薛凱

（新疆電子研究所股份有限公司，新疆烏魯木齊 830013）

物聯(lián)網(wǎng)是通過傳感器采集板卡等硬件裝置，使用TCP 協(xié)議與服務(wù)器通信數(shù)據(jù)，將設(shè)備、物品通過互聯(lián)網(wǎng)相互連接起來[1-3]。在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)設(shè)備往往需要人工檢修、維護(hù)以及監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)運(yùn)行狀況，這樣會(huì)產(chǎn)生很多的人工維護(hù)成本，并且可能會(huì)使相關(guān)工作人員暴露在危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境中。為了解決這個(gè)問題，工業(yè)生產(chǎn)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)模式，通過心跳和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行設(shè)備的檢修與維護(hù)工作，設(shè)備的在線運(yùn)行數(shù)據(jù)也可以通過數(shù)據(jù)可視化的形式直觀地進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要的方向[4-7]，也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化的一項(xiàng)可行的解決方案。

進(jìn)行工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息化搭建時(shí)，不僅需要從第三方廠家購(gòu)買軟件、定義通信協(xié)議、設(shè)計(jì)硬件通信接口，或者從頭開始進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)工作，還需要采購(gòu)相關(guān)的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、防火墻及采集設(shè)備等硬件。在不同的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需要在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)位也有所不同，廠商需要對(duì)不同的平臺(tái)進(jìn)行代碼開發(fā)、員工培訓(xùn)等工作，導(dǎo)致各個(gè)平臺(tái)無法實(shí)現(xiàn)共享信息和數(shù)據(jù)交換，產(chǎn)生了很多開發(fā)成本。對(duì)于開發(fā)者與使用者而言，如何定制高效、快捷、安全的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理系統(tǒng)是提高開發(fā)效率的有效解決方案。PaaS(Planform as a-Service，提供平臺(tái)服務(wù))是一種新型的基于用戶個(gè)性化開發(fā)的軟件應(yīng)用模式，開發(fā)者可以通過使用PaaS 平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)接口，快速搭建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、在線巡檢、數(shù)據(jù)大屏可視化、數(shù)據(jù)通信、云服務(wù)器服務(wù)及報(bào)表等模塊，還可以部署與測(cè)試系統(tǒng)云應(yīng)用，降低系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本，快速高效地搭建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息化運(yùn)作。

1 PaaS的定義

PaaS 平臺(tái)是在虛擬化云計(jì)算平臺(tái)上建立支持多種業(yè)務(wù)的應(yīng)用平臺(tái)[8-10]，是一種分布式平臺(tái)服務(wù)。PaaS 平臺(tái)可以基于云計(jì)算平臺(tái)為開發(fā)者提供開發(fā)接口、計(jì)算資源、服務(wù)器資源等相關(guān)定制服務(wù)。用戶可以利用PaaS 平臺(tái)提供的公共服務(wù)資源進(jìn)行平臺(tái)快速開發(fā)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用及部署應(yīng)用軟件[11-12]，是一種新型的開發(fā)模式。

2 基于PaaS的平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在PaaS 模式中，將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理系統(tǒng)定位為服務(wù)者，建立工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理PaaS 平臺(tái)，并負(fù)責(zé)系統(tǒng)的更新與維護(hù)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)開發(fā)者作為服務(wù)的使用者，在不需要購(gòu)買軟件、開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)、通信協(xié)議協(xié)商等情況下，直接在網(wǎng)絡(luò)上使用平臺(tái)，快速建立自己的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理系統(tǒng)。這種系統(tǒng)沒有實(shí)體，運(yùn)算和程序系統(tǒng)搭建都是基于云進(jìn)行計(jì)算和運(yùn)行的，減少了開發(fā)的成本與時(shí)間。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)開發(fā)者不僅可以在PaaS平臺(tái)上搭建自己的系統(tǒng)應(yīng)用，還可以通過PaaS 平臺(tái)提供的程序開發(fā)接口，按自己的需求二次開發(fā)平臺(tái)的功能，滿足各個(gè)工業(yè)行業(yè)的業(yè)務(wù)需求。

