允许执行一个算法，试图为应用程序和中间件任务集确定可行的优先级分配。

1.3 罗马尼亚智能计量系统的配置和关键功能

对模型的评估对应于“中间件层“设计。它包含以下主要组件：安装在配电网每个变电站上的数据集中器和平衡表，以及与客户一起放置的仪表。数据通信通过从智能仪表到集中器的电力线通信（PLC）线路以及从集中器到中央数据库的各种通信信道进行。

大多数DNO都采用了类似的配置，如图5.

图5.罗马尼亚智能计量系统最常见的配置。

建立（通过监管工具和机制）和使用开放标准通信协议在将智能电表连接到数据集中器，然后连接到中央数据库方面发挥了非常重要的作用。这种方法避免了在设备上的大量投资，这些设备在从不同供应商购买时不可互操作、无法记录或在数据传输中产生错误[5]罗马尼亚使用的智能计量系统的关键功能如所示图6.

图6.罗马尼亚智能计量系统的关键功能。

罗马尼亚智能计量系统采用的解决方案成本低，功能最少。然而，由于功能最少，收益可能会减少。

4.2.4 物联网

物联网通过远程监控、患者跟踪、库存管理、确保临床设备的可用性和可访问性、药物管理等多种方式，为医疗系统带来了巨大的改进。它帮助科技驱动的医院和医疗设施实现了现代化。物联网应用可以从简单的健身辅助设备到慢性病管理技术[2]有些医疗保健应用程序不需要诊断或治疗，但也有其他应用程序可以针对慢性受损患者，通过患者监测、生命体征和疾病检测、与医学专家互动，甚至远程治疗，提供高级医疗护理。该技术允许设施和资源联网，以获取实时数据并促进决策过程。通过智能医疗，可以通过数据分析来分析收集的数据，如果可以适当管理和控制资源，则可以更及时地处理和响应紧急情况[18].

通用物联网架构有五层架构：业务、应用、，中间件层、网络和感知层[19]中间件层支持无所不在的计算设施，用于存储和检索大量数据。图4.2显示了物联网体系结构中的层。

图4.2.物联网架构。

•

感知层：该层对应于使用传感器和医疗仪器从患者和环境中采集的数据。它捕捉患者的动作、手势和位置。捕获的数据通过网络层传输到中间件层的数据库。

•

网络层：这表示有线或无线网络以及各种技术（如WiFi、蓝牙、Zigbee等）提供的连接。

•

中间件层：数据日志实时收集并存储在数据库中。它根据可用数据处理信息，以进行自动决策。该层还帮助进行短期、中期和长期数据分析。

•

应用层：该层表示可用于基于认知的智能分析、决策和管理的各种工具和框架。

•

业务层：该层有助于通过图表、图形和统计信息可视化和深入了解应用程序层提供的实时解决方案。

1.1 什么是嵌入式系统的中间件？

随着复杂分布式嵌入式系统的类型和盈利能力的增加，业界普遍采用的一种方法是以某种独立于底层系统软件和硬件组件的方式设计和定制这些类型的嵌入式系统。为了在成本、进度和复杂性目标内成功实现预期结果，许多工程团队将其方法建立在构建各种更高级别的基础上中间件将软件组件集成到其嵌入式系统设计中。

目前，在嵌入式系统行业中，对于如何定义嵌入式系统中间件还没有正式的共识。因此，在达成共识之前，本书采用了务实的方法来定义中间件是什么以及如何对不同类型的中间件进行分类。简单地说，中间件是一个充当中介的抽象层。中间件管理应用程序软件和底层系统软件层（如操作系统层和设备驱动层）之间的交互。中间件还可以管理驻留在嵌入式设备内的多个应用程序之间的交互，以及驻留在网络设备之间的应用程序。

如所示图1.1a中间件位于嵌入式系统的系统软件层，是任何不是设备驱动程序、操作系统内核或应用程序的软件。中间件组件可以存在于真实世界软件堆栈的各种排列中：例如，直接位于设备驱动程序之上、位于操作系统之上、与非现成供应商的操作系统包紧密耦合、位于其他中间件组件之上，或者上述组件的某种组合。

图1.1a.中间件与嵌入式系统模型¹

请记住，决定软件是否为“中间件”的因素是它在嵌入式系统架构中的位置，而不仅仅是因为它在系统中的固有用途。例如，如所示图1.1b嵌入式Java虚拟机（JVM）目前以三种方式之一在嵌入式系统中实现：在硬件、系统软件层或应用程序层。例如，当JVM在系统软件层内实现并驻留在操作系统内核上时什么时候JVM分类为中间件.

