本科生毕业设计（论文）外文资料译文

（ 2019届）

外文资料译文规范说明

一、外文资料译文：

MQTT设备适用的物联网家庭网关

关键词：物联网，自动化，MQTT，物联网家庭网关，REST

摘要 - 家庭域中的物联网服务需要通用有效的方式来管理各种设备和设备。因此，家庭环境需要一个提供动态设备注册和发现的网关。在本文中，我们提出了物联网家庭网关，它支持抽象设备数据，以消除异构，DPWS的设备发现，Arduino等受约束设备的自动配置。此外，物联网家庭网关使用MQTT协议提供轻量级信息传递。此外，我们还显示了根据家庭节能方案访问和控制设备的实施结果。

Ⅰ. 引言

物联网（IoT）是将设备连接到互联网的智能环境。未来几年将会有更多设备连接[1]。物联网被用于在各个领域的智能环境。典型的域是具有许多设备和设备的家庭。而且，对便利性和能源管理有很多要求。因此，为了满足这些要求，家庭需要能够管理其环境中的设备的门户。但是，由不同的生产者生产的这些设备可能会导致互操作性问题，因为它们使用不同的通信技术和数据格式[2]。该网关应支持各种设备，以生成大量原始数据并满足互操作性。此外，它应该能够搜索设备的动态环境。许多设备管理和发现协议都在积极开发，例如用于Web服务的设备配置文件（ DPWS）和 通用 即插即用（UPnP）。DPWS协议[3]定义了一个配置文件，用于在资源受限设备上启用Web服务消息传递，发现，描述和事件，该配置文件基于Web服务描述语言（WDSL）和简单对象访问协议（S OAP）。但是，有些设备不支持DPWS，如Arduino。Arduino是开源硬件平台，可以应用于许多领域并支持各种接口（例如，以太网，蓝牙，ZigBee等）。它提供软件开发工具包（SDK）和 应用程序编程接口（API）。但是，DPW太重了，无法应用于Arduino。因此，用户必须手动将Arduino注册到网关。因此，需要轻量级的自动配置机制。

在本文中，我们提出了物联网家庭网关。它具有以下特点;各种通信协议支持，设备管理和设备信息暴露。设备信息暴露是在现实世界中集成服务和设备的功能。 因此，我们使用Representational State Transfer（REST）[4]作为架构风格，并使用唯一的统一资源标识符（URI）来访问资源。它是可用的CRUD（基于超文本传输 协议（HTTP）的（创建，读取，更新，删除）。我们使用DPWS进行设备的发现和消息传递。此外，我们建议对受限设备（如Arduino）进行自动配置。它利用基于用户数据报协议（UDP）的广告消息。并且，对于互连，这些设备使用消息队列遥测传输（MQTT）协议[5]，该协议旨在使设备使用受约束的网络，并使用基于TCP / IP的发布/订阅（发布/订阅）消息传输来有效地降低消息开销。

其余的论文如下。在第2节中，我们讨论了设备注册和管理的相关工作。在第3节中，我们提出了物联网服务整体架构，自动配置和管理机制。在第4节中，我们根据目标情景显示了家庭能源服务的实施结果。最后，我们总结了我们的工作。

Ⅱ.相关工作

物联网中的一个要求是搜索必要设备的动态设备现。对于类分布泰德智能嵌入式设备的面向服务的跨层基础设施（SOCRADES）[6]是一个范例，是用于从企业级集成到设备级应用程序的服务的体系结构（SOA）共同的基础设施。该项目的结构是为了解决由嵌入式设备组成的智能系统的主要问题。它支持能够发现智能嵌入式设备的DPWS。因此，SOCRADES通过动态设备光盘执行在具有企业服务的设备上运行的真实服务。

