基于可配置協(xié)議的智慧管網(wǎng)物聯(lián)接入系統(tǒng)

劉紅義，董丹丹，王海燕，趙樹立

（航天海鷹機(jī)電技術(shù)研究院有限公司，北京 100070）

0 引言

近年來，隨著城市快速發(fā)展，地下管線建設(shè)規(guī)模不足、管理水平不高等問題凸顯，我國(guó)城市正在面臨著各種地下管線問題的挑戰(zhàn)，因此，國(guó)家也越來越重視地下管線的綜合治理；同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展也為解決此問題提供很大契機(jī)，智慧管網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

對(duì)于智慧管網(wǎng)產(chǎn)業(yè)而言，一個(gè)項(xiàng)目中總是包括多個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的解決方案中，各個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立處理物聯(lián)感知設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)包解析的工作[2]，一方面由于不同的應(yīng)用系統(tǒng)可能使用同類的傳感設(shè)備數(shù)據(jù)，各系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)接入邏輯，造成了開發(fā)工作的冗余性；另一方面，由于不同系統(tǒng)對(duì)傳感數(shù)據(jù)解析后封裝的數(shù)據(jù)格式可能不一致，給各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享帶來了問題[3]。

因此設(shè)計(jì)統(tǒng)一的智慧管網(wǎng)物聯(lián)感知接入系統(tǒng)來解決以上問題。平臺(tái)系統(tǒng)需要能夠以較為統(tǒng)一的方式接入大量異構(gòu)的物聯(lián)感知終端設(shè)備，針對(duì)不同頻率發(fā)送來的傳感數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析和數(shù)據(jù)的封裝。并以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口向各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)推送服務(wù)[4]。

通過設(shè)計(jì)本系統(tǒng)達(dá)到以下目的：

（1）統(tǒng)一化的設(shè)備管理：

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的統(tǒng)一化管理，將各種設(shè)備（如RTU、傳感器、手持設(shè)備、精確定位標(biāo)簽）進(jìn)行廠家、安裝地點(diǎn)、安裝時(shí)間、狀態(tài)等基本信息的維護(hù)，各個(gè)設(shè)備間的關(guān)聯(lián)程度，設(shè)備的權(quán)屬單位、組織機(jī)構(gòu)的維護(hù)，設(shè)備的在線狀態(tài)、完好程度等狀態(tài)信息的統(tǒng)計(jì)等。

（2）可配置的設(shè)備接入與數(shù)據(jù)解析：

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可配置的設(shè)備接入與數(shù)據(jù)解析功能。將各種不同的協(xié)議模式進(jìn)行封裝處理，對(duì)需要新配置的協(xié)議可通過系統(tǒng)可視化的操作方式將各參數(shù)協(xié)議配置成功，以實(shí)現(xiàn)智能化的協(xié)議管理，簡(jiǎn)化了協(xié)議解析程序的開發(fā)流程。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，適用于互聯(lián)網(wǎng)條件，配置應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。對(duì)性能、海量數(shù)據(jù)、容錯(cuò)性以及擴(kuò)展性有非常高的要求，所以在系統(tǒng)的架構(gòu)上采用分布式[5-9]。具有如下特點(diǎn)：

（1）請(qǐng)求分布式調(diào)度[10]；

（2）多結(jié)點(diǎn)分布式部署；

（3）雙重備份，熱切換；

整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖所示，包括四層，每一層可以由若干結(jié)點(diǎn)來對(duì)數(shù)據(jù)和請(qǐng)求分流：

終端連接到接入層通訊網(wǎng)關(guān)，通過訪問接口收發(fā)消息，消息經(jīng)匯聚層轉(zhuǎn)發(fā)至核心交換機(jī)，核心交換機(jī)通過防火墻將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)中心和備份中心，應(yīng)用服務(wù)器通過訪問數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)對(duì)外提供應(yīng)用服務(wù)。

此外，系統(tǒng)所涉及到的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有部署在各類管線上的傳感器、匯集傳感器數(shù)據(jù)的 RTU設(shè)備和PLC設(shè)備和集中器。構(gòu)成局域網(wǎng)的各種路由設(shè)備和交換機(jī)以及服務(wù)器和客戶端機(jī)器。

