張曉輝 那蓉萃 李顏秀

（中冶賽迪重慶信息技術(shù)有限公司 重慶市 401122）

物聯(lián)網(wǎng)通信優(yōu)勢下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所涉及的數(shù)據(jù)類型和格式越來越繁雜，匯總難度也越來越大，對各種類協(xié)議設(shè)備的適配都需要由采集、分類、傳輸?shù)炔僮髯鳛橹?，網(wǎng)關(guān)設(shè)備在整個過程中主要發(fā)揮承上啟下的作用，以此來使數(shù)據(jù)信息在不同網(wǎng)絡(luò)間安全傳遞。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通用平臺架構(gòu)與傳輸協(xié)議

1.1 平臺架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺分為四個層次。見圖1。

結(jié)合圖1，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通用平臺共由四部份組成，由下至上來看，邊緣層位于最底端，負責(zé)與全部類型傳感設(shè)備和其它終端設(shè)備進行連接，因此這一層也被稱作接入層。接入層具體負責(zé)完成對底層數(shù)據(jù)的收集，也包括各種人員信息，之后對這些信息數(shù)據(jù)進行匯總處理，在相應(yīng)技術(shù)支持下（負載均衡），模塊化管理將最終實現(xiàn)，進而達到提升資源使用效率的目的；平臺層是在IaaS基礎(chǔ)上擴展出來的一個應(yīng)用平臺，是整個平臺架構(gòu)的核心層，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算、處理、存儲等操作，同時也具備算法分析、資源調(diào)度、應(yīng)用開發(fā)等功能；應(yīng)用層包括兩方面內(nèi)容，一是常規(guī)業(yè)務(wù)運行，二是創(chuàng)新應(yīng)用，其創(chuàng)建背景是滿足深度挖掘數(shù)據(jù)應(yīng)用價值的需求。在相應(yīng)功能支持下，工業(yè)應(yīng)用層能夠使機械、化工、電子等多個領(lǐng)域生產(chǎn)活動得到充分整合，并通過使用人工智能、可視化等新興技術(shù)，使具體工藝和技術(shù)在特定場景中展勢出來。

圖1：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通用平臺架構(gòu)

1.2 傳輸協(xié)議

與網(wǎng)絡(luò)信息傳輸相同，工業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸和收集，也需要有相應(yīng)協(xié)議來支撐。協(xié)議類型分為兩類，一類是“網(wǎng)內(nèi)”傳輸協(xié)議，即子網(wǎng)內(nèi)傳輸協(xié)議，另一類是通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)?，不同網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸協(xié)議。

1.2.1 子網(wǎng)內(nèi)傳輸協(xié)議

子網(wǎng)主要是指物理空間和虛擬空間內(nèi)的局域網(wǎng)絡(luò)，在相關(guān)協(xié)議支持下，傳感設(shè)備可與同級設(shè)備和上層設(shè)備進行通信。按照通信方式劃分，子網(wǎng)內(nèi)傳輸協(xié)議又分為近距離通信協(xié)議、遠距離通信協(xié)議、有線通信協(xié)議。Mod bus是目前通用的一種工業(yè)控制器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)，在自動化領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點包括：使用簡單，開放性強，沒有版權(quán)要求。ASCII和RTU是Mod Bus的兩種通信模式，相比之下，采用十六進制傳送數(shù)據(jù)的RTU模式數(shù)據(jù)傳送效率更高。

1.2.2 子網(wǎng)外傳輸協(xié)議

子網(wǎng)外通信協(xié)議運行基礎(chǔ)是TCP/IP協(xié)議，支持工業(yè)環(huán)境內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)通信。REST/HTTP協(xié)議、COAP協(xié)議、MQTT協(xié)議是三種比較主流的子網(wǎng)外傳輸協(xié)議，它們各自擁有特殊的應(yīng)用范圍和屬性特征。其中，REST/HTTP協(xié)議在標(biāo)準(zhǔn)HTTP協(xié)議基礎(chǔ)上得到廣泛應(yīng)用，COAP協(xié)議可簡化無線傳感網(wǎng)，MQTT協(xié)議能夠使各種協(xié)議得到很好的兼容。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 平臺架構(gòu)設(shè)計

