基于樹莓派的測控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構設計*

張 成，李晨安，張 歡，胡博文，孔 潔

（合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術，發(fā)展速度遠遠高于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)[1]。然而，物聯(lián)網(wǎng)技術遲遲未能在市場中完全普及開來，主要有以下原因。

（1）物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議未統(tǒng)一。從物聯(lián)網(wǎng)概念誕生起，物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議一直是眾多廠家爭奪競爭優(yōu)勢的關鍵因素，目前比較流行的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議包括NB-IOT[2]（Narrow Band Internet of Things）、 LoRa （Long Range）、 eMTC （enhanced Machine-Type Communication）等。不同協(xié)議相互之間的不兼容，嚴重影響了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展。

（2）物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的海量性[3]。大型測試系統(tǒng)包括海量的傳感器節(jié)點，如何將這些數(shù)據(jù)收集起來進行存儲、查詢和分析，是非常困難的任務。

（3）物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的異構性[4]。大型測試系統(tǒng)包括類型各異的傳感器節(jié)點，既有傳統(tǒng)的溫度、濕度和壓力等信號，也有諸如加速度、振動、噪聲和光學圖像等信號。不同的傳感器通信方式不同，信號類型不同，更為困難的是，對不同傳感器采集的精度和速度的要求都是不同的。傳感器節(jié)點的異構性對后臺信號處理平臺造成了非常大的困難。

（4）物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)的非連續(xù)性。由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的采樣間隔不同，在日常運轉(zhuǎn)中存在大量冗余，然而在特殊時間節(jié)點卻異常重要，例如設備的預警，監(jiān)控數(shù)據(jù)的回放等。用戶如果希望查詢某時刻的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，通常情況下，會采用數(shù)據(jù)插值法，用前后時間節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進行加權計算得出。由于數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，傳感器的采樣間隔和數(shù)據(jù)插值算法的設計，都會對系統(tǒng)的性能造成很大的影響。

總的來說，物聯(lián)網(wǎng)不同于互聯(lián)網(wǎng)，大量是由機器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的難點并非單純實現(xiàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的通信[5]。核心要素在于，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構不僅要實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的功能，還要以相對低成本、實時地且穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互及存儲查詢功能，并根據(jù)設備狀態(tài)做出相應的調(diào)節(jié)控制，關鍵在于網(wǎng)絡架構的設計，以及核心算法的處理。因此設計了一套以樹莓派為核心的多節(jié)點物聯(lián)網(wǎng)遠程測控系統(tǒng)軟硬件解決方案，利用樹莓派等開源硬件產(chǎn)品，通過設計合理的網(wǎng)絡和算法結構，將數(shù)據(jù)上傳與存儲的難度降低到可控的程度。

1 系統(tǒng)總體架構

本文設計的技術平臺主要應用于制冷空調(diào)產(chǎn)品的實時性能檢測。與其他工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)不同，試驗室性能測控系統(tǒng)不僅對數(shù)據(jù)的實時性要求較高，也對數(shù)據(jù)的存儲和分析查詢要求較高，既要讓用戶能夠靈活地對試驗歷史數(shù)據(jù)進行分析和查詢，又要根據(jù)測試情況，對試驗室設備運行狀況進行及時地預警及優(yōu)化。

本文設計的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構包含物聯(lián)網(wǎng)測試系統(tǒng)的全部軟硬件功能。其中，硬件部分包括傳感器節(jié)點、串口或網(wǎng)關服務器，并使用樹莓派作為整個測控平臺的中心處理單元[6-7]。軟件部分包括樹莓派中的數(shù)據(jù)處理算法、云后臺數(shù)據(jù)服務器數(shù)據(jù)庫及Web瀏覽器功能開發(fā)。

由于傳感器節(jié)點的測量精度和采集間隔不同，系統(tǒng)配備了不同類型的數(shù)據(jù)采集服務器，包括無線串口服務器、中低速網(wǎng)絡采集器、高速網(wǎng)絡采集器等，傳感器數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集服務器中進行采樣預處理后，集中上傳給測控服務器樹莓派。樹莓派是整個測控平臺的核心，定期接收采集數(shù)據(jù)服務器不同類型的數(shù)據(jù)上傳，并根據(jù)設備運行的狀態(tài)動態(tài)調(diào)整采樣時間間隔，通過加權計算，動態(tài)調(diào)整預警門限值的大小，之后，樹莓派將全部數(shù)據(jù)打包，通過 （HyperText Transfer Protocol，HTTP）協(xié)議上傳至后臺云端服務器。系統(tǒng)采集存儲過程也稱為數(shù)據(jù)正向過程，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)測控平臺正向過程

物聯(lián)網(wǎng)測控平臺還具有設備控制與調(diào)節(jié)的功能，也稱為數(shù)據(jù)逆向過程，逆向過程的設定需要管理員權限，（User Interface，UI）界面并不對普通用戶開放。如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)測控平臺反向過程

