設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)雙向通信模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林航 張引強(qiáng) 陸俊

【摘要】 本文介紹了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，如何設(shè)計(jì)雙向通信模型解決服務(wù)器與客戶端間數(shù)據(jù)高頻實(shí)時(shí)傳輸以及服務(wù)器與大量集中器同時(shí)通訊的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)大量資產(chǎn)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、消息告警、跟蹤管理。

【關(guān)鍵字】 電力設(shè)備 狀態(tài)監(jiān)測(cè) 物聯(lián)網(wǎng) 雙向通信

一、引言

近年來(lái)，在國(guó)家政府的大力支持下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的用途廣泛，可運(yùn)用于城市公共安全、工業(yè)安全生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)控、智能交通、智能家居、公共衛(wèi)生、健康監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，主要是從應(yīng)用出發(fā)，利用互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳送，是互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)應(yīng)用的延伸，是自動(dòng)化控制、遙控遙測(cè)及信息應(yīng)用技術(shù)的綜合展現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于資產(chǎn)監(jiān)測(cè)能夠帶來(lái)信息的實(shí)時(shí)性、提高便利性、有利于安全管理、提升信息化程度。[1]

要實(shí)現(xiàn)覆蓋全省十幾個(gè)地市上百個(gè)通信站點(diǎn)上萬(wàn)臺(tái)機(jī)柜，獲取大約十萬(wàn)采集點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)出任一設(shè)備的位置或者異常狀況，采用過(guò)去那種高頻率請(qǐng)求服務(wù)器的方法來(lái)獲取設(shè)備的狀態(tài)對(duì)服務(wù)器的壓力很大，為此，我們研究并設(shè)計(jì)雙向通信模型，引入SignalR庫(kù)，構(gòu)造實(shí)時(shí)的消息處理機(jī)制[2]，建立持久連接的應(yīng)用系統(tǒng)[3][4]。本系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)信息傳感設(shè)備按約定的通信協(xié)議，將物與物、人與物連接起來(lái)，通過(guò)各種接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換，獲取實(shí)時(shí)可靠的在線資產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)設(shè)備智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

二、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

在通信站點(diǎn)中常見(jiàn)的場(chǎng)景有調(diào)撥設(shè)備、維修設(shè)備、攜帶設(shè)備進(jìn)出房間等，設(shè)備的管理信息全靠人工去維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易疏漏，尤其在上百個(gè)站點(diǎn)間信息互通也很困難。設(shè)計(jì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合射頻識(shí)別和傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即可構(gòu)建包含數(shù)量龐大的設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備資產(chǎn)的位置、溫度、濕度等重要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)在站點(diǎn)之間傳遞實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，完全發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以全省地市為單位劃分區(qū)域，區(qū)域內(nèi)包含站點(diǎn)的通信機(jī)房，對(duì)機(jī)房的資產(chǎn)采用機(jī)柜到機(jī)框到設(shè)備逐層定位的方法，標(biāo)識(shí)出一個(gè)設(shè)備的具體位置。設(shè)備在系統(tǒng)中可能具有的狀態(tài)包括：正常、移出、新增等。設(shè)備的狀態(tài)是根據(jù)閱讀器掃描的結(jié)果對(duì)比分析系統(tǒng)中已注冊(cè)的數(shù)據(jù)得出的。設(shè)備的性能指標(biāo)如溫度、濕度、浮塵由閱讀器實(shí)時(shí)采集獲得，與標(biāo)準(zhǔn)值（在系統(tǒng)中設(shè)定）比較來(lái)判斷是否需要發(fā)出指標(biāo)異常告警。

三、實(shí)時(shí)雙向通信模型設(shè)計(jì)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅跟數(shù)據(jù)集中器通信來(lái)采集設(shè)備狀態(tài)信息，同時(shí)還高效的分析數(shù)據(jù)，加工整合出操作人員需要看到的那一部分。我們給設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主站系統(tǒng)和后端服務(wù)兩個(gè)子系統(tǒng)。主站系統(tǒng)使用B/S結(jié)構(gòu)，使用瀏覽器即可訪問(wèn)，它負(fù)責(zé)展示資產(chǎn)監(jiān)測(cè)狀況。后端服務(wù)部署后在后臺(tái)7x24小時(shí)自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人工干預(yù)，它負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，采集資產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。那么在主站系統(tǒng)與后端服務(wù)乃至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)間需要一條通信線路保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳遞及時(shí)準(zhǔn)確，并且要能承擔(dān)大數(shù)據(jù)量的壓力。我們采用了SignalR搭建一個(gè)雙向通信模型來(lái)支撐網(wǎng)絡(luò)通信。