每一個(gè)在PaaS 平臺(tái)里的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理系統(tǒng)都是一個(gè)基于云平臺(tái)的應(yīng)用，PaaS 平臺(tái)還可以為開發(fā)者提供這個(gè)應(yīng)用的在線狀態(tài)監(jiān)控，諸如CPU 使用率、帶寬占用量、內(nèi)存使用量等平臺(tái)運(yùn)行信息。并提供壓力測(cè)試、單元測(cè)試等常用測(cè)試功能。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理PaaS 平臺(tái)還提供程序模塊接口共享的功能，如果開發(fā)者基于平臺(tái)框架開發(fā)出優(yōu)秀的程序接口插件，可以分享在平臺(tái)里供所有開發(fā)者用戶使用，構(gòu)成一個(gè)良性循環(huán)。如圖1 所示，所有的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理系統(tǒng)將構(gòu)成一個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用云。隨著接入平臺(tái)的系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)量的增加，整個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息化成本將不斷降低。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用云

2.2 PaaS服務(wù)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)功能設(shè)計(jì)分為下列五大服務(wù)模塊。

2.2.1 管理硬件采集傳感器服務(wù)

用戶可在平臺(tái)內(nèi)編輯與新增傳感器，提供的默認(rèn)傳感器硬件設(shè)計(jì)為8 路模擬量輸入、6 路數(shù)字量輸入、2 路數(shù)字量輸出接口以及30 個(gè)擴(kuò)展接口。用戶可以自行設(shè)置選擇所需要的傳感器輸出端口，將傳感器輸出端口與需要監(jiān)測(cè)的工業(yè)值進(jìn)行綁定，設(shè)置報(bào)警閾值，傳感器編號(hào)等。設(shè)置完成后，平臺(tái)會(huì)根據(jù)設(shè)置的內(nèi)容，自動(dòng)創(chuàng)建傳感器采集數(shù)據(jù)表和相關(guān)綁定表。采集到的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)插入到傳感器采集數(shù)據(jù)表中，供平臺(tái)進(jìn)行分析。

2.2.2 通信協(xié)議自定義服務(wù)

平臺(tái)提供常見的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，如MQTT、ZigBee 等。此外用戶可以根據(jù)開發(fā)需要自定義通信協(xié)議格式，通過自定義協(xié)議的開發(fā)模式，使平臺(tái)能適應(yīng)更多的開發(fā)硬件設(shè)備模塊。

2.2.3 可視化數(shù)據(jù)展示服務(wù)

平臺(tái)提供基于echarts.js 組件封裝的可視化控件，為用戶提供數(shù)據(jù)可視化圖表展示服務(wù)。用戶可以通過簡(jiǎn)單的拖拽操作，將之前配置好的需要監(jiān)測(cè)的工業(yè)值作為數(shù)據(jù)源綁定在圖表上，實(shí)現(xiàn)可視化無代碼式或低代碼式操作。用戶能快捷方便地搭建數(shù)據(jù)可視化頁面，以完成直觀監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的功能。

2.2.4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)功能接口相關(guān)服務(wù)

1）智能巡檢服務(wù)接口

用戶可根據(jù)平臺(tái)提供的心跳協(xié)議，快速配置巡檢可視化界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備傳感器的運(yùn)行狀況，縮短人工實(shí)地去巡檢的成本。同樣，設(shè)備心跳包的協(xié)議也可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制和修改。

2）在線監(jiān)測(cè)服務(wù)接口

用戶可以基于傳感器采集數(shù)據(jù)表，通過簡(jiǎn)單地拖拽和上傳設(shè)備圖標(biāo)等操作，快速配置出在線監(jiān)測(cè)模塊，用戶可在頁面上看到設(shè)備所有需要監(jiān)測(cè)工業(yè)值的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以滿足日常的工業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需求。

3）智能報(bào)警服務(wù)接口

在設(shè)置和新增傳感器的過程中，加入報(bào)警閾值設(shè)置模塊。平臺(tái)可根據(jù)配置好的報(bào)警閾值，返回該設(shè)備的工業(yè)監(jiān)測(cè)值是否有報(bào)警行為、報(bào)警內(nèi)容等信息。開發(fā)者可調(diào)用智能報(bào)警服務(wù)接口，及時(shí)通知運(yùn)營(yíng)者，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警快速響應(yīng)、快速處理的工業(yè)數(shù)字化需求。

4）在線維保服務(wù)接口

開發(fā)者可自行增加在線維保模塊，該模塊與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備綁定在一起。模塊內(nèi)包含一套在線維保流程。管理者發(fā)布設(shè)備維保任務(wù)，維保人員執(zhí)行維保任務(wù)，最后結(jié)單填寫維保日志。這一套流程可在系統(tǒng)內(nèi)自定義定制，實(shí)現(xiàn)了日常維保數(shù)字化的需求。

