基于ISA100.11a 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的中間件設(shè)計與實現(xiàn)

支亞軍 張建奇 楊 寧

(西安航天自動化股份有限公司1，陜西 西安 710065;西安郵電大學(xué)自動化學(xué)院2，陜西 西安 710061)

0 引言

目前，在傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上融合互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將具有環(huán)境感知能力的各種終端、云計算模式、移動通信、實時通信等不斷融入工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成為研究和發(fā)展的新方向［1］。針對工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)部分，國際主流的協(xié)議有三種，分別是ISA100.11a［2］、Wireless HART 和WIA-PA。

ISA100.11a 是第一個開放的、面向多種工業(yè)應(yīng)用的標準［3］，其主要特征為:提供過程工業(yè)應(yīng)用服務(wù)，包括工廠自動化;提供等級1(非關(guān)鍵)到等級5 的應(yīng)用;跳信道的方式支持共存和增加可靠性;提供本地和隧道協(xié)議，以實現(xiàn)廣泛的可用性;現(xiàn)場設(shè)備具有支持網(wǎng)狀和星型結(jié)構(gòu)的能力。然而，該協(xié)議未對網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控、過程控制協(xié)議方面進行規(guī)定和描述。如果不同廠商采用私有協(xié)議來設(shè)計網(wǎng)關(guān)和Web 服務(wù)之間的通信［4］，通用性和可移植性較差，并且難以維護，不利于產(chǎn)品推廣和網(wǎng)絡(luò)升級。

針對以上問題，本文設(shè)計了介于網(wǎng)關(guān)和Web 服務(wù)之間的中間件系統(tǒng)，不僅使服務(wù)接口標準化，而且增強了監(jiān)控和管理的Web 系統(tǒng)的通用性和可移植性，有利于產(chǎn)品維護升級和廣泛應(yīng)用部署。

1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

ISA100.11a 標準中對無線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)有詳細的描述，但沒有對工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理功能做規(guī)范要求，僅僅規(guī)范了網(wǎng)關(guān)服務(wù)接入點(gateway service access point，GSAP)的接口要求。根據(jù)標準中GSAP 的內(nèi)容描述，文章提出了符合該接口信息的中間件系統(tǒng)方案。中間件邏輯位置介于網(wǎng)關(guān)和Web 服務(wù)器之間，是用戶進行Web 訪問的關(guān)鍵部分。圖1 描述了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 中虛線框內(nèi)為符合ISA100.11a 標準的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場終端設(shè)備通過骨干路由設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接，實現(xiàn)ISA100.11a 傳感網(wǎng)部分功能。網(wǎng)關(guān)設(shè)備和中間件模塊可通過不同硬件設(shè)備部署，也可以作為一體機部署在同一個硬件設(shè)備上。中間件通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將符合ISA100.11a 標準的信息以IP 數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給中間件，中間件接收解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并保存于數(shù)據(jù)庫中。Web服務(wù)器通過訪問數(shù)據(jù)庫來獲取ISA100.11a 的網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)和設(shè)備信息;用戶通過訪問Web 服務(wù)器來達到監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備目的。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.1 Network topology of the system

2 中間件設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)流程

中間件為Web 服務(wù)器的訪問提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)的功能，其體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 中間件的體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of the middleware