在系統(tǒng)中后臺(tái)服務(wù)能監(jiān)聽(tīng)多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，如圖1所示。網(wǎng)關(guān)周期性（可設(shè)置周期大小）的往指定端口發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含此次采集的設(shè)備狀態(tài)信息。服務(wù)在端口監(jiān)聽(tīng)到數(shù)據(jù)包時(shí)，依照自定義的軟硬件通信規(guī)約解析報(bào)文，丟棄無(wú)效和垃圾數(shù)據(jù)，提取出可靠的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行計(jì)算分析是否有資產(chǎn)移動(dòng)，是否有指標(biāo)異常。在客戶端瀏覽器中訪問(wèn)系統(tǒng)時(shí)，如果采用周期性請(qǐng)求刷新的方式，每隔一段時(shí)間去查詢資產(chǎn)狀態(tài)和位置，會(huì)給服務(wù)器帶來(lái)較大壓力，造成資源浪費(fèi)，因?yàn)橘Y產(chǎn)不屬于運(yùn)動(dòng)的物體，在大部分時(shí)間在機(jī)柜中處于靜止?fàn)顟B(tài)，頻繁的查詢效果并不好。我們引入SignalR——一組服務(wù)器和客戶端庫(kù)，建立了雙向通信模型，以便在服務(wù)器和客戶端之間建立實(shí)時(shí)雙向通信。不僅客戶端可以啟動(dòng)與服務(wù)器的聯(lián)系，而且服務(wù)器也能聯(lián)系客戶端。這些并不僅僅是簡(jiǎn)單的 HTTP 響應(yīng)。這些是從服務(wù)器到客戶端的實(shí)際方法調(diào)用，類似于推送技術(shù)。這種推送依賴于瀏覽器的能力，而雙向通信模型擁有Forever Frame、Long Polling、Server Sent Event、WebSocket四種傳輸方式，每種傳輸方式都有自身的要求限制，它可以根據(jù)客戶端瀏覽器的支持選擇最佳的傳輸方式。

我們使用SignalR中的集線器（Hubs）模式來(lái)進(jìn)行通信，例如，在客戶端的代碼中放置一個(gè)broadcastMessage方法，當(dāng)服務(wù)器分析得出有設(shè)備移動(dòng)時(shí)則會(huì)使用集線器發(fā)送一個(gè)包含調(diào)用方法及參數(shù)（當(dāng)對(duì)象作為方法參數(shù)時(shí)，將被序列化來(lái)發(fā)送）的數(shù)據(jù)包主動(dòng)推送給客戶端。然后客戶端檢查接收到的方法名稱，并在客戶端定義方法中進(jìn)行匹配查找，如果匹配成功（這里就是broadcastMessage），則執(zhí)行方法并使用反序列化的對(duì)象作為方法參數(shù)。反過(guò)來(lái)，在服務(wù)器配置一組響應(yīng)集線器收到消息的方法，如果想要立即獲得某個(gè)機(jī)柜中設(shè)備最新?tīng)顟B(tài)時(shí)，客戶端使用集線器發(fā)送參數(shù)給服務(wù)器，服務(wù)器校驗(yàn)參數(shù)通過(guò)之后向物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)出請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，獲取設(shè)備最新掃描狀態(tài)再反饋給客戶端，呈現(xiàn)在界面上。

系統(tǒng)覆蓋全省通信站點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)數(shù)個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行。后臺(tái)服務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)間使用異步通訊模式，完全不用擔(dān)心通訊阻塞和線程問(wèn)題。系統(tǒng)支持帶標(biāo)記的數(shù)據(jù)報(bào)文格式的識(shí)別以完成大數(shù)據(jù)報(bào)文的傳輸，可以適應(yīng)惡劣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。服務(wù)器維護(hù)了一組連接客戶端的狀態(tài)，能夠管理客戶端連接、斷開(kāi)，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的事件。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)可快速定位到客戶端的地址，從而給網(wǎng)關(guān)所在的站點(diǎn)發(fā)出消息。

四、實(shí)時(shí)雙向通信實(shí)現(xiàn)效果

物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)是聯(lián)系事物的組網(wǎng)與互聯(lián)技術(shù)。通過(guò)使用雙向通信模型，服務(wù)器與客戶端之間建立了持久連接，有效減輕因客戶端高頻發(fā)送請(qǐng)求造成的服務(wù)器壓力，服務(wù)器也無(wú)須等待客戶端的請(qǐng)求到來(lái)再響應(yīng)。假如在后臺(tái)服務(wù)的一次數(shù)據(jù)包分析中發(fā)現(xiàn)了異常狀態(tài)的設(shè)備，比如溫度超出標(biāo)準(zhǔn)溫度5度需要告警，那么消息處理機(jī)制會(huì)給操作人員一些提示，更新設(shè)備的溫度并告訴他哪里的設(shè)備出現(xiàn)異常。即使全省有1000個(gè)客戶端連接，服務(wù)器也可以對(duì)連接自動(dòng)管理，它可以在幾毫秒內(nèi)給所有已連接的客戶端發(fā)送廣播消息，也可以選擇只發(fā)給特定的客戶端。

該實(shí)時(shí)雙向通信模型應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合傳感、標(biāo)識(shí)、定位等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全省上百個(gè)通信站點(diǎn)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)通信資產(chǎn)設(shè)備的定位與主要部件的溫度、濕度、浮塵等重要性能指標(biāo)感應(yīng)采集，對(duì)大量采集數(shù)據(jù)加工分析，實(shí)時(shí)響應(yīng)、傳遞異常狀態(tài)的告警，防止對(duì)資產(chǎn)管理產(chǎn)生重大影響或潛在風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉化君. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[M]. 電子工業(yè)出版社2010

[2] Tom Dykstra， Tom FitzMacken. Server Broadcast with SignalR 2[J]. 2014

[3] Scott Hanselman. Asynchronous scalable web applications with real-time persistent long-running connections with SignalR[J]. 2011

[4] Patrick Fletcher. High-Frequency Realtime with SignalR 2[J]. 2014