基于Nod-Red的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在多系統(tǒng)中的通信連接

鄭劍 唐俊杰 洪峰

隨著物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的不斷提高，在建筑內(nèi)部各種機(jī)電類設(shè)施設(shè)備通過(guò)直接或者間接的方式被接入智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)中。傳統(tǒng)意義上的智能樓宇中的設(shè)施設(shè)備類信息孤島在不斷的被消滅，智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)基本能夠監(jiān)視和控制建筑內(nèi)的各類設(shè)備。

近十年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)連接等技術(shù)能力的快速提升，企業(yè)內(nèi)部基于IT技術(shù)的應(yīng)用伴隨著技術(shù)的發(fā)展而迅速的滲透到企業(yè)的各個(gè)業(yè)務(wù)模塊之中，與企業(yè)的各種IT應(yīng)用發(fā)展速度相比，智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展明顯較慢。這種速度差使得智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展與“更高級(jí)”的企業(yè)的各種IT應(yīng)用不兼容。原本的智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展成了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的信息孤島，阻礙了智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)為業(yè)主提供更加快速、更人性化的服務(wù)。

在這種情況下我們應(yīng)當(dāng)利用基于Nod-Red的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)所具有靈活配置、多種接口和圖形操作方便等優(yōu)勢(shì)，在不需要改變?cè)兄悄軜怯畋O(jiān)控系統(tǒng)的同時(shí)，通過(guò)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的各種軟件接口使智能樓宇系統(tǒng)能快速和其他各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行信息的交互。打破系統(tǒng)級(jí)的信息孤島，從而讓好智能樓宇系統(tǒng)為各個(gè)相關(guān)方面的使用人員服務(wù)，從而達(dá)到提升智能建筑以人為本的使用目的。

一、 單一設(shè)備的信息孤島到單一系統(tǒng)的信息孤島

信息孤島是指相互之間在功能上不關(guān)聯(lián)互助、信息不共享互換以及信息與業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用相互脫節(jié)的設(shè)備或者計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[1]。

信息孤島分為：

1、設(shè)備通訊孤島，在智能建筑系統(tǒng)中指不能被直接連接的設(shè)備。

2、系統(tǒng)信息交互孤島，系統(tǒng)信息交互孤島指多個(gè)系統(tǒng)之間，某個(gè)系統(tǒng)不能與其他的系統(tǒng)進(jìn)行信息交互相互，從而使該系統(tǒng)孤立與其他系統(tǒng)的現(xiàn)象。

3、業(yè)務(wù)孤島，因?yàn)橄到y(tǒng)信息交互孤島的存在，各個(gè)業(yè)務(wù)流程無(wú)法跨系統(tǒng)自由流轉(zhuǎn)，所以產(chǎn)生了業(yè)務(wù)孤島。

4、管控孤島，因?yàn)闃I(yè)務(wù)孤島的存在，各個(gè)在管控命令只能在本系統(tǒng)之間有效，無(wú)法跨系統(tǒng)控制，所以產(chǎn)生了管控孤島。

我們以建筑中的常用的排水井設(shè)備為例，該設(shè)備利用井中的浮球位置的高低控制電機(jī)啟動(dòng)排水動(dòng)作。這套設(shè)備能夠獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，不需要接入任何系統(tǒng)，但是智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法知道排水井水位和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，這就是設(shè)備數(shù)據(jù)信息孤島。這一套設(shè)備如果出現(xiàn)浮球被卡住不能及時(shí)的啟動(dòng)電機(jī)，就會(huì)出現(xiàn)排水井溢出造成水漫金山的后果。所以排水井的水位信息和電機(jī)的控制信息應(yīng)該傳送給智能樓宇系統(tǒng)，從而為設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)做監(jiān)控保證。

現(xiàn)在我們使用通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)將排水井的水位信息和排水井電機(jī)控制信息接入智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控水位信息，在水位異常的狀態(tài)下能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)使得人員能過(guò)快速的去處理這一事件避免產(chǎn)生進(jìn)一步的災(zāi)害。這個(gè)就是設(shè)備打破信息孤島的意義。

