工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺架構設計與應用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺架構設計與應用摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術目前在工業(yè)領域廣泛應用。在完整的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計中,平臺架構是設計的關鍵。鑒于架構考量,設計一套完整的基于設備端、服務云端和監(jiān)控端的整體框架十分必要。這里基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的通用共性部分構建系統(tǒng)平臺,利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特點，設計了面向通用工業(yè)用途的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺,并對每一層的設計做出說明,采用中間件的形式方便了平臺與設備的對接互聯(lián),具有通用性高,靈活性強的優(yōu)點.可較好滿足實際工業(yè)應用需求。關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；平臺架構；中間件；系統(tǒng)框架；設備端；服務端“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”作為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的重要組成部分，對工業(yè)信息化產業(yè)鏈戰(zhàn)略起著支撐、帶動和聯(lián)動作用，也對工業(yè)4.0的產業(yè)化布局起著至關重要的作用。目前，做工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)日益增多，大部分都堅持硬件研發(fā)與集成平臺相結合，圍繞邊緣計算、云計算做企業(yè)服務，以人工智能AI為發(fā)展方向，全面提升物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)科技創(chuàng)新能力。一、概念特色所謂的工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)，泛指具備工業(yè)領域特色的物聯(lián)網(wǎng)項目，其要求設備要穩(wěn)定可靠，方便升級、擴展，易于維護。當前國內工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要以平臺化企業(yè)服務為主，其實這時客戶更看重的，一是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運行，保證設備平臺的可靠性，數(shù)據(jù)傳輸實時監(jiān)測。二就是系統(tǒng)便于開發(fā)和維護。所以工業(yè)化設備的維護很重要，因為偏工業(yè)級的“物聯(lián)網(wǎng)”項目一般設計生命周期比較長，所以項目維護難以避免，甚至系統(tǒng)還會根據(jù)現(xiàn)場業(yè)務邏輯的變更進行變化，因此易于維護是“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“項目一個不可或缺的要素。二、設計思想工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)歸根到底是為工控企業(yè)提供更好的信息化監(jiān)管平臺服務，大都是面向具體行業(yè)，每種行業(yè)雖然從技術角度而言有很多類似的部分，但是從業(yè)務邏輯角度又有很大的區(qū)別，所以針對具體的項目，進行代碼調整及相關功能的擴展及二次開發(fā)必不可少。目前面向一線的工程師往往技術水平及能力相對比較低，能否快速編寫出可靠、健壯的代碼顯的非常重要，畢竟每個項目現(xiàn)場實施時間是有限的，但是同時項目要求也是比較高的。針對如上問題，最佳解決方案就是統(tǒng)一化和組態(tài)化的架構設計。對于物聯(lián)網(wǎng)設備端感應層全部采用單片機加傳感器設計，控制成本，加快產品研發(fā)周期，而且完全滿足目前工業(yè)化物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集要求。服務器采用云平臺架構設計，便于統(tǒng)計分析決策，并和大數(shù)據(jù)分析結合，給予用戶更多的反饋。數(shù)據(jù)傳輸層對于用戶連接數(shù)有很大限制，傳統(tǒng)單片機已經(jīng)不能滿足需求，所以需要ARM系列A9以上的芯片運行LINUX操作系統(tǒng)，采用物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關設計，實現(xiàn)物聯(lián)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的融合。大數(shù)據(jù)分析從云服務器獲取海量工業(yè)數(shù)據(jù)，進行分析反饋，給用戶提供最佳決策。AI人工智能作為選配，可以提前預測即將發(fā)生的事件，并將預測結果進行反饋。用戶端主要采用WEB前端、手機APP和組態(tài)屏的界面（可選）進行顯示，進行HMI人機交互式設計，方便用戶及時查看反饋結果，監(jiān)管工業(yè)設備運行狀態(tài)。