摘要：物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術(shù)的發(fā)展推動了其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的深度應(yīng)用，由此帶來相應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生了較大變化。煙草企業(yè)終端需要進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)量與類型越來越多，業(yè)務(wù)的遠(yuǎn)程控制需要快速進(jìn)行響應(yīng)。在此背景下，迫切需要對整個煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)采用端邊云協(xié)同處理技術(shù)完成整個數(shù)據(jù)采集、傳輸與云處理，以此推動生產(chǎn)方式、生產(chǎn)模式等創(chuàng)新，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)效率的提升和資源的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)云平臺；煙草企業(yè)；端邊云；云計算

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.081

中圖分類號：TM 92；TP 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）09-0-04

Design and Implementation of an Internet of Things Platform for Tobacco Enterprises Based on End-to-end Cloud Collaboration

JI Miao， YANG Hai， ZENG Qiang， LIN Yang

（Wuhan Cigarette Factory， Hubei Zhongyan Industry Co. ， Ltd. ， Wuhan 430048， China）

Abstract： The development of new technologies such as the Internet of Things （IoT） and cloud computing has driven their deep application in industrial production， leading to significant changes in industrial production methods. The amount and type of data that needs to be collected at the end of the tobacco industry's production process is increasing， and remote control of business operations needs to be responded to quickly. In this context， there is an urgent need to design and implement an IoT platform for the entire tobacco industry. The system uses end-edge-cloud collaborative processing technology to complete the entire data collection， transmission， and cloud processing， thereby driving innovations in production methods and modes and achieving efficiency improvements and resource optimization in industrial production.

Keywords： Internet of Things cloud platform; tobacco enterprise; end cloud; cloud computing

1 研究背景

數(shù)字經(jīng)濟(jì)已成為全球范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要驅(qū)動力，也是我國“十四五”時期提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。為抓住推進(jìn)煙葉數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略機遇期[1]，武漢卷煙廠逐步上線了一批數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)，由此帶來多個方面的問題，主要包括：不同類型的數(shù)字化應(yīng)用終端采集設(shè)備缺乏統(tǒng)一的接入規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)字化應(yīng)用上線對基礎(chǔ)設(shè)施資源建設(shè)提出了新需求；數(shù)字化應(yīng)用的資源分散，缺乏統(tǒng)一的管理。在此背景下，需要對整個煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，以此對整個數(shù)字化應(yīng)用的全生命周期進(jìn)行統(tǒng)一集中管理[2]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)

在煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)中，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議將不同類型的設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，以此完成數(shù)據(jù)信息的交互處理，實現(xiàn)不同物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的追蹤、定位識別與管理[3]。整個煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺中，核心技術(shù)有三個部分，依次是傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與RFID標(biāo)簽技術(shù)。傳感器技術(shù)主要將終端采集的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以此獲取相應(yīng)的數(shù)字信號；嵌入式系統(tǒng)技術(shù)主要是對各類終端采集信號進(jìn)行預(yù)處理；RFID標(biāo)簽負(fù)責(zé)對各類不同的終端進(jìn)行唯一化標(biāo)識，方便其在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之中進(jìn)行識別確認(rèn)[4]。

2.2 云計算

在整個煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺中，采集的數(shù)據(jù)信息主要通過云計算技術(shù)進(jìn)行處理。云計算主要通過任務(wù)分發(fā)處理，來完成整個并行計算，因此云計算又被稱為網(wǎng)格計算，能夠在短時間之內(nèi)完成數(shù)以萬計的數(shù)據(jù)處理工作[5]。通過網(wǎng)絡(luò)云將整個程序分解成無數(shù)小程序進(jìn)行處理，之后這些處理結(jié)果返回給用戶。整個云計算技術(shù)包括負(fù)載均衡、網(wǎng)絡(luò)存儲、并行計算等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為用戶提供強大的數(shù)據(jù)服務(wù)[6]。

3 需求分析

3.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)分析

在系統(tǒng)需求分析階段，首先需要完成系統(tǒng)的業(yè)務(wù)分析，通過不同類型用戶的使用，確定整個系統(tǒng)需要開發(fā)的功能。整個業(yè)務(wù)功能覆蓋煙草生產(chǎn)的全環(huán)節(jié)、全過程，方便后期對整個煙草生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與決策，降低總體管理成本，整個系統(tǒng)的具體業(yè)務(wù)功能包括：

（1）整個煙草生產(chǎn)的全過程數(shù)據(jù)信息通過各類終端進(jìn)行采集，這些采集的數(shù)據(jù)信息主要是煙草各個生產(chǎn)階段的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，有異常及時進(jìn)行報警，后期能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行溯源操作。

（2）對于采集的數(shù)據(jù)信息，云端主要采用云計算技術(shù)進(jìn)行總體分析與決策，完成不同類型業(yè)務(wù)的處理，滿足煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的功能處理需求。