2 子系統(tǒng)模塊

2.1 傳感器節(jié)點

該項目主要采用如下傳感器節(jié)點。

（1）溫度傳感器。賽億凌公司生產(chǎn)，核心芯片為DS18B20+，輸出RS485數(shù)字信號。本項目通過串聯(lián)的方式將溫度傳感器級聯(lián)起來，共部署100個溫度傳感器。

（2）壓力傳感器。GE Druck公司生產(chǎn)，精度為0.25%，輸出-5～5 V電壓信號。

（3）脈動壓力傳感器。美國PCB公司生產(chǎn)，精度為7.25 mV/kPa，輸出-5～5 V電壓信號。

（4）加速度計。美國PCB公司生產(chǎn)，精度為10 mV/g，測量范圍0.5～10 kHz，輸出-5～5 V電壓信號。

（5）麥克風。丹麥GRAS公司生產(chǎn)，精度為50 mV/Pa，輸出-5～5 V電壓信號。

不同的傳感器對采集間隔和精度差異很大，如脈動壓力傳感器和加速度計傳感器對采集間隔的要求為1 ms以下，而溫度傳感器對采集間隔的要求較低，10 s即可。系統(tǒng)設計了多套采集系統(tǒng)并聯(lián)組合的方案，最終將預處理之后的數(shù)據(jù)發(fā)送給樹莓派統(tǒng)一處理。

2.2 數(shù)據(jù)采集服務器

根據(jù)傳感器輸出信號的類型，以及對采集間隔和采集精度的要求不同，使用3種類型的數(shù)據(jù)采集服務器分別進行信號處理。

（1）無線串口收發(fā)服務器。使用中泰電子的DRF2659C模塊，核心芯片是TI公司的CC2630。將溫度傳感器輸出的RS485協(xié)議信號封裝成Zigbee協(xié)議進行空口無線傳輸，通過中泰電子的DRF2658C模塊將Zigbee信號還原成為RS485信號，再封裝成USB協(xié)議接口數(shù)據(jù)上傳至樹莓派。使用過程中，數(shù)據(jù)采集服務器DRF2658C作為主設備，DRF2659C作為從設備，一臺主模塊DRF2658C可以連接多臺從模塊，易于擴展。

（2）低速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務器。使用研華公司的6217測量模塊，測量類型為電壓和電流信號，本項目中為壓力和流量傳感器，可以實現(xiàn)1 s的采樣時間間隔。

（3）高速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務器。使用NI公司的cDAQ-9184測控平臺，測量類型為電壓和電流信號，將脈動壓力傳感器、加速度計傳感器和麥克風傳感器，分別接入cDAQ中，系統(tǒng)的分辨率設為1 kbps，對采集數(shù)據(jù)進行FFT頻譜變化，分別輸出脈動壓力值、壓縮機轉(zhuǎn)速值、壓縮機振動值，以及環(huán)境噪聲值，輸出數(shù)據(jù)處理時間可以低至1 s。

2.3 數(shù)據(jù)處理服務器

樹莓派作為智能硬件平臺的代表，具有眾多優(yōu)點：開源的硬件平臺，使用靈活的Python開發(fā)語言[8-10]，具有豐富的外設接口，易于擴展性以及高性價比等。系統(tǒng)使用樹莓派作為核心的數(shù)據(jù)處理中心，主要完成以下工作。

（1）將數(shù)據(jù)采集器上傳的數(shù)據(jù)集中加載處理。樹莓派定時將以太網(wǎng)、USB和無線空口的數(shù)據(jù)分別加載到內(nèi)存中。其中，USB外設的存放路徑為“/dev/USB00/”，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采用Socket連接，依次尋址到所有網(wǎng)絡服務器設備，所有采集數(shù)據(jù)加載完成后進行統(tǒng)一格式處理。

（2）將處理后的數(shù)據(jù)上傳至騰訊云服務器后臺。樹莓派將采集數(shù)據(jù)打包整理好后，作為客戶端，使用HTTP協(xié)議格式，將數(shù)據(jù)定時循環(huán)發(fā)送并上傳至騰訊云服務器。

（3）實時監(jiān)測騰訊云服務器發(fā)送來的信號指令用于調(diào)節(jié)和控制設備。考慮到設備的控制與調(diào)節(jié)，本項目在樹莓派中也部署了Socket服務器后臺，用于監(jiān)測來自用戶網(wǎng)頁反饋的信號數(shù)據(jù)。樹莓派監(jiān)測到高級管理員從瀏覽器發(fā)送過來的指令后，會立即將數(shù)據(jù)封裝成Modbus的協(xié)議格式，通過無線串口服務器，發(fā)送給調(diào)節(jié)和控制設備，用于設備的啟停和調(diào)節(jié)器的動態(tài)調(diào)節(jié)。

（4） 實現(xiàn)動態(tài)采集、調(diào)度和預警等算法。

2.4 算法設計

該項目算法設計包括以下兩種。

（1）動態(tài)調(diào)整采集時間間隔。通過對樹莓派采集的數(shù)據(jù)進行分析，實時監(jiān)測設備運行的核心指標，并由此根據(jù)設備的運行情況，分為“正?！?、“預警”和“報警”3種狀態(tài)類型。每種狀態(tài)類型設計不同的采樣時間間隔，具體設計如表1所示。