5）統(tǒng)計(jì)報(bào)表服務(wù)接口

平臺(tái)基于echart.js 提供多種圖表的格式，開發(fā)者可以通過拖拽的方式將數(shù)據(jù)源和圖表綁定在一起。同樣，開發(fā)者可以按照實(shí)際需求自定義報(bào)表格式，報(bào)表也可以通過拖拽的方式和數(shù)據(jù)源綁定在一起，適合工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常需要的統(tǒng)計(jì)報(bào)表需求。

6）物聯(lián)網(wǎng)組態(tài)圖展示服務(wù)接口

平臺(tái)提供組態(tài)圖搭建服務(wù)接口，用戶可在平臺(tái)上傳場(chǎng)景圖片，如小區(qū)樓棟、變壓器刨面圖等。再將監(jiān)測(cè)的工業(yè)值點(diǎn)位定位在相應(yīng)位置上，即可完成物聯(lián)網(wǎng)組態(tài)圖的搭建。

7）自定義原生界面開發(fā)服務(wù)接口

在現(xiàn)實(shí)開發(fā)中，開發(fā)者往往需要自定義前端界面，平臺(tái)提供自定義原生界面開發(fā)的接口，并兼容目前主流的前端框架，如VUE、React等，提升開發(fā)效率。

2.2.5 云服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能接口服務(wù)

1）云服務(wù)器、據(jù)庫(kù)部署服務(wù)接口

開發(fā)者可以在PaaS 平臺(tái)申請(qǐng)租用公共資源，如云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、RabbitMQ 等云服務(wù)應(yīng)用。使用這些公共資源服務(wù)云部署應(yīng)用可以得到很好的網(wǎng)絡(luò)速度和信息安全保障。

2）測(cè)試服務(wù)接口

平臺(tái)提供壓力測(cè)試服務(wù)，通過高流量、高并發(fā)的測(cè)試，使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)境中運(yùn)行地更加順利。

3）信息安全服務(wù)接口

信息安全對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)重要的模塊，平臺(tái)為開發(fā)者提供防火墻租用、云服務(wù)器定時(shí)巡檢、定時(shí)檢測(cè)木馬病毒和修補(bǔ)系統(tǒng)漏洞等服務(wù)器信息安全服務(wù)，并且提供https 加密通信服務(wù)，對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全起到保障作用。

4）程序接口插件開發(fā)與共享服務(wù)接口

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)功能接口可以進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)者也可以基于平臺(tái)使用框架，結(jié)合實(shí)際需求，開發(fā)自己所需的程序接口。程序接口是插件模式，即插即用，互相獨(dú)立解耦。開發(fā)者還可以通過平臺(tái)共享自己開發(fā)的程序接口插件供其他開發(fā)者下載，使平臺(tái)開發(fā)環(huán)境得到正向反饋和正向循環(huán)。

5）應(yīng)用運(yùn)行管理服務(wù)接口

開發(fā)者可以在PaaS 平臺(tái)中管理自己的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理系統(tǒng)云應(yīng)用。在應(yīng)用管理界面，可以看到應(yīng)用的CPU、內(nèi)存、帶寬使用率、注冊(cè)人數(shù)統(tǒng)計(jì)等重要監(jiān)控信息，方便開發(fā)者日常應(yīng)用管理需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

基于PaaS 的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)在于服務(wù)接口的封裝和調(diào)用，所以采用基于SOA 架構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。SOA 是一種松耦合、粗粒度服務(wù)架構(gòu)，是一種面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)[13-14]。如圖2 所示，根據(jù)該模式的原理，將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)PaaS 平臺(tái)提供的服務(wù)功能進(jìn)行封裝、編譯，打包成業(yè)務(wù)實(shí)體類，設(shè)計(jì)好調(diào)用接口相關(guān)信息與實(shí)體類的映射，并存入用HASH 結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的接口信息表中，等待開發(fā)者外部接口調(diào)用和使用，并將接口調(diào)用信息儲(chǔ)存在服務(wù)管理模塊。

圖2 SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)