3.2 系統(tǒng)功能需求分析

煙草生產(chǎn)的全過程數(shù)據(jù)信息通過物聯(lián)網(wǎng)終端采集之后，首先傳輸?shù)竭厒?cè)的服務(wù)器端，之后服務(wù)器中的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆贫?，即省級部署的?jié)點之中。整個系統(tǒng)的具體相應(yīng)功能包括：

（1）數(shù)據(jù)采集：物聯(lián)網(wǎng)終端負(fù)責(zé)對各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，之后傳輸?shù)竭吘売嬎憬K端，之后邊端將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)狡脚_端。

（2）傳輸過程加密：整個數(shù)據(jù)傳輸采用加密與解密技術(shù)進(jìn)行，有效保障整個煙草物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)信息的安全性。

（3）數(shù)據(jù)緩存機制：煙草企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的時候如果無網(wǎng)絡(luò)信號或者網(wǎng)絡(luò)較差，需要將這部分采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行緩存處理，后期在網(wǎng)絡(luò)信號恢復(fù)時候進(jìn)行傳輸，保障數(shù)據(jù)信息的完整性，滿足終端、邊端與云端之?dāng)?shù)據(jù)交互的需要。

（4）采集數(shù)據(jù)傳輸鏈路采用華為5G通信平臺進(jìn)行管理，整個傳輸鏈路呈現(xiàn)低時延、多接口、高性能與大鏈接的特點，能夠支持4G/5G、雙頻Wi-Fi、千兆/萬兆以太網(wǎng)等設(shè)備同時接入。雙頻Wi-Fi是一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它使用兩個不同的頻段來傳輸數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通常使用2.4 GHz頻段，而雙頻Wi-Fi則同時使用2.4 GHz和5 GHz頻段。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

整個煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計開發(fā)之中，需要遵循多方面系統(tǒng)設(shè)計原則，以此提升整個系統(tǒng)的安全性、可維護(hù)性及友好性，具體系統(tǒng)設(shè)計原則內(nèi)容如下：

（1）系統(tǒng)可維護(hù)性：在進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計的時候，良好的系統(tǒng)維護(hù)性是重要的設(shè)計原則。不同系統(tǒng)功能之間的耦合度需要降低，后續(xù)相關(guān)的升級與擴(kuò)展也需要嚴(yán)格遵循此原則，根據(jù)用戶的使用體驗進(jìn)行優(yōu)化，有效降低系統(tǒng)升級維護(hù)的成本。

（2）系統(tǒng)安全性：在整個系統(tǒng)日常開發(fā)中，需要在代碼層與應(yīng)用層加入保護(hù)措施使得整體系統(tǒng)的安全性得到保障，一旦數(shù)據(jù)或應(yīng)用程序出現(xiàn)任何問題時能夠?qū)崟r進(jìn)行預(yù)警，及時進(jìn)行整改，保障系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的快速恢復(fù)。

（3）系統(tǒng)使用友好性：在不同用戶功能的操作之中，系統(tǒng)使用的友好程度是重要的衡量指標(biāo)。用戶操作完成的時候，系統(tǒng)需要給出各類操作提示信息，方便用戶能夠?qū)φ麄€功能模塊進(jìn)行響應(yīng)與處理，順利完成系統(tǒng)各項功能的操作。

4.2 體系架構(gòu)設(shè)計

圍繞整個煙草物聯(lián)網(wǎng)平臺管理的需求，整體體系架構(gòu)按照四層的模式來進(jìn)行設(shè)計，此分層設(shè)計模式能夠有效的降低功能間的耦合度，提升整個物聯(lián)網(wǎng)平臺后續(xù)的可擴(kuò)展性。煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺采用的四層分別是基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用整合層、平臺應(yīng)用層與終端接入層，每一層的重點關(guān)注的內(nèi)容有些不同。具體系統(tǒng)體系架構(gòu)圖如圖1所示。

詳細(xì)各個架構(gòu)內(nèi)容如下：

（1）可視終端接入層：系統(tǒng)對外提供不同的展現(xiàn)方式，用戶能夠通過移動終端、PC、PDA等方式完成系統(tǒng)的瀏覽與操作，有效提升用戶的使用體驗。

（2）平臺應(yīng)用層：此層的主要目標(biāo)是為系統(tǒng)使用的各個用戶提供不同的操作功能，具體包括煙草生產(chǎn)設(shè)備啟動引導(dǎo)、身份鑒權(quán)、設(shè)備重置、全自動倉儲智能控制與實時監(jiān)控、故障報警、多協(xié)議接入管理等功能；用戶結(jié)合煙草業(yè)務(wù)的不同，基于端邊云協(xié)同的技術(shù)完成相應(yīng)模塊的操作處理。

（3）平臺應(yīng)用整合層：此層的主要工作是不同用戶完成功能操作之后，主要在業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行總體的響應(yīng)與處理，具體包括應(yīng)用整合、數(shù)據(jù)整合、業(yè)務(wù)整合等內(nèi)容，相應(yīng)底層數(shù)據(jù)層與之對應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被功能模塊所調(diào)用，以便能夠更好地對用戶的操作需求進(jìn)行響應(yīng)。