此外，为了聚合设备数据，它需要与设备互连。有两种协议范例。这些范例是面向资源的范式和面向消息的范例。面向资源的paradigm的典型机制REST over HTTP。它具有可供外部主机访问的优点。[7]提出将实际设备的功能集成REST 接口。此外，它还通过物联网网关提供监控和控制。

MQTT是面向消息的范例的典型机制。它是一种开放式应用协议，专注于受限制因素（例如，低带宽，有限电池）的受限设备。私人房屋辅助（PASS）[8]通过家庭网关提供了新颖的服务聚焦在页码 eople 的需要。Pass使用MQTT确保软件应用程序与不同智能对象之间的互操作性。此外，[9]认为MQTT的Pub / Sub模式适用于家庭自动化，其中更多实体可能对相同的信息感兴趣。

然而，QEST经纪人[10]提出了将两个生态系统与不同的应用程序协议（REST和MQTT）连接起来的代理。QEST强调了REST和MQTT的优势。它通过两种协议解决了事物和Web之间的差距，并且相互之间进行了通信。

在相关工作中，DPWS解决了设备发现的问题。但是，它的信息形式复杂而沉重。并且，MQTT和REST的相关工作显示了每种范例的设备互连的优势。因此，我们为受约束的设备提供轻量级设备发现机制，并将这些部分分开以利用MQTT和REST进行数据传递。

三．自动化设置与管理

A．物联网服务整体架构

我们提出物联网服务的整体架构，如图1所示。 它包括用于聚合来自设备的数据的物联网家庭网关，用于定义用户服务需求的基于Web的服务定义引擎以及用于通过聚合数据和用户的服务要求执行服务的物联网服务平台。

用户希望定义在特定情况下提供某些功能的特殊服务。基于Web的服务定义引擎提供基于 Web的用户界面（ UI），以通过服务元素（即时间，人物和现象）和抽象设备数据的组合来定义服务。因此，用户可以通过基于Web的UI 创建目标服务，并应用各种scen arios [11]。

物联网服务平台由本体管理，SPARQL引擎和服务执行器组成。为了通过用户周围的上下文判断定义服务的服务条件，物联网服务平台通过基于Web的服务定义引擎和物联网家庭网关获取设备信息和服务信息等数据。因此，为了管理这些数据，Ontology管理根据本体模型提供数据的抽象和管理[12]。并且，SPARQL Engine查询本体以提取语义数据。使用这些语义数据，ServiceExecutor确定满足服务条件。并且，服务执行器将控制请求消息发送到目标设备。

图1 . 物联网服务整体架构

物联网家庭网关管理家庭环境中的所有设备。并且，它使用各种协议聚合设备数据。这些数据通过REST接口提供给物联网服务平台。此外，当物联网家庭网关从物联网服务平台接收到控制请求消息时，它生成控制消息并发现目标执行器。并且，它发送带有目标执行器接口的控制消息。

因此，该架构能够提供 与每个设备，设备管理，服务定义，服务执行和目标设备控制的互操作性。

B. 物联网家庭网关

物联网家庭网关是本文提出的主要问题。图2是物联网家庭网关的功能架构。物联网家庭网关包括用于管理设备数据和数据库查询的设备管理器，用于与MQTT设备交互的MQTT代理，用于与DPWS设备交互的DPWS客户端，用于注册的设备发现和磁盘驱动器的功能 。 DPWS和MQTT设备，用于发送MQTT按摩的MQTT Broker，以及用于支持各种非IP协议（如ZigBee，蓝牙）的非IP设备接口。