表1 樹莓派采樣間隔設計

（2）設定系統(tǒng)關鍵指標的閾值門限。設計合理的預警和報警閾值門限，在整個系統(tǒng)的設計中極為關鍵，根據(jù)壓縮機多個關鍵性能指標加權，得到如表2所示閾值設定加權值。

表2 系統(tǒng)關鍵指標加權值設定

以上幾個指標是衡量壓縮機性能及試驗裝置試驗臺性能的關鍵指標，當這些數(shù)據(jù)均處于“正常”狀態(tài)時，數(shù)據(jù)采集間隔為10 s；當其中任意一項指標處于預警狀態(tài)時，數(shù)據(jù)采集間隔為3 s；當其中任意一項指標處于報警狀態(tài)時，采集間隔為1 s；當排氣壓力逐漸升高過程時，采樣間隔及數(shù)據(jù)的變化情況如圖3所示。

圖3 樹莓派采樣間隔動態(tài)調(diào)整

2.5 數(shù)據(jù)存儲及查詢

測試系統(tǒng)的后臺云服務器部署在騰訊云上，主要功能是進行數(shù)據(jù)的存儲和分析，并通過瀏覽器呈現(xiàn)給客戶端UI用戶，通過進行用戶的綁定和區(qū)分，對高級管理員授予設備控制和調(diào)節(jié)的權限。

云服務器使用的操作系統(tǒng)為Ubuntu Server 16.04.1 LTS64位，用Nginx作為代理服務器，后端采用python flask框架，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、用戶登錄管理以及認證加密等功能，前端采用HTML5+CSS3+JQuery的框架，調(diào)用Bootstrap庫和eCharts曲線庫來完成界面的優(yōu)化工作[11-13]。

云服務器的核心難點在于數(shù)據(jù)庫的設計，即如何將海量物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行有效存儲及查詢。系統(tǒng)采用Mysql與MongoDB雙重數(shù)據(jù)庫存儲架構，原因如下。

（1）Mysql是關系型數(shù)據(jù)庫的代表，非常適合小型網(wǎng)站的數(shù)據(jù)存儲，優(yōu)點是靈活穩(wěn)定，且有豐富的插件可供使用，缺點是讀寫大量數(shù)據(jù)時速度較慢，且存儲空間受限，本項目主要使用Mysql作為用戶信息和系統(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)的存儲。

（2）MongoDB是近年來較為流行的分布式數(shù)據(jù)庫，優(yōu)點是數(shù)據(jù)分集復制，能存儲海量數(shù)據(jù)，且讀寫數(shù)據(jù)速度很快，適合負載量較大存儲場景，缺點是表結構不明確，系統(tǒng)關鍵信息存儲安全性相對Mysql較低，本項目主要使用MongoDB數(shù)據(jù)庫存儲海量的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，也為后期用戶使用諸如Pandas等數(shù)據(jù)分析工具進行數(shù)據(jù)查詢分析打下基礎[14-15]。

3 系統(tǒng)演示及性能分析

系統(tǒng)最終上傳的數(shù)據(jù)通過瀏覽器展示給用戶，為此，設計了圖表形式來呈現(xiàn)，如圖4所示。瀏覽器的刷新時間可以實現(xiàn)最快1 s/次?？紤]到數(shù)據(jù)上傳的效率以及網(wǎng)絡帶寬，設計了與樹莓派采樣間隔類似的算法，根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)的變化，分為“正常”、“預警”和“報警”3種狀態(tài)類型，每種狀態(tài)類型設計的采樣時間間隔分別為10 s、3 s和1 s。

圖4 用戶瀏覽器實時數(shù)據(jù)表格顯示

4 結束語

物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)的關鍵難點在于數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸以及實現(xiàn)的相對低成本。本文利用樹莓派等開源硬件產(chǎn)品，通過設計合理的網(wǎng)絡和算法結構，將數(shù)據(jù)上傳與存儲的難度降低到可控的程度，主要有以下幾點創(chuàng)新：（1） 將樹莓派等智能硬件產(chǎn)品應用在于制冷空調(diào)產(chǎn)品的實時性能檢測行業(yè)中，基本滿足試驗室測控系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)的實時性需求以及數(shù)據(jù)分析查詢的需求；（2） 針對不同傳感器節(jié)點對采集時間和精度的要求不同，設計了一套完整的并行數(shù)據(jù)采集服務器架構，可以兼顧不同數(shù)據(jù)接口和采樣要求，并且控制其保持同步輸出；（3） 通過在樹莓派和云服務器中設計分段的采樣間隔，設置關鍵數(shù)據(jù)的閾值加權預警，適當降低數(shù)據(jù)上傳和存儲的數(shù)據(jù)量，降低帶寬負荷以及數(shù)據(jù)庫存儲難度，能夠滿足對設備預警和報警狀態(tài)的判定需求。