三、系統(tǒng)設計根據(jù)工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)的特色，結合現(xiàn)場實際，在架構設計方面就有了方向和思路。先從技術角度分析，當前一個典型的物聯(lián)網(wǎng)項目，從組成上來講，至少有三部分：一是設備端，二是服務端，三是監(jiān)控端。1、設備端架構設計設備端主要負責數(shù)據(jù)采集，業(yè)務邏輯執(zhí)行及控制。無論設備層的采集與連接形式有多么復雜，最終都要匯集在一個設備上，所以嵌入式網(wǎng)關就發(fā)揮了重要的角色，除了專門負責和服務器進行通信外，有時候也要進行一系列的邊緣計算，執(zhí)行一些業(yè)務邏輯相關的代碼。這部分是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心和難點，也是設備端和云端對接的橋梁，基本都是基于嵌入式LINUX進行開發(fā)。對數(shù)據(jù)量相對比較大，實時性要求高的，往往是直接的SocketTCP/UDP通信，這樣既能保證降低開發(fā)成本，也能保證一定的可靠性傳輸。2、服務端架構設計服務端一般包含三部分：前臺+后臺+中間件；作為工業(yè)級的物聯(lián)網(wǎng)項目，前臺一般主要用于與用戶進行一些交互性的工作一是顯示畫面，和現(xiàn)場實際的設備和業(yè)務邏輯一一對應，畫面可以實時反映工業(yè)現(xiàn)場運行的情況。二是各種數(shù)據(jù)報表、圖表分析、查詢和打印等。三是運行日志，以便設備系統(tǒng)出現(xiàn)問題，能及時調看并排除故障。后臺主要完成三部分內容的工作，一是從設備端解析各種數(shù)據(jù)并進行存儲。二是與前臺頁面的各種實時通訊，如用到的AJAX、WEBsocket技術等。三是建立一些重要的設備數(shù)據(jù)和報表分析，找出對應關系，以便適應各個種類的現(xiàn)場環(huán)境。中間件主要功能就是負責和現(xiàn)場設備進行通信，獲取數(shù)據(jù)或發(fā)送相關控制指令，保證數(shù)據(jù)的上行和下發(fā)。其可以處理一部分的數(shù)據(jù)運算和邏輯分析，可以將數(shù)據(jù)分析前移。3、監(jiān)控端架構設計監(jiān)控端一般包含PC、手機或組態(tài)監(jiān)控。WEB平臺依然是進行設備監(jiān)控的主要手段，但是在移動互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，手機APP更大程度的提供了這種便捷的可能性。利用APP，你可以隨時隨地的監(jiān)控現(xiàn)場。在某些特殊行業(yè)，可能還需要配上組態(tài)軟件和組態(tài)屏，能動態(tài)的顯示工控設備的運行狀態(tài)。四、中間件設計由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個物聯(lián)網(wǎng)通用開發(fā)平臺，所以著眼點并不是一兩個非常有行業(yè)特點的項目平臺，而是在通用平臺上面向不同行業(yè)，不同具體應用的二次開發(fā)，更多考慮跨行業(yè)應用的技術通用部分及同一個運行時平臺支持多個項目點的功能。下面就設備端、云端中間件及物聯(lián)網(wǎng)通用平臺分別進行介紹。1、設備端數(shù)據(jù)組態(tài)中間件設計我們要設計的中間件必須要能支持二次開發(fā)。數(shù)據(jù)組態(tài)要具備多種調度策略因為驅動有多種運行模式，不僅系統(tǒng)可以調用，用戶策略也可以調用。還可以綁定策略事件，通過觸發(fā)的方式去執(zhí)行指定的策略。這樣驅動可以動態(tài)替換，如果配置了相關的連接變量，只要驅動變量接口兼容就可以替換，這大大降低了系統(tǒng)運行后的維護成本，外圍的硬件設備可以根據(jù)需要進行替換。2、服務端中間件架構設計此中間件最好可以集成Socket服務器，基于socket通訊協(xié)議來進行數(shù)據(jù)通信和服務端的互聯(lián)。該平臺是以項目為最小單位來進行管理，一個或多個項目對應一個項目模板，項目通過項目ID進行區(qū)分。由于是二次開發(fā)平臺，所以還需要提供一個平臺級的開發(fā)接口，通過接口可以管理相關的項目模板和項目（如創(chuàng)建、編輯、刪除、啟動和停止等）。3、通用平臺架構設計物聯(lián)網(wǎng)通用平臺的前臺設計一般可以根據(jù)客戶的需求自選模板，主要進行業(yè)務邏輯流程、業(yè)務報表、邏輯曲線顯示、設備運行日志、系統(tǒng)參數(shù)配置和視頻監(jiān)控、大屏顯示等等。而物聯(lián)網(wǎng)通用平臺的后臺，主要功能就是用戶管理、角色權限管理、設備數(shù)據(jù)管理和項目管理。五、平臺典型案例1、電梯智慧監(jiān)管系統(tǒng)為典型物聯(lián)網(wǎng)“邊緣計算”應用場景，一是通過在電梯內添加加速度傳感器、紅外傳感器以及霍爾開關等外圍設備終端，采集電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，二是通過溫濕度傳感器采集電梯機房溫濕度數(shù)據(jù)并利用lora模塊將機房數(shù)據(jù)接入采集終端。其統(tǒng)一通過4G通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺。2、智慧農場系統(tǒng)核心為物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關，外部連接攝像頭、溫濕度傳感器，通過以太網(wǎng)Wifi或3G路由器把相關數(shù)據(jù)推送到服務器?？蛻艨梢酝ㄟ^PC、平板或手機遠程監(jiān)