图2. 物联网家庭网关功能架构

bull; 设备管理

物联网家庭网关支持各种协议，以访问IP启用（以太网， Wifi 等）和非IP（ZigBee，蓝牙等）设备。 但是，由这些设备生成的原始数据具有异构性，例如数据结构，功能等。因此，难以重新使用传感器数据和设备访问。为了解决这个问题，我们建议抽象原始数据。它通过图2中的设备管理器功能将原始数据转换为通用数据格式[13]。因此，它提供了异构设备之间的互操作性。并且，为了轻松访问抽象设备数据，这些数据在设备信息数据库（DB）上进行管理。此外，MQTT代理接受非IP设备的数据，如图2所示。这是用协同管理和访问分布式数据 。MQTT是用于消息传递的一对多通信协议。此外，它是轻量级和非对称的通信协议。因此，这适用于接受使用不同协议的设备。为了使用MQTT协议聚合原始数据，设备管理器会将特定主题分配给设备。

bull; 设备自动配置

设备发现功能支持使用DPW进行设备发现。DPWS设备基于包括设备信息的UDP-UDP发送它们自己的广告消息。通过广告消息，DPWS支持动态设备发现以搜索所需设备。但是，并非所有设备都支持DPWS。其中一个设备是像Arduino这样的开源硬件设备。由于受限制的问题，这不能支持 基于 DPWS 协议的 SOAP。 因此，为了在本地网络中自动注册开源硬件设备，我们提出了自动配置机制 。因此，设备在本地网络中发送UDP广告，并且物联网家庭网关在检测到时自动注册。 图3显示了设备注册过程。 物联网家庭网关通过DHCP为目标设备分配IP地址。并且，设备使用UDP多播发送如图3（1）的广告消息。 此消息包含其设备信息，例如 Device_name ，通用唯一标识符（UUID）和URI。它描述了JSON格式[15]。在图3（2）（3）中，IoT家庭网关中的设备发现检测到广告，并使用定义的URI（例如，“http：// DestinationAdress：8080 / GatewayREST / api / De vice = {UUID} / description”。URI提供 基于JSON格式的 详细设备描述。它包括 Device_type，Device_name，Operation，Operation_ value和URI。并且，在图3（4）中，设备发现在设备信息数据库上注册具有抽象设备数据的设备。

图3. 设备注册程序

要访问这些已注册的设备，我们使用MQTT协议。 物联网家庭网关将MQTT主题配置为Pub / Sub他们对用于将目标设备连接到MQTT代理的消息的兴趣。MQTT主题基于设备类型（执行器，传感器），UUID和传感器类型（温度，湿度，照片等）等设备 描述元素进行设置。并且，设备发现功能将包含MQTT主题的确认发送到目标设备，如图3（5）所示。该设备可以基于如图3（6）（7）（8）（9）的主题通过发布/订阅消息来控制和感知。根据设备类型，设备具有不同的结构主题。在致动器的情况下，Pub主题提供状态信息，Sub主题接收设备 控制消息。在传感器的情况下，Pub主题提供感测值，并且子主题可能需要在用户想要改变设备状态时接收消息。然后，设备与MQTT代理连接，并通过 MQTT主题 与物联网家庭网关互连。因此，自动配置可以动态注册和发现像Arduino这样的受限设备。此外，它是使用轻量消息并确保设备可扩展性的方法，而不是使用SOAP的DPWS。并且，MQTT主题适合 基本框架，物联网家庭网关可以系统地管理主题并便于控制设备。在图4中，通过设置主题，我们显示了注册设备的控制过程。在图4（1）中，物联网家庭网关方式中 的设备管理器 从IoT服务平台接收控制消息并解析该消息。图4（2）（3）检查设备信息DB中的目标设备。在图4（4）中，设备管理器请求检查设备控制。MQTT代理发布控制 参数以设置主题，如图4（5）所示。并且，在图4（6）（7），该设备订阅的发布的消息，并执行连接到该装置 的设备 和订阅设备状态。最后，在图4（8）（ 9）（ 10）中，它将设备状态存储在设备 信息

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本科生毕业设计（论文）外文资料译文

（ 2019届）

杭州国际服务工程学院教学部

外文资料译文规范说明

(WF-IoT), 2014 IEEE World Forum on, pp. 544-547, March 2014.