系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括:請求命令生成模塊、響應(yīng)命令處理模塊、網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊、數(shù)據(jù)庫訪問接口和數(shù)據(jù)庫。其中，請求命令生成模塊主要負責(zé)從數(shù)據(jù)庫讀取預(yù)配置的命令，創(chuàng)建命令以及添加命令參數(shù)，調(diào)用網(wǎng)關(guān)側(cè)接口將命令發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。響應(yīng)命令處理模塊主要負責(zé)解析從網(wǎng)關(guān)接收到的響應(yīng)數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問接口將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊主要負責(zé)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備建立TCP 連接，將消息封裝成IP 數(shù)據(jù)包格式，通過Socket機制發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并接收解析來自網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊主要負責(zé)對數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作，包括更新數(shù)據(jù)庫中的信息以及從數(shù)據(jù)庫讀取命令。中間件系統(tǒng)啟動后，請求命令生成模塊從數(shù)據(jù)庫獲取預(yù)配置命令并添加到周期業(yè)務(wù)列表中，通過查找周期業(yè)務(wù)列表獲取周期性業(yè)務(wù)，然后創(chuàng)建命令并將命令發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，等待接收響應(yīng)幀。當(dāng)網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊接收并解析數(shù)據(jù)包后，送給響應(yīng)命令處理模塊進行解析，最后調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)表中，完成一次周期命令的執(zhí)行過程。根據(jù)周期業(yè)務(wù)列表循環(huán)判斷是否還有未執(zhí)行的請求業(yè)務(wù)，如果有則繼續(xù)執(zhí)行該流程，否則完成本次所有請求業(yè)務(wù)。中間件的業(yè)務(wù)處理流程如圖3 所示。

圖3 中間件業(yè)務(wù)處理流程Fig.3 The business process flow of middleware

2.2 數(shù)據(jù)庫描述

中間件的業(yè)務(wù)處理過程需要與數(shù)據(jù)庫進行交互，包括請求命令生成和響應(yīng)命令處理兩個過程。其中，請求命令生成過程為:請求命令生成模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊與數(shù)據(jù)庫建立連接，并讀取數(shù)據(jù)庫中的預(yù)配置命令，之后再執(zhí)行讀取的預(yù)配置命令，進行命令請求的創(chuàng)建過程。響應(yīng)命令處理過程為:響應(yīng)命令處理模塊解析完成響應(yīng)數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊與數(shù)據(jù)庫建立連接，并將響應(yīng)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫的表中。

數(shù)據(jù)庫中表的類型以及內(nèi)容按照ISA100.11a 協(xié)議中網(wǎng)關(guān)的GSAP 接口信息來設(shè)計，為Web 服務(wù)器應(yīng)用提供實時準確的網(wǎng)絡(luò)信息。數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊通過MySQL 命令來訪問。數(shù)據(jù)庫的表與網(wǎng)關(guān)服務(wù)原語的信息映射，把通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)原語的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息存儲到數(shù)據(jù)庫不同的表中，最終為Web 用戶提供實時可靠的網(wǎng)絡(luò)信息。

數(shù)據(jù)庫中的表按照功能分為三類:命令類表、設(shè)備信息表和網(wǎng)絡(luò)信息表。命令類表主要存儲Web 應(yīng)用的請求和配置命令，并記錄命令的執(zhí)行結(jié)果。設(shè)備信息表主要存儲ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的信息，包括設(shè)備屬性、設(shè)備信道、設(shè)備連接狀態(tài)、設(shè)備調(diào)度信息和設(shè)備采集信息。網(wǎng)絡(luò)信息表主要存儲ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)的屬性和信息，包括網(wǎng)絡(luò)分配的所有Contract 信息、網(wǎng)絡(luò)健康報告信息、網(wǎng)絡(luò)路由信息和網(wǎng)絡(luò)拓撲信息。數(shù)據(jù)庫中表的條目及內(nèi)容的描述如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)庫表條目及內(nèi)容描述Tab.1 Database table entries and content description

2.3 與網(wǎng)關(guān)設(shè)備通信

根據(jù)ISA100.11a 標準的描述，網(wǎng)關(guān)要具備為外部Host-Level 應(yīng)用提供GSAP 接口的功能。中間件通過與網(wǎng)關(guān)的GSAP 模塊進行通信來提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)，包括請求命令處理和響應(yīng)命令處理兩個過程。請求命令處理過程:請求命令生成模塊創(chuàng)建命令請求后調(diào)用網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊，網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊將命令請求按照固定數(shù)據(jù)包格式封裝后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。響應(yīng)命令處理過程:網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊接收數(shù)據(jù)包后并完成響應(yīng)命令數(shù)據(jù)的拷貝，再由響應(yīng)命令處理模塊對響應(yīng)數(shù)據(jù)進行解析處理。表2 詳細描述了請求命令及響應(yīng)命令的內(nèi)容。

