随着感知技术、普适计算技术、通信技术和智能控制技术的快速发展，智能硬件越来越广泛地应用到社会生活的各个领域。基于智能硬件的互联与互操作，可以构建物联网系统，实现社会空间、网络空间和物理空间（即三元空间）中元素的互联和协同工作，为各行各业的用户提供更加广泛和智能的服务。简要来讲，首先在社会空间中的用户通过终端设备将需求信息发送到网络空间，实现社会空间中的人与网络空间的机器之间的交互;其次网络空间中的机器根据来自社会空间的需求信息和物理空间的感知数据，产生控制物理空间的信息，实现网络空间与物理空间的信息交互;最后物理空间向网络空间提供感知数据并执行网络空间发送的控制信息，以满足社会空间对物理空间的需求。　　根据三元空间理论，在物联网中与社会空间相关的软件模块要体现出社会需求的不断变化的特征;与物理空间相关的软件模块要体现出物理资源的异构、多样和海量的特征;与网络空间相关的软件模块要体现出社会空间和物理空间的信息融合处理的特征。因此，物联网软件系统的开发是一个不断演化的过程。在不断演化的过程中会伴随着物联网软件系统的复杂度提高、维护困难方面的问题。为了实现高质量并且易维护的物联网软件系统，就需要设计物联网软件体系结构。　　目前，物联网软件体系结构的设计及实现面临着以下的挑战:(1)如何提取物联网软件系统中的共同特征来设计物联网软件体系结构;(2)如何降低物联网软件体系结构中的基本组成元素实现的复杂度;(3)如何以较低的维护开销快速适应物联网中社会空间需求信息的动态变化;(4)如何将物联网软件体系结构中的抽象元素转化为具体的物联网软件模块，实现一个具体的物联网应用。　　为了解决这些在设计以及实现物联网软件体系结构时所面临的问题，本文通过分析当前各种物联网应用系统中的一些共同特征，设计了一种基于物理模型的物联网软件体系结构(PMDA)。基于PMDA以及软件工程领域的软件求精和演化理论，提出了对PMDA中的感知工作流程进行求精的方法和适应PMDA中的动态需求的演化机制。在对PMDA求精和演化的基础上，提出了将PMDA中的抽象元素转化为与之对应的物联网软件模块，并连接成可运行的物联网软件系统的方法，从而解决物联网软件体系结构在实现方面面临的问题。　　本文的创新性工作主要体现在以下四个方面。　　1.提出了一种支持物理应用水平化互联的物理模型驱动的物联网软件体系结构(PMDA)。随着部署在物理空间的智能设备越来越多，将由若干智能设备组成的能够向网络空间提供感知数据的应用称为物理应用。实现众多物理应用之间的互联是建立物联网的基本方法，然而如何设计一种有效的架构用于指导物理应用的水平化互联是目前物联网研究领域尚未解决的问题之一。针对目前物联网生态系统中的架构设计问题，PMDA由三个模型组成，分别是物理模型、感执模型和应用模型。其中模型与模型之间以及模型内的构件之间通过连接器进行连接与交互，模型或构件在交互时需要满足一定的约束条件。通过体系结构描述语言Wright对PMDA中的三个模型的组成以及模型之间的交互进行形式化描述，并且通过进程分析工具PAT验证了用Wright描述的PMDA可以保证水平化互联起来的物理应用的有效性，即不存在死锁、发散和中止这三个影响物理应用有效互联的性质。同时根据PAT的验证结果，通过数学归纳法证明了根据PMDA开发的物联网应用在进行交互时不存在死锁、发散和中止的情形。　　2.在PMDA的基础上，对PMDA中的感执模型SEM进行求精，以降低物联网软件体系结构中的基本组成元素实现的复杂度。物联网软件系统的基本功能是感知物理环境并根据实时的感知信息和用户的执行需求实现对物理环境的控制，因此感执模型是物联网软件的核心模型。为最终将软件体系结构应用于物联网软件的开发，在对PMDA研究的基础上，对PMDA中的感执模型SEM进行求精，求精后的感执模型称为R-SEM。R-SEM考虑了物联网的特有属性，将SEM的内部构件按照物理应用的感执工作流程分解为用通信顺序进程(CSP)表达的子构件来说明构件端口的功能实现，并采用CSP中的导管运算符说明子构件的端口与构件的端口之间的同步，通过CSP描述子构件与子构件之间的交互。使用进程分析工具(PAT)对R-SEM进行验证。验证的结果表明:R-SEM中子构件之间的交互、子构件的端口与构件的端口之间的同步保持了SEM所具有的保证物理应用之间有效互联的性质:不死锁、不中止和不发散。由于R-SEM精化了SEM的内部组成，且保持SEM的有效互联性质，因此R-SEM对最终将PMDA应用于物联网软件的开发具有实际的指导意义。　　3.设计了动态变化的物理应用与物理信息处理系统之间的演化机制EMIA并验证了EMIA的正确性，以实现对用户需求动态变化的物联网软件系统进行自适应维护。根据PMDA，物理应用是建立物联网应用的基本模块。由于物理应用需要伴随着用户需求的动态变化发生相应的改变，因此需要为动态变化的物理应用与物理信息处理系统之间的匹配设计演化机制。为了设计演化机制EMIA，首先分析了动态变化的物理应用中的事件的变化类型;然后总结出动态变化的物理应用和物理信息处理系统之间的三种操作关系。为了验证EMIA的正确性，使用CSP形式化的描述演化机制并通过PAT验证演化机制EMIA具有不死锁，不发散和不中止的性质。　　4.设计了基于PMDA的物联网软件开发及维护的形式化方法FMDA和FMMA以及基于JCSP开发包的实现FMDA和FMMA的方法FDAJ和FMMA。以实现方法FDAJ和演化机制EMIA为基础，设计了对一个需求动态变化的物联网生态系统中的多个物联网应用进行维护的方法FMAE。对比了FMAE和FMAJ在维护一个由多个物联网应用组成的物联网生态系统方面所需要的维护成本。最终的结果表明:FMAE在用户需求的变化率增大或者物联网软件系统内的用户需求与物理应用匹配失败的概率变小的情形下会更加高效。