雖然設(shè)備的信息孤島打破了，但是如果我們將視角拉遠(yuǎn)我會(huì)就會(huì)發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題。天氣因素是排水井控制邏輯的一個(gè)重要參數(shù)，有了這個(gè)參數(shù)能夠使迅速的對(duì)未來(lái)產(chǎn)生排水量做出判斷，提前啟動(dòng)排水井的排水井功能流出足夠多的余量應(yīng)對(duì)暴雨的沖擊?？墒翘鞖庖蛩剡@個(gè)參數(shù)對(duì)于智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)是外部參數(shù)，一般是由地方氣象臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布。這個(gè)信息發(fā)布的格式、內(nèi)容和參數(shù)是在隨著科技的發(fā)展在不斷的更新中。這樣我們就產(chǎn)生系統(tǒng)孤島智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法與氣象系統(tǒng)對(duì)接獲得氣象信息。管理人員意識(shí)到去操控排水電機(jī)，可是在業(yè)務(wù)上需要上報(bào)和批準(zhǔn)。在授權(quán)后通過(guò)智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)去運(yùn)轉(zhuǎn)排水井中的電機(jī)。這樣就是業(yè)務(wù)孤島和管控孤島的出現(xiàn)。

自控設(shè)備和控制系統(tǒng)通信的隔斷與各個(gè)系統(tǒng)之間信息交互的隔斷會(huì)影響多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的效率。業(yè)務(wù)流程單系統(tǒng)需要向其上級(jí)主管部門上報(bào)情況、接收上級(jí)的各種指令和計(jì)劃、由上級(jí)部門在進(jìn)行跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換。這種方式嚴(yán)重的降低了數(shù)據(jù)交互的效率，也降低了突發(fā)事件的響應(yīng)速度，信息孤島的問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重地阻礙了企業(yè)信息化建設(shè)的整體進(jìn)程。所以我們要利用信息化的手段打破了這種系統(tǒng)孤島、業(yè)務(wù)孤島和管控孤島，使得系統(tǒng)反應(yīng)更加精確與快速。

二、 利用基于Nod-Red的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)打破信息孤島

上面例子說(shuō)明了打破系統(tǒng)信息交互孤島的必要性。我們也知道系統(tǒng)信息交互孤島生成的原因。消除系統(tǒng)信息交互孤島是提升樓宇智能化的必經(jīng)之路。

從日常操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)看智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)被我們當(dāng)成是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)自成體系不和其他系統(tǒng)產(chǎn)生任何的數(shù)據(jù)交換。這雖然保證了智能樓宇系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，但是也阻止了智能樓宇系統(tǒng)的發(fā)展。在其他系統(tǒng)不斷發(fā)展的背景下，智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)失去了和其他系統(tǒng)的交流信息的功能。智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)逐漸成為了系統(tǒng)孤島、業(yè)務(wù)孤島和管控孤島。

我們不應(yīng)升級(jí)智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到消除信息孤島的目的，原因有三條：

1、 從系統(tǒng)內(nèi)部觀察原有系統(tǒng)還是十分健壯的。如果我們盲目的升級(jí)就會(huì)失去原有系統(tǒng)的健壯性，帶來(lái)不可預(yù)知的后果。

2、 外部更新迅速。企業(yè)投入資金將某一系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，在升級(jí)完成后此系統(tǒng)完成了和企業(yè)中其余系統(tǒng)信息的對(duì)接，該系統(tǒng)所涉及的業(yè)務(wù)流程可以跨系統(tǒng)進(jìn)行流程設(shè)計(jì)并按設(shè)計(jì)流程進(jìn)行跨系統(tǒng)執(zhí)行。但是也會(huì)發(fā)生因?yàn)槟骋幌到y(tǒng)升級(jí)導(dǎo)致原本未升級(jí)的系統(tǒng)不能與新升級(jí)的系統(tǒng)通信。如此循環(huán)往復(fù)，不斷出現(xiàn)信息孤島，造成企業(yè)費(fèi)用升高。

3、 投入費(fèi)用巨大。新的智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)的費(fèi)用不僅包括新系統(tǒng)的研發(fā)費(fèi)用，還包括新的接口的開發(fā)費(fèi)用，這些費(fèi)用一般由單個(gè)項(xiàng)目中消化，其成本是可以想象的。

既然我們不盲目的升級(jí)智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)，那么如何迅速、低成本的打破系統(tǒng)級(jí)信息孤島？我認(rèn)為就是彌合智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)和外部系統(tǒng)的信息交互差。

首先，我們先總結(jié)信息交互差的種類：

1、 接口不匹配的信息交互差。這種信息交互差指兩個(gè)系統(tǒng)之間都有同一個(gè)功能數(shù)據(jù)出入口，但是這種數(shù)據(jù)出入口所需要的軟件數(shù)據(jù)格式各不相同。十年前我們的系統(tǒng)數(shù)據(jù)最多數(shù)的格式是XML型，但是現(xiàn)在的主流數(shù)據(jù)格式是JASON型。這個(gè)接口型信息交互差也成為數(shù)據(jù)異構(gòu)。