（4）基礎(chǔ)設(shè)施層：此層主要為整個邊側(cè)提供基礎(chǔ)設(shè)施，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、主機服務(wù)器及存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及通信系統(tǒng)、智能終端控制設(shè)備、網(wǎng)關(guān)控制、物聯(lián)網(wǎng)采集終端等。

4.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

在煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺中，主要的業(yè)務(wù)處理功能分為數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理。物聯(lián)網(wǎng)平臺采用B/S網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行設(shè)計，整個業(yè)務(wù)在完成處理之后進(jìn)行反饋。用戶操作命令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)終端，之后在終端瀏覽相應(yīng)的處理結(jié)果，整個煙草生產(chǎn)業(yè)務(wù)處理過程的數(shù)據(jù)信息存儲在數(shù)據(jù)庫中。整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)計依次分為云端、網(wǎng)絡(luò)端及終端三個部分，詳細(xì)內(nèi)容如下：

（1）云端：云端主要是省級部署的節(jié)點，其主要與不同的邊側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，將日常煙草生產(chǎn)過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息進(jìn)行上報。

（2）網(wǎng)絡(luò)端：在整個平臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)端負(fù)責(zé)云端與終端之間的數(shù)據(jù)信息傳輸。整個系統(tǒng)主要功能是完成煙草生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)信息采集、處理與分析，記錄每一個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)信息，方便后期出現(xiàn)質(zhì)量問題進(jìn)行溯源。整個煙草生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類不同數(shù)據(jù)信息存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，整個系統(tǒng)按照不同部門的用戶類型區(qū)分不同的操作功能，用戶進(jìn)入系統(tǒng)完成這些功能模塊的操作，以此滿足煙草生產(chǎn)線不同業(yè)務(wù)的操作需要。

（3）終端：主要包括各類智能處理設(shè)備，包括工控機、攝像頭、傳感器、智能終端等，以此完成各類數(shù)據(jù)信息的采集與處理。不同種類的數(shù)據(jù)信息完成采集之后，結(jié)合具體的場景通過NB-IoT、Wi-Fi、4G、5G等不同網(wǎng)絡(luò)模式完成數(shù)據(jù)信息的傳輸。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用效果分析

在煙草行業(yè)“十四五”網(wǎng)絡(luò)安全和信息化發(fā)展規(guī)劃中，具體提出構(gòu)建“平臺賦能、數(shù)據(jù)驅(qū)動、融合創(chuàng)新、安全可控”的網(wǎng)信發(fā)展新格局。按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系技術(shù)架構(gòu)，結(jié)合武漢卷煙廠實際運行情況，以邊緣計算、超融合技術(shù)為切入點，設(shè)計工廠數(shù)字化應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)。通過該項目研究制定物聯(lián)網(wǎng)終端接入和數(shù)采規(guī)范，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入IP化和標(biāo)準(zhǔn)化，提高接入效率，實現(xiàn)武漢卷煙廠智能應(yīng)用的統(tǒng)一管理，使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺省級和邊側(cè)節(jié)點實現(xiàn)對應(yīng)用的上架、申請、部署、運行、運維以及設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)同等全生命周期管理，有效沉淀不同業(yè)務(wù)場景的應(yīng)用效果，形成協(xié)同管理規(guī)范，為后繼相關(guān)、相似場景的進(jìn)一步推廣打下良好基礎(chǔ)?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用效果如下所示：

（1）三維可視化管理：整個平臺中完成煙草生產(chǎn)線、廠房等三維建模，提升可視化的便利性，主要采用VR、BIM與GIS相關(guān)技術(shù)進(jìn)行實現(xiàn)。

（2）數(shù)據(jù)全面感知，設(shè)計優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：整個煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺基于國家與行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采用系統(tǒng)工程的設(shè)計理念，能夠?qū)⒏鱾€子系統(tǒng)進(jìn)行充分融合；平臺能夠全面采集煙草生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息，采用微服務(wù)的設(shè)計理念，整個數(shù)據(jù)信息傳輸支持不同網(wǎng)絡(luò)模式。

（3）智慧化分析與決策：整個系統(tǒng)采用云計算技術(shù)進(jìn)行分布式計算與分析，快速完成各類異常與隱患分析，提升數(shù)據(jù)分析效率。

（4）一體化運維：通過移動端、平臺端等跨平臺的設(shè)計開發(fā)應(yīng)用模式，提升各個部門的數(shù)據(jù)信息共享效率，對整個煙草生產(chǎn)全過程進(jìn)行一體化監(jiān)控與運維管理。

6 結(jié)束語

目前設(shè)計開發(fā)的煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺能夠及時對各類工業(yè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與傳輸，平臺端對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時監(jiān)測，同時能夠完成設(shè)備遠(yuǎn)程控制、統(tǒng)計分析等模塊操作，為煙草企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的運維提供信息化的高效率管理方式，降低各類安全隱患與風(fēng)險發(fā)生的概率。

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