基于云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔遠(yuǎn)

（蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，甘肅蘭州，730070）

0 引言

隨著“智慧生活”觀念的深入人心以及“中國(guó)制造2025”[1]的持續(xù)推進(jìn)，監(jiān)控系統(tǒng)以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)廣泛的應(yīng)用在日常生活和工業(yè)領(lǐng)域中。2010年國(guó)務(wù)院發(fā)布的文件，將物聯(lián)網(wǎng)提升為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[2]。2016年國(guó)家在“十三五”規(guī)劃中提出“發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)環(huán)應(yīng)用”，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)共享和協(xié)同化引用[3]。同年NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)[4]的確立，為物聯(lián)網(wǎng)的廣泛推廣鋪平了道路。2018年，國(guó)家印發(fā)了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》，強(qiáng)調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的重要性[5]?，F(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)活躍設(shè)備已達(dá)到100億臺(tái)以上，預(yù)估2025年該數(shù)量會(huì)增加到1000億臺(tái)。

監(jiān)控系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于人們的日常生活中，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)大部分本地采集，本地存儲(chǔ)，然而隨著監(jiān)控設(shè)備數(shù)量的增加以及數(shù)據(jù)采集類型的擴(kuò)充，本地存儲(chǔ)既無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，也不利于后續(xù)數(shù)據(jù)的分析。云平臺(tái)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，無(wú)論在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還是數(shù)據(jù)處理方面都展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，將云平臺(tái)引入監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為一種可能。提出的基于云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行，并使用云端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高性能存儲(chǔ)，以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的統(tǒng)一處理和分析，可有效提高系統(tǒng)的安全和拓展性能，便于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 基于云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)與云平臺(tái)結(jié)合的產(chǎn)物，其中物聯(lián)網(wǎng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，而云平臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析處理等。云平臺(tái)有效降低了應(yīng)用的搭建和應(yīng)用的后續(xù)開(kāi)發(fā)升級(jí)的成本?；谠破脚_(tái)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，主要包括：感知控制層，網(wǎng)絡(luò)傳輸層，平臺(tái)服務(wù)層以及應(yīng)用服務(wù)層。

(1)感知控制層：主要包括主控單元，數(shù)據(jù)采集單元和動(dòng)作執(zhí)行單元。其中主控單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集頻率，采集類型，采集時(shí)間等的控制，以及執(zhí)行單元控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)。主控單元以主控芯片為控制核心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和環(huán)境信息的采集，同時(shí)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序應(yīng)對(duì)環(huán)境參數(