傳感設(shè)備與匯集設(shè)備之間的通信方式可采用有線、和無線兩種類型。對(duì)于有線的通信方式，一般可采用RS-232或RS-485串口通信協(xié)議。對(duì)于無線的通信方式，一般可采用無線廣域網(wǎng)（3G、4G）、無線局域網(wǎng)（wifi）、和無線自組網(wǎng)等通信協(xié)議進(jìn)行通信。

本系統(tǒng)中所有的匯集設(shè)備都會(huì)接入到互聯(lián)網(wǎng)中，匯集設(shè)備與接入系統(tǒng)之間的通信，在傳輸層只有UDP和TCP兩種選擇，而應(yīng)用層的協(xié)議則依據(jù)匯集設(shè)備的類型和配置方式的不同而呈現(xiàn)出多種多樣的形式。由于ModBus系列協(xié)議在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)中所采用的應(yīng)用層協(xié)議主要有ModBus TCP、ModBus RTU、直接TCP、直接UDP等幾種。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

接入系統(tǒng)分為基于B/S架構(gòu)的web管理系統(tǒng)和后臺(tái)接收網(wǎng)關(guān)兩個(gè)部分，系統(tǒng)的架構(gòu)圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture

與系統(tǒng)直接通信的設(shè)備有傳感數(shù)據(jù)匯集設(shè)備RTU、PLC等，以及直傳式傳感設(shè)備，這些設(shè)備經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)的傳輸層與接收網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。系統(tǒng)提供網(wǎng)關(guān)管理模型對(duì)各個(gè)專業(yè)設(shè)備的接收網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理。接收網(wǎng)關(guān)運(yùn)行時(shí)的配置數(shù)據(jù)來自協(xié)議模型，協(xié)議模型以及設(shè)備的原始協(xié)議由協(xié)議管理模塊進(jìn)行管理。同時(shí)系統(tǒng)提供 web管理界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。

2 物聯(lián)接入系統(tǒng)

系統(tǒng)包括 M2M 中間件和終端信息管理兩大核心組件。M2M中間件提供不同類型和廠家設(shè)備的協(xié)議適配、統(tǒng)一接入、數(shù)據(jù)解析和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，具有跨平臺(tái)、分布部署、高并發(fā)處理等特點(diǎn)；終端信息管理提供接入設(shè)備的基礎(chǔ)信息管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)關(guān)狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)管理等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期過程可視化管理。物聯(lián)接入系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示[11-15]。

圖2 物聯(lián)感知中心架構(gòu)Fig.2 IOT center architecture

（1）上行網(wǎng)關(guān)

上行網(wǎng)關(guān)主要功能是提供專業(yè)設(shè)備、中控設(shè)備和手持設(shè)備的自有協(xié)議適配服務(wù)和采集狀態(tài)、位置、監(jiān)測(cè)指標(biāo)、圖片、流媒體等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和指令下發(fā)。

①通信鏈路管理

TCP/UDP通信：實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議或UDP/IP通信連接，與支持 2G/3G/4G設(shè)備進(jìn)行通信，根據(jù)設(shè)備的接入請(qǐng)求分配臨時(shí)IP地址，建立TCP/IP連接，接收設(shè)備的采集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令[16]。

SMS通信：實(shí)現(xiàn)SMS方式支持與聯(lián)通、移動(dòng)、電信三大運(yùn)營(yíng)商設(shè)備進(jìn)行通信，根據(jù)設(shè)備請(qǐng)求建立通信信道，接收設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令。

②認(rèn)證鑒權(quán)管理

在接收到設(shè)備上發(fā)的信息后，對(duì)于本身具備鑒權(quán)碼的設(shè)備，分析其鑒權(quán)碼，根據(jù)鑒權(quán)碼和設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定該設(shè)備是否為合法設(shè)備，只向合法設(shè)備提供接入服務(wù)，對(duì)非法連接設(shè)備予以丟棄，以避免應(yīng)用系統(tǒng)接收非法信息。

③協(xié)議適配

建立終端設(shè)備協(xié)議庫(kù)，通過配置接入系統(tǒng)的終端通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)協(xié)議適配，并根據(jù)協(xié)議規(guī)則將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，分析報(bào)文內(nèi)容；對(duì)下傳的指令按照終端自有協(xié)議進(jìn)行封裝。