開發(fā)者用戶在調(diào)用服務(wù)接口時(shí)，程序會(huì)發(fā)送Webserver 請(qǐng)求服務(wù)調(diào)用消息到服務(wù)管理模塊，攔截器將請(qǐng)求截獲后保存在接口信息表中，根據(jù)服務(wù)的名稱、調(diào)用規(guī)范、功能描述等找到服務(wù)對(duì)應(yīng)的接口信息和對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)實(shí)體類，返回給開發(fā)者。開發(fā)者再根據(jù)接口信息和業(yè)務(wù)實(shí)體類使用服務(wù)，這樣做將每個(gè)服務(wù)進(jìn)行了模塊化部署，使平臺(tái)得到了良好的解耦合和可維護(hù)性。

在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的用戶基數(shù)大，網(wǎng)絡(luò)通信頻繁，PaaS 平臺(tái)還面臨需要適應(yīng)和承受高并發(fā)大流量的應(yīng)用場(chǎng)景問題。為了滿足這一需求，在開發(fā)者到服務(wù)管理模塊的邏輯通信鏈路中，增加消息隊(duì)列機(jī)制[15-16]。消息隊(duì)列的作用是將每一個(gè)PaaS 模式下的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)應(yīng)用的通信數(shù)據(jù)包相互邏輯隔離，防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)沖突、丟包或者包內(nèi)容受到干擾的問題，導(dǎo)致工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)無法正常使用。

其次服務(wù)管理模塊以微服務(wù)的形式分布式部署[17-18]。使平臺(tái)達(dá)到負(fù)載均衡，具有處理高并發(fā)開發(fā)者請(qǐng)求接口調(diào)用信息的能力，并且以微服務(wù)模塊部署提高了平臺(tái)的魯棒性和可維護(hù)性。

4 使用反饋

該平臺(tái)已上線，尚處于試運(yùn)行階段，已在水利系統(tǒng)、變壓器監(jiān)測(cè)、機(jī)房動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)等多個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域擁有應(yīng)用開發(fā)服務(wù)和部署使用。開發(fā)者用戶反饋該平臺(tái)開發(fā)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)類應(yīng)用效率快、時(shí)間周期短、數(shù)據(jù)可視化效果成熟，能適應(yīng)大流量訪問，受到業(yè)內(nèi)好評(píng)。PaaS 模式為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)類應(yīng)用開發(fā)提供了可靠、穩(wěn)定、開發(fā)效率提升的服務(wù)。

5 結(jié)束語

PaaS 模式提供了一種開發(fā)者可以共享自己程序接口給他人的開發(fā)環(huán)境模式，這種模式會(huì)存在一部分安全隱患。可能會(huì)有黑客攻擊者上傳帶有病毒或者木馬的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序插件，下載使用的開發(fā)者用戶的信息安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全將會(huì)受到影響。

其次，PaaS 模式為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化管理平臺(tái)的開發(fā)與搭建提供了很多規(guī)范化與自定義、可定制化開發(fā)的功能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，研究如何更好地方便開發(fā)者的可定制方案尤為重要。同樣還需要保持功能模塊自定義與模塊功能結(jié)構(gòu)符合規(guī)范之間的平衡關(guān)系。

在未來的工作中，首先會(huì)加強(qiáng)安全方面的考慮，增加對(duì)開發(fā)者用戶共享的程序接口插件的審查功能。定義審查規(guī)章機(jī)制，研究能識(shí)別出惡意代碼的算法和人工智能，并且能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PaaS 應(yīng)用容器內(nèi)的流量變化情況[19]，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)惡意應(yīng)用程序，保護(hù)開發(fā)者用戶的信息安全。其次，通過大量的調(diào)研以及尋訪工作，研究和考察在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，如何設(shè)計(jì)通信協(xié)議、在線維保流程節(jié)點(diǎn)等可自定義模塊，更符合開發(fā)者需求。

通過該系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)，發(fā)現(xiàn)在類似于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)這種多模塊相互協(xié)作、協(xié)調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)使用PaaS 模式進(jìn)行應(yīng)用搭建和系統(tǒng)開發(fā)，能夠提高開發(fā)效率、縮短開發(fā)成本。在未來的工作里會(huì)研究和設(shè)計(jì)出更好的方案，使得PaaS 模式與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)結(jié)合地更加緊密。

該文將PaaS 模式和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模式相結(jié)合，使功能模塊定制服務(wù)化，該模式的高內(nèi)聚低耦合性和可維護(hù)性，減少了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)和部署的成本和時(shí)間。同時(shí)加入消息隊(duì)列機(jī)制、微服務(wù)負(fù)載均衡功能，保障其在生產(chǎn)環(huán)境中的正常運(yùn)行。PaaS 模式為推動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字信息化建設(shè)提供了一套有前景的可行性方案。