外文原文资料信息

[1] 外文原文作者：Seong-Min Kim, Hoan-Suk Choi, Woo-Seop Rhee

[2] 外文原文所在书名或论文题目：IoT home gateway for auto-configuration and management of MQTT devices

[3] 外文原文来源：2015 IEEE Conference on Wireless Sensors

出版社或刊物名称、出版时间或刊号、译文部分所在页码：Wireless Sensors. IEEE, 2015:12-17.

网页地址：

https://www.researchgate.net/publication/304294200_IoT_home_gateway_for_auto-configuration_and_management_of_MQTT_devices

二、外文原文资料：

IoT Home Gateway for Auto-Configuration and Management of MQTT Devices.

Seong-Min Kim, Hoan-Suk Choi, Woo-Seop Rhee

Department of Multimedia Engineering

Hanbat National University, 305-719 Daejeon, Korea

Abstract—IoT service in home domain needs common and effective ways to manage various appliances and devices. So, the home environment needs a gateway that provides dynamical device registration and discovery. In this paper, we propose the IoT Home Gateway that supports abstracted device data to remove heterogeneity, device discovery by DPWS, Autoconfiguration for constrained devices such as Arduino. Also, the IoT Home Gateway provides lightweight information delivery using MQTT protocol. In addition, we show implementation results that access and control the device according to the home energy saving scenario.

Keywords— internet of things; auto-configuration; MQTT; DPWS; REST; IoT home gateway;

I. INTRODUCTION

The Internet of Things (IoT) is intelligent environment that connects the devices to the internet. There will be connected with more devices in the next few years [1]. The IoT is utilized for smart environment in various fields. A typical domain is a home that has many devices and appliances. And, there are many requirements about convenience and energy management. So, to satisfy these requirements, the home needs the gateway that can manage devices in its environment. But, these devices producing by different producers may cause interoperability problems because they use different communication technologies and data format [2]. This gateway should support various devices that generate massive raw data and satisfy interoperability. Also, it should be able to search device for dynamic environment. Many device management and discovery protocol are actively developed such as Devices Profile for Web Services (DPWS) and Universal Plug and Play (UPnP). DPWS protocol [3] defines a profile to enable web service messaging, discovery, description, and eventing on resource-constrained devices, which is based on Web Service Description Language (WDSL) and Simple Object Access Protocol (SOAP). But, some devices not support DPWS such as Arduino. The Arduino is open source hardware platform that can be applied in many fields and support various interface (e.g., Ethernet, Bluetooth, ZigBee, etc.). It provides Software Development Kit (SDK) and Application Programming Interfaces (API). But, DPWS is too heavy to apply on Arduino. Therefore, the user has to register the Arduino to the gateway manually. So, lightweight Auto-configuration mechanism is needed.

In this paper, we propose the IoT Home Gateway. It has the following features; various communication protocol support, device management and device information exposure. The device information exposure is the function for integrating services and devices in real world. So, we use Representational State Transfer (REST) [4] that is an architectural style, and accessible resource using unique Uniform Resource Identifiers (URI). It is available CRUD

(Create, Read, Update, Delete) based on Hyper Text Transfer Protocol (HTTP). We use DPWS for discovery and messaging of devices. Also, we propose Auto-configuration for constrained devices such as Arduino. It utilizes advertisement message based on User Datagram Protocol (UDP). And, for interconnection, the devices use Message Queue Telemetry Transport (MQTT) protocol [5] that is designed for devices to use constrained networks and effectively low message overhead using publish/subscribe (Pub/Sub) messaging transport based on TCP/IP.

The rest of paper is organized follows. In section 2, we discuss related works of device registration and management. In section 3, we propose the IoT Service overall architecture, Auto-configuration and management mechanism. In section 4, we show implementation results of home energy saving service according to the target scenario. Finally we conclude our work.

II. RELATED WORKS

One of the requirements in the IoT is dynamical device discovery that searches necessary devices. The ServiceOriented Cross-layer Infrastructure

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