網(wǎng)關(guān)接收到命令請求后會根據(jù)命令類型執(zhí)行相應(yīng)的操作，最后返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。一部分響應(yīng)數(shù)據(jù)攜帶有設(shè)備信息或網(wǎng)絡(luò)信息;另外一部分響應(yīng)數(shù)據(jù)攜帶有網(wǎng)關(guān)對命令請求的執(zhí)行是否成功的標志或?qū)γ钫埱髨?zhí)行的時間等信息。中間件解析網(wǎng)關(guān)返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)并訪問數(shù)據(jù)庫，更新數(shù)據(jù)庫中的對應(yīng)表。

表2 命令請求及對應(yīng)的響應(yīng)內(nèi)容Tab.2 Command requests and corresponding response contents

下面就表2 中的部分關(guān)鍵命令做詳細的介紹，包括命令的描述以及相關(guān)參數(shù)等。

(1)會話及Lease 的創(chuàng)建:建立會話的主要目的是方便中間件和網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行資源的分配與回收，以及通信資源的管理。因此，中間件在運行時首先需要與網(wǎng)關(guān)之間建立會話連接，該會話保持直到連接斷開或會話終止。Lease 的創(chuàng)建主要服務(wù)于各種命令的執(zhí)行，保證不同管理服務(wù)的通信可靠和資源保障。

中間件發(fā)起會話創(chuàng)建的請求命令到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)接收到請求后會回復(fù)響應(yīng)命令。該響應(yīng)命令攜帶會話ID、會話周期及會話狀態(tài)等信息。解析完會話響應(yīng)后，中間件從數(shù)據(jù)庫的Commands 表中獲取所有的命令并添加到請求命令生成模塊的周期業(yè)務(wù)列表中。中間件查找周期業(yè)務(wù)列表執(zhí)行各種命令之前，首先要判斷該服務(wù)請求和網(wǎng)關(guān)是否建立Lease，如果沒有建立，則需要執(zhí)行創(chuàng)建Lease 過程。中間件發(fā)起Lease 請求命令到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)回復(fù)響應(yīng)命令，中間件進行響應(yīng)數(shù)據(jù)的解析，完成Lease 建立過程。Lease 創(chuàng)建成功后，中間件和網(wǎng)關(guān)之間才能進行正常的數(shù)據(jù)交互。會話及Lease創(chuàng)建的命令執(zhí)行過程如圖4 所示。

圖4 會話及Lease 創(chuàng)建命令的執(zhí)行過程Fig.4 Execution process of session and Lease creating command

(2)網(wǎng)絡(luò)拓撲報告:當(dāng)執(zhí)行周期性的網(wǎng)絡(luò)拓撲報告請求時，中間件通過查找請求命令生成模塊的周期業(yè)務(wù)列表創(chuàng)建命令并添加命令參數(shù)后，將消息發(fā)送給網(wǎng)關(guān);網(wǎng)關(guān)處理后將收集的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息返回給中間件，中間件把網(wǎng)絡(luò)拓撲信息寫入數(shù)據(jù)庫的NetworkTopologyGraph 表中。拓撲結(jié)構(gòu)報告的執(zhí)行過程如圖5 所示。

圖5 拓撲結(jié)構(gòu)報告的執(zhí)行過程Fig.5 Execution process of topological structure reporting

(3)設(shè)備采集數(shù)據(jù)上報:中間件系統(tǒng)在運行之前需要將終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)類型參數(shù)配置到數(shù)據(jù)庫表中，以保證數(shù)據(jù)能夠正確存儲，如圖6 所示。