不同規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場對互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)設(shè)計的要求不同，為了更好明確系統(tǒng)設(shè)計需求，文章以大型工業(yè)設(shè)備為例進行分析。通常而言，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)分類兩類，一種是狀態(tài)數(shù)據(jù)，另外則是控制數(shù)據(jù)。其中，第一種的特點是海量數(shù)據(jù)且對及時性要求高，后者則負責(zé)更新邊緣網(wǎng)關(guān)信息及數(shù)據(jù)處理工作。結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際，大型設(shè)備在運行過程中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳準(zhǔn)確性偏低（由環(huán)境混亂、干擾較多導(dǎo)致）、數(shù)據(jù)量增長速度過快（由過高監(jiān)控需求導(dǎo)致）、數(shù)據(jù)格式難統(tǒng)一、設(shè)備反應(yīng)時間較長等問題，因此，新構(gòu)建的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺需要具備如下四項功能：

（1）數(shù)據(jù)的實時顯示和歷史查詢；

（2）實現(xiàn)遠程控制；

（3）保證數(shù)據(jù)傳輸及時性、準(zhǔn)確性、有效性；

（4）確保系統(tǒng)足夠安全、穩(wěn)定，以及具備可擴展性。

基于上述問題和需求，本研究設(shè)計了圖2所示的網(wǎng)關(guān)架構(gòu)。

圖2：數(shù)據(jù)過濾流程圖

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理平臺體系架構(gòu)共分為三個層次，由下至上排列為：傳感器設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)平臺。其中，分布廣泛的傳感器設(shè)備會完成各類工業(yè)數(shù)據(jù)獲取任務(wù)，根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)分布情況，采取合理有效的方式對數(shù)據(jù)進行采集和匯總，最后輸送到網(wǎng)關(guān)。結(jié)合實際需求，系統(tǒng)功能設(shè)計分為三個模塊：數(shù)據(jù)智能回傳模塊，協(xié)同任務(wù)分發(fā)模塊，“網(wǎng)關(guān)+云端”管理平臺。在網(wǎng)關(guān)設(shè)計方面，數(shù)據(jù)接入，數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)應(yīng)用分別代表三個不同的功能層級。

2.2 智能回傳模塊設(shè)計

所謂“智能”，主要指對每一條設(shè)備中的數(shù)據(jù)進行標(biāo)識，這種標(biāo)識往往具有唯一性，而結(jié)合數(shù)據(jù)固有屬性和特征，以及用戶實際需求進行預(yù)處理，則被認(rèn)為是實現(xiàn)數(shù)據(jù)唯一性的基礎(chǔ)?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的智能回傳模塊設(shè)計，網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)層支持閾值和頻率兩種過濾方式。但同時也支持自定義過濾，用戶可將計算腳本下發(fā)到指定網(wǎng)關(guān)（數(shù)據(jù)過濾流程見圖2）?？紤]到網(wǎng)關(guān)設(shè)備具有內(nèi)存低、容量小等特點，因此不建議采用HTTP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，否則會造成負載過重，引發(fā)開銷過大等問題。MQTT具有低成本、輕量級、支持高并發(fā)，以及兼容性強等優(yōu)點，比較適合作為向云端傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議。