图1.1b.架构中的嵌入式JVM¹

图1.1c显示了当今嵌入式设备中使用的不同类型中间件的高级框图。在本文的范围内，在最一般的级别上，中间件分为两类：核心中间件和中间件基于这些核心组件。在每个类别中，中间件可以进一步细分为不同的类型，例如文件系统、网络中间件、数据库和虚拟机。开源和在本书中，将尽可能使用这些类型中间件的真实示例来演示技术概念。将提供基于这些类型的中间件构建真实世界设计的示例，本文还将讨论在嵌入式系统中使用中间件时需要注意的挑战和风险。

图1.1c.嵌入式系统中的中间件类型

最后一章总结了在嵌入式系统设计中使用不同类型中间件的利弊。正如本书将要展示的那样，除了不计其数的自制解决方案外，目前市场上还有几种不同类型的嵌入式系统中间件。请注意，这些嵌入式系统中间件解决方案可以根据领域进一步分类为其他类型的中间件，例如专有的与开放源代码例如。简言之，关键是读者要了解嵌入式中间件软件中的高级概念和模式，并认识到嵌入式空间中存在这些无穷无尽的中间件解决方案，因为没有“一个”解决方案适合所有类型的嵌入式设计。

12.4.1 操作系统

构成无线传感器操作系统（OS）的软件为上层中间件和应用程序层提供了系统管理功能和硬件接口。应该注意的是，由于每个节点上的内存和计算能力有限，无线节点上的操作系统与消费类PC上（例如，Windows、Mac OS和Linux）的操作系统明显不同。操作系统任务调度器的设计或选择需要仔细考虑，该软件根据优先级和时间确定任务何时执行。由于在任何给定时刻只有一个任务可以在处理器上运行，因此操作系统必须能够通过将抢占任务的当前状态移动到临时内存中并为抢占任务分配资源，尽快抢占任务（即中断低优先级任务以允许高优先级任务完成）。此功能允许微控制器立即为高优先级应用程序提供服务，即使低优先级应用程序仍在运行。然而，任务抢占会导致死锁和任务优先级反转等系统故障。前者导致处理器“冻结”，可以通过中概述的策略来缓解Coffman等人。(1971)后者导致美国宇航局火星探路者号宇宙飞船的失败；幸运的是，通过远程系统升级发现并修复了该错误(里夫斯，1998年).

强大的任务调度程序和执行远程系统升级的能力只是嵌入式操作系统应该包含的众多功能中的两个。操作系统应尽可能节省内存，因为与PC等大型计算系统相比，无线传感器节点设计中通常使用的微控制器内存有限。正如硬件设计一样，软件设计必须始终考虑功耗。队列中的所有任务完成后，处理器应进入低功耗空闲或睡眠状态，并在中断发生时再次唤醒。操作系统通常由WSN设计者选择而非设计。因此，操作系统应该有很好的文档记录，并且WSN设计者可以很容易地实现和/或开发中间件和应用程序层。除了文档化良好的应用程序编程接口（API）外，如果操作系统具有用于各种目标处理器的硬件抽象层（HAL）、强大的社区用户基础、可靠的专业支持以及用流行编程语言编写应用程序的能力，则固件开发时间将缩短(例如.，C/C++）。

嵌入式系统的普遍性导致了各种嵌入式操作系统的开发。由于对测量采样和无线电传输等外部事件的几乎瞬时响应对于无线传感器来说至关重要，因此实时操作系统（RTOS）已成为无线传感器的主流。RTOS可以在指定的时间限制内保证某些功能，并应自主处理常见的系统故障。自由RTOS(Real Time Engineers Ltd，2012年)和Micrium RTOS(Micrium公司，2012年)是免费提供的开源RTOS，允许用户修改源代码，并已在WSN中流行。例如，上述Xnode无线传感器平台采用FreeRTOS作为其嵌入式操作系统(Fu等人。，2016). 商业RTOS，如Keil RTX(ARM有限公司，2020)（用于ARM处理器）和Wind River VxWorks(Wind River Inc，2020年)广泛应用于工业，并提供专业支持和更丰富、更健壮的特征集。所有这些嵌入式RTOS都是多线程的。虽然不被视为RTOS，但TinyOS(TinyOS联盟，2020年)是专门为WSN开发的，并且是使用nesC编程语言（C的派生语言）进行唯一编程的。当使用非RTOS时，必须格外小心，以确保数据采集在整个网络中同步，并且以最小的抖动执行时间关键任务（例如，与结构励磁反馈控制相关的中断（即，从任务应该执行到实际执行之间的少量延迟）。这些问题已经通过定义良好的中间件解决了(Nagayama、Spencer和Rice，2009年)在运行TinyOS的iMote 2传感器中(Park等人。，2010;Rice&Spencer，2008年;Nagayama等人。，2007). 不幸的是，TinyOS不是多线程的，这是另一个限制。

通常与开源或商业RTOS相关的复杂性、费用和内存需求并不总是必需的。许多无线传感器节点已成功使用定制开发的简单中断状态机；这种方法简化了软件开发，同时允许节点设计者精确地计时事件发生的时间，从而提供实时服务。此策略已成功应用于那罗达无线传感器，低功耗8位微控制器，仅128个 外部存储器的kB(Swartz等人。，2005)与iMote 2.0上64位处理器相比 运行TinyOS的MB内存(Crossbow Technology，2012年). 状态机策略也可以通过中断进行适当设计，以便嵌入式固件能够有效地进行多线程处理，同时仍然能够进行实时操作。