（2）下行網(wǎng)關(guān)

下行網(wǎng)關(guān)提供信息路由服務(wù)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口，主要功能是將解析后的數(shù)據(jù)內(nèi)容向數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)訪問控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

下行網(wǎng)關(guān)采用兩級(jí)緩存的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理。終端設(shè)備將采集數(shù)據(jù)上傳至通信網(wǎng)關(guān)，經(jīng)解析后生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一級(jí)緩存中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過一級(jí)緩存，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)直接向上層提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；所有解析后的原始數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)），存儲(chǔ)至二級(jí)緩存。二級(jí)緩存一方面保證數(shù)據(jù)安全性，另一方面原始數(shù)據(jù)達(dá)到一定容量后，再進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，提供數(shù)據(jù)訪問性能。其中：

◆ 數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、校驗(yàn)、修正、合并等處理。

◆ 數(shù)據(jù)訪問控制：主要是對(duì)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問控制。

◆ 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)[17]：通過 WebService服務(wù)方式提供數(shù)據(jù)訪問接口，供數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用。

（3）管理平臺(tái)

管理平臺(tái)包括終端信息管理、協(xié)議信息管理、終端注冊(cè)管理、終端參數(shù)配置、終端狀態(tài)管理、網(wǎng)關(guān)狀態(tài)管理、終端告警管理、終端控制管理、終端升級(jí)管理幾部分。

系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 可配置協(xié)議

在物聯(lián)接入系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行協(xié)議的可配置改進(jìn)，將各種不同的協(xié)議模式進(jìn)行封裝處理，對(duì)需要新配置的協(xié)議可通過產(chǎn)品前臺(tái)的配置管理將各參數(shù)協(xié)議配置成功，以實(shí)現(xiàn)智能的網(wǎng)關(guān)管理，不再需要專業(yè)人員進(jìn)行后臺(tái)協(xié)議解析程序的開發(fā)。

首先對(duì)協(xié)議進(jìn)行可配置模板提取，通過可配置頁(yè)面對(duì)可配置參數(shù)進(jìn)行配置，將此配置參數(shù)進(jìn)行封裝處理，自動(dòng)化的解析處理，達(dá)到一鍵可配置填充，協(xié)議自動(dòng)化解析的目的。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System function structure diagram

可配置頁(yè)面如下所示：

圖4 下行網(wǎng)關(guān)配置頁(yè)面Fig.4 Downlink gateway configuration page

圖5 解析邏輯配置頁(yè)面Fig.5 Parse logic configuration page

圖6 上行網(wǎng)關(guān)配置Fig.6 Uplink gateway configuration

4 結(jié)論

本文給出了基于可配置協(xié)議的智慧管網(wǎng)的物聯(lián)接入系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、功能特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方式等。在智慧管網(wǎng)領(lǐng)域里，設(shè)備量眾多、專業(yè)分類較多（包含八大類管線：給水、排水、燃?xì)?、熱力、電力、通信、廣播電視、工業(yè)），因此本系統(tǒng)（對(duì)大量設(shè)備、各類管線協(xié)議的管理）為智慧管網(wǎng)項(xiàng)目中的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。前端感知設(shè)備將數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)上傳，進(jìn)入此系統(tǒng)，通過協(xié)議配置，達(dá)到協(xié)議解析、數(shù)據(jù)推送應(yīng)用系統(tǒng)展示的作用，可以說此系統(tǒng)是應(yīng)用層和感知設(shè)備層的通信環(huán)節(jié)，至關(guān)重要，此環(huán)節(jié)的提升對(duì)于整個(gè)智慧管網(wǎng)的系統(tǒng)開發(fā)具有十分可觀的價(jià)值。而基于可配置協(xié)議的智慧管網(wǎng)的物聯(lián)接入系統(tǒng)的研發(fā)，通過可配置頁(yè)面的操作即可快速實(shí)現(xiàn)協(xié)議配置、數(shù)據(jù)解析功能，縮短了開發(fā)周期，提升了代碼的復(fù)用性，減少人力開發(fā)成本，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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