圖6 Publish 數(shù)據(jù)上報過程Fig.6 Publish data reporting process

首先，中間件向網(wǎng)關(guān)發(fā)送Subscription 請求，接收到Subscription 確認后，開始等待接收Publish 數(shù)據(jù)包。網(wǎng)關(guān)將收集到的終端設(shè)備的采集數(shù)據(jù)(溫濕度、壓力等)發(fā)送給中間件，中間件將數(shù)據(jù)包按照預(yù)配置的數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)寫入DeviceReadings 表中。

3 關(guān)鍵技術(shù)描述

3.1 可靠傳輸描述

中間件在執(zhí)行請求處理業(yè)務(wù)時，考慮到系統(tǒng)間的可靠通信，采用定時重傳的通信機制。發(fā)起請求命令并同時啟動一個該命令對應(yīng)的定時器，如果在定時器超時之前接收到了響應(yīng)命令，則停止該定時器，并刪除緩沖區(qū)中的對應(yīng)請求命令，進入解析處理過程;若定時器超時后還未接收到對應(yīng)的響應(yīng)命令，則將緩沖區(qū)中的請求命令重新發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，再次啟動定時器，直到達到最大重發(fā)次數(shù)。

圖7 描述了定時器在正常情況下和超時情況下的管理示意流程。

圖7 定時器管理流程示意圖Fig.7 Flowchart of timer management

3.2 接收過濾描述

為減少異常數(shù)據(jù)包的處理，網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊增加接收過濾功能，對不符合約定協(xié)議和格式的數(shù)據(jù)進行丟棄。當(dāng)接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)時先讀取響應(yīng)數(shù)據(jù)的版本號、首部以及數(shù)據(jù)部分，進行異常檢測過程的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，最終將正確的數(shù)據(jù)包發(fā)送給響應(yīng)處理模塊。狀態(tài)機的當(dāng)前狀態(tài)、下一個狀態(tài)以及當(dāng)前所發(fā)生的事件如表3 所示。

表3 狀態(tài)機描述列表Tab.3 Descriptions of state machine

4 測試與驗證

中間件系統(tǒng)運行在Linux 環(huán)境中，和網(wǎng)關(guān)運行在一個設(shè)備上，Web 服務(wù)器完全采用本公司自主設(shè)計的系統(tǒng)。終端設(shè)備采用Freescale 公司的MC13224［5］芯片作為無線模塊，搭載符合ISA100.11a 標準的協(xié)議棧軟件和采集控制軟件。測試操作流程:配置終端設(shè)備的采集周期和模式;分別運行網(wǎng)關(guān)、中間件系統(tǒng)和終端設(shè)備;中間件發(fā)起Subscribe/Publish 操作，將采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中;訪問Web 服務(wù)器，查看網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運行狀態(tài)和周期上報的采集數(shù)據(jù)。

經(jīng)過測試，中間件系統(tǒng)可以實時準確地與網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行通信，將符合協(xié)議要求的內(nèi)容寫入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫表項的內(nèi)容能夠滿足Web 服務(wù)器的訪問讀取顯示。

通過訪問Web 服務(wù)器，用戶可以查看實時運行的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、終端設(shè)備的采集上報信息和運行狀態(tài)。這說明系統(tǒng)基本滿足工業(yè)現(xiàn)場的無線采集、監(jiān)控管理應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

本文在現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計與實現(xiàn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件系統(tǒng)，為Web 服務(wù)提供了標準化數(shù)據(jù)庫和接口，降低了ISA100.11a 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的Web 應(yīng)用開發(fā)難度，并縮減了開發(fā)周期。一方面，中間件的網(wǎng)關(guān)測接口能夠與符合ISA100.11a 標準的任意網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接，具有較好的通用性，可應(yīng)用在不同的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，避免二次開發(fā)，有效節(jié)省了開發(fā)成本和時間;另一方面，該中間件能夠協(xié)助Web 服務(wù)器存儲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，使得用戶通過瀏覽器網(wǎng)頁界面遠程查看網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)信息，并且能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進行控制和管理。該中間件系統(tǒng)的設(shè)計，可以加快ISA100.11a 標準網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)現(xiàn)場的的部署和應(yīng)用，對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起著積極的促進作用。

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