2、 內(nèi)容不匹配的信息交互差。這種信息交互差指兩個(gè)系統(tǒng)之間對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)容理解不一樣。例如氣象系統(tǒng)同發(fā)布的暴雨預(yù)警，如何在智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行理解成為暴雨信號(hào)。

3、 業(yè)務(wù)流程的信息交互差。這種信息交互差指兩個(gè)系統(tǒng)之間對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)所要觸發(fā)的業(yè)務(wù)流程不一樣。例如氣象系統(tǒng)同發(fā)布的暴雨預(yù)警，如何能在智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行觸發(fā)排水井排水的一個(gè)信號(hào)，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

針對(duì)信息交互差的特點(diǎn)，我們認(rèn)為基于Nod-Red的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)是一種快速、有效的彌合信息交互差的手段。利用基于Nod-Red的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

1、 開發(fā)成本低廉。使用邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)不涉及兩個(gè)系統(tǒng)的升級(jí)工作，只涉及兩個(gè)系統(tǒng)接口工作。

2、 載體多樣性?；贜od-Red的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)可以是一個(gè)獨(dú)立的硬件，也可以將Nod-Red的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的軟件抽出部署在一個(gè)現(xiàn)有系統(tǒng)所在的服務(wù)器上。

3、 開發(fā)迅速且功能不斷累積。對(duì)于系統(tǒng)信息差的開發(fā)目標(biāo)十分明確，且兩邊系統(tǒng)的參數(shù)、功能十分明確，這樣為開發(fā)的速度提供了前期的保證。此外開發(fā)時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)的接口是分開開發(fā)的，降低了開發(fā)的耦合度。在新的需求產(chǎn)生時(shí)，如存在這種系統(tǒng)接口我們就不必重復(fù)的開發(fā)。

4、 邏輯功能的自由定義。由于使用者的數(shù)量較多且要求不一樣，所以產(chǎn)生的邏輯需求是不一樣的。比如暴雨信號(hào)和排水井控制邏輯：這個(gè)邏輯所牽涉的系統(tǒng)是兩個(gè)氣象發(fā)布系統(tǒng)和智能樓宇控制系統(tǒng)，但是具體到某一建筑、園區(qū)和酒店他們的具體的流程和邏輯不盡相同。有的要求在接到信息后立即運(yùn)行，有的因?yàn)榱鞒绦枰未_認(rèn)后運(yùn)行等等不盡相同。我們可以利用邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)進(jìn)行邏輯上的編輯，滿足不同的需求。

三、基于Nod-Red的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)介紹

Node-RED是今年來(lái)出現(xiàn)的一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多系統(tǒng)接入編程的新型工具，其重點(diǎn)是拋開復(fù)雜的代碼級(jí)編程，它以可視化編程方法降低中間系統(tǒng)連接程序開發(fā)者的使用難度，允許開發(fā)人員將包含特定功能及代碼的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程的連接，從而使系統(tǒng)按照節(jié)點(diǎn)連接順序執(zhí)行任務(wù)。連接的節(jié)點(diǎn)，通常是輸入節(jié)點(diǎn)、處理節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)的組合，當(dāng)它們連接在一起時(shí)就能夠完成整個(gè)程序的設(shè)計(jì)，不需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行程序編輯。

Node-RED使用節(jié)點(diǎn)作為開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)，以降低應(yīng)用的開發(fā)難度。Node-RED現(xiàn)有將近3000個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)包含了十分豐富的應(yīng)用功能，比如Modbus節(jié)點(diǎn)就包含了和Modbus相關(guān)的各種讀寫功能，這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以幫助使用者很容易地對(duì)Modbus-RTU和Modbus IP等設(shè)備進(jìn)行鏈接和讀寫操作。

上海上實(shí)龍創(chuàng)智能科技股份有限公司是一家立足于樓宇智能控制20余年的企業(yè)。在過(guò)去的五年中立足與研發(fā)基于Node-RED的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)。不僅有可靠基于Node-RED的硬件類網(wǎng)關(guān)，還有可部署在linux服務(wù)器系統(tǒng)上基于Node-RED的軟網(wǎng)關(guān)。并且在云端有一套類似于安卓應(yīng)用商店節(jié)點(diǎn)應(yīng)用管理中心的服務(wù)器，方便用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求找尋相應(yīng)用節(jié)點(diǎn)并下載使用和圖形化的便面對(duì)邏輯運(yùn)算模塊進(jìn)行類圖形化的編程工作。

綜上所述于Node-RED的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)是一個(gè)能夠迅速?gòu)浐隙鄠€(gè)系統(tǒng)因?yàn)楦鞣N因素所產(chǎn)生的各種信息差的工具。在降低開發(fā)成本的同時(shí)能夠有效的提升智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的融合度，使智能化樓宇的智能化水平更高。