2.3 任務(wù)分發(fā)模塊設(shè)計

任務(wù)分發(fā)模塊設(shè)計以云端至網(wǎng)關(guān)任務(wù)下發(fā)機制為基礎(chǔ)，該機制主要用于解決網(wǎng)關(guān)升級問題，以滿足工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)更新和重配置需求。Docker鏡像和計算腳本是下發(fā)文件的主要內(nèi)容。新的Docker容器部署分為兩個步驟，一是將已發(fā)布的映像從Docker服務(wù)中提取出來，二是基于鏡像啟動容器。針對Docker注冊表負擔(dān)過重、網(wǎng)絡(luò)流量泛濫、鏡像服務(wù)失敗等問題，本設(shè)計采用了基于P2P網(wǎng)絡(luò)的文件分發(fā)系統(tǒng)。P2P網(wǎng)絡(luò)可以挖掘所有節(jié)點的帶寬資源并進行充分利用，減輕云端的負荷壓力，讓部署環(huán)節(jié)提速。由于本次網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)設(shè)計是以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境為背景的，因此對分發(fā)節(jié)點的研究必須以工業(yè)環(huán)境下的網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為基礎(chǔ)。結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際來看，任何一臺被使用的PC機（客戶端主機）都將通過一個專門的IP地址與外部環(huán)境進行通信?？紤]到私有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單，且網(wǎng)關(guān)節(jié)點所處于的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較優(yōu)越（速度快、延遲低），因此不需要對主機隱藏在NAT網(wǎng)絡(luò)后面這一情況進行單獨處理。以此為基礎(chǔ)，原有平臺只需要擴展一個務(wù)分發(fā)協(xié)調(diào)控制器即可。P2P通信模式環(huán)境下，借助云控制器進行調(diào)度，網(wǎng)關(guān)既是資源提供方，又是資源請求方，數(shù)據(jù)傳輸速率與請求方的數(shù)量呈正比。

2.4 網(wǎng)關(guān)與云端管理平臺設(shè)計

2.4.1 網(wǎng)關(guān)平臺設(shè)計

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)不僅被視為用戶觀測數(shù)據(jù)的第一窗口，更是整個系統(tǒng)最為重要的管理平臺，在高效完成簡單管理工作的同時，減輕了云端管理壓力。在某種程度上，網(wǎng)關(guān)管理平臺能夠任一數(shù)據(jù)分析需求和管理需求

在本次設(shè)計中，網(wǎng)關(guān)管理平臺可實現(xiàn)的功能主要包括以下三項內(nèi)容：

（1）可以對網(wǎng)關(guān)狀態(tài)進行直接監(jiān)控和管理。不管是正在運行的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，還是處于非工作狀態(tài)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，都將會受到直接監(jiān)控和管理，過程中，網(wǎng)關(guān)應(yīng)用平臺也會隨具體要求而得到更新。

（2）可以直接監(jiān)控和管理傳感節(jié)點。根據(jù)需要，網(wǎng)關(guān)管理平臺能夠?qū)θ我庖粋€傳感器節(jié)點設(shè)備進行列表查詢，包括過往日志和歷史數(shù)據(jù)，同時也支持參數(shù)修改與數(shù)據(jù)刪除操作。

（3）可實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能回傳。對每一條設(shè)備中的數(shù)據(jù)進行唯一性標(biāo)識，結(jié)合數(shù)據(jù)固有屬性和特征，對用戶實際需求進行預(yù)處理。

2.4.2 云端管理平臺設(shè)計

云端管理平臺設(shè)計共分三部分內(nèi)容，包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，負載均衡，功能設(shè)計。

首先看基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，多功能服務(wù)集群以平臺的形式得以展現(xiàn)，在底層基礎(chǔ)功能架構(gòu)的支撐下，體現(xiàn)平臺與應(yīng)用的優(yōu)勢，用戶將享有新增應(yīng)用和應(yīng)用拓展的權(quán)利，前提是，需要根據(jù)自身實際使用需求進行操作。本次設(shè)計所采用的平臺架構(gòu)是REST，與RPC、SOAP相比，此結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)更加清晰，可擴展性更強。但需要指出的是，它并不是一種標(biāo)準(zhǔn)，只是一種設(shè)計風(fēng)格。

然后看負載均衡，負載均衡是Web服務(wù)應(yīng)用需要認(rèn)真考慮的一個問題，結(jié)合實際來看，DNS輪詢、LVS調(diào)度和Nginx服務(wù)反向代理被認(rèn)為是比較有效的三種解決方案。以DNS輪詢?yōu)槔?，用戶在訪問瀏覽器時，首先需要借助DNS功能來解析即將鏈接的IP地址，再通過此IP訪問Web服務(wù)。而對于DNS輪詢來說，它會在服務(wù)權(quán)重配置基礎(chǔ)上，通過對解析記錄和服務(wù)IP進行添加和綁定來實現(xiàn)負載均衡。

最后是功能設(shè)計，主要內(nèi)容有：網(wǎng)關(guān)設(shè)備和網(wǎng)關(guān)下節(jié)點設(shè)備管理、節(jié)點數(shù)據(jù)訂閱和查詢、任務(wù)文件下發(fā)和用戶數(shù)據(jù)管理。Web應(yīng)用通過REST API接口向后端HTTP服務(wù)發(fā)送請求和數(shù)據(jù)，接受到請求后，通過Mongo DB數(shù)據(jù)庫、MQTT服務(wù)、本地服務(wù)等三種途徑中的一種來完成其與Web服務(wù)的數(shù)據(jù)交互。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 管理系統(tǒng)整體架構(gòu)搭建

本次工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理平臺設(shè)計采用了RESTful架構(gòu)，并且為使系統(tǒng)穩(wěn)定性能夠滿足全部生產(chǎn)需求，還特別加入了代理服務(wù)器，即Nginx。它是一種Web服務(wù)器，具備負載均衡、Web緩存、代理HTTP等功能；在開發(fā)ice-work等開放性組件平臺前提下，以React前端框架作為用戶訪問界面；系統(tǒng)任務(wù)分發(fā)功能開發(fā)在HTTP協(xié)議控制下來完成；借助NATS消息隊列來實現(xiàn)高并發(fā)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)匯總，NATS屬于一種高性能、開源的中間件，其量級較輕，吞吐量遠遠高出其他同類型軟件；借助MQTT協(xié)議和EMQ代理服務(wù)器功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能回傳功能；網(wǎng)關(guān)和云端數(shù)據(jù)庫使用SQLite、Mongo DB和Mysql，其中，SQLite屬于一種進程內(nèi)的庫，作為數(shù)據(jù)管理模塊中的數(shù)據(jù)庫，SQLite充分發(fā)揮了自身內(nèi)存占用量小，量級輕，不需要任何外部依賴等優(yōu)勢。系統(tǒng)整體架構(gòu)模式見圖3。

圖3：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 智能回轉(zhuǎn)模塊實現(xiàn)

第一次啟動網(wǎng)關(guān)管理平臺軟件時，會初始化系統(tǒng)數(shù)據(jù)，之后，網(wǎng)關(guān)配置信息表會生成。此市，需要用手動的方式來對網(wǎng)關(guān)ID和網(wǎng)關(guān)區(qū)域，以及接入密鑰和MQTT服務(wù)地址、端口號進行設(shè)置。需要指出的是，“Topic全局唯一”是整個網(wǎng)關(guān)配置過程需要格外注意的一項內(nèi)容。當(dāng)網(wǎng)關(guān)配置完成并獲得具體信息后，需要通過“消息訂閱”的方式與網(wǎng)關(guān)內(nèi)消息列隊進行溝通，實現(xiàn)與底層傳感節(jié)點間的傳輸。在NATS中，有兩種主題類型，一是設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，表示設(shè)備基本信息已經(jīng)處于或尚未處于工作狀態(tài)，另一種是設(shè)備實時采集數(shù)據(jù)，負責(zé)為傳感器實際采集到的電流電壓數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)初始化完成后，如果讀取到MQTT服務(wù)地址，可直接上傳數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳前需判斷預(yù)處理情況，若不需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，則直接從NATS訂閱的數(shù)據(jù)上傳；若需要進行預(yù)處理，將由智能回傳功能負責(zé)完成。

3.3 任務(wù)分發(fā)模塊實現(xiàn)

任務(wù)文件會在任務(wù)分發(fā)模塊實現(xiàn)過程中通過云端系統(tǒng)進行上傳，并生成一個具有唯一性的任務(wù)ID。在依次對網(wǎng)關(guān)區(qū)域、ID、網(wǎng)關(guān)優(yōu)先級進行輸入后任務(wù)列表會根據(jù)所輸入的內(nèi)容自動生成，并在文件內(nèi)容被上傳，以及網(wǎng)關(guān)ID和地域信息被確定后，生成任務(wù)列表。收到下一個心跳包后，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)信息對比，判斷網(wǎng)關(guān)是否處于任務(wù)列表中。通過對比結(jié)果，將對應(yīng)的任務(wù)類型、序號以及網(wǎng)關(guān)列表作為結(jié)果返回到網(wǎng)關(guān)。在接收到心跳包返回值后，網(wǎng)關(guān)會對其內(nèi)容進行判別，以判別結(jié)果作為基準(zhǔn)，決定是否進行其它操作。

3.4 網(wǎng)關(guān)與云端管理平臺搭建

3.4.1 網(wǎng)關(guān)管理平臺搭建

通常而言，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要具備用戶接入、設(shè)備接入、平臺管理等基礎(chǔ)性功能。結(jié)合前面設(shè)計分析與需求，網(wǎng)關(guān)管理平臺應(yīng)當(dāng)具備網(wǎng)關(guān)狀態(tài)監(jiān)控和管理，傳感節(jié)點數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理，數(shù)據(jù)處理等幾項功能。功能結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理平臺功能結(jié)構(gòu)圖

在平臺更新方面，當(dāng)云端上傳了新的應(yīng)用版本時，會通過反向控制功能來告知網(wǎng)關(guān)，除新版本內(nèi)容外，信息還包含了URL地址。在網(wǎng)關(guān)接收到版本更新信息后，平臺更新欄會立刻新增出一個下載按鈕，用戶可直接點擊該按鈕進行下載，進而完成版本更新。

3.4.2 云端管理平臺搭建

在網(wǎng)關(guān)設(shè)備管理中，心跳包用于完成網(wǎng)關(guān)與云端服務(wù)的連接需求，按照1分鐘發(fā)送一次的頻率。心跳包內(nèi)包含了網(wǎng)關(guān)內(nèi)網(wǎng)IP、運行狀態(tài)、接入設(shè)備ID等多項信息。處理和提取請求參數(shù)被接收到后的有效值，并在網(wǎng)關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)列表中轉(zhuǎn)存。，通過網(wǎng)關(guān)ID判斷是否需要進一步下發(fā)控制信息，無論是否要下發(fā)，后需要回復(fù)相應(yīng)字段信息。在節(jié)點數(shù)據(jù)訂閱方面，節(jié)點數(shù)據(jù)的Topic是以按需訂閱要求和標(biāo)準(zhǔn)來進行定義的，通過添加相應(yīng)前綴，以及借助相關(guān)協(xié)議與MQTT服務(wù)功能，列表中的Topic又得到進一步遍歷。在數(shù)據(jù)節(jié)點查詢方面，節(jié)點數(shù)據(jù)查詢被分為實時數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢兩種，系統(tǒng)在實際運行中會不間斷的對Topic列表中的消息進行訂閱，并將那些已訂閱的消息進行儲存，這樣，過往數(shù)據(jù)信息便能通過歷史數(shù)據(jù)查詢方式進行查找，而后端服務(wù)在從數(shù)據(jù)庫中獲得有效信息后，會將這些結(jié)果傳遞至前端。

4 結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，加速了工業(yè)新業(yè)態(tài)的生成，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)內(nèi)容已成為現(xiàn)階段我國一項主要發(fā)展任務(wù)。針對數(shù)據(jù)量并發(fā)數(shù)多，設(shè)備管理雜而亂和數(shù)據(jù)分析的難度大等問題，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)設(shè)計要從需求出發(fā)，找到問題的解決辦法，對原有系統(tǒng)進行不斷優(yōu)化，通過增設(shè)新功能來滿足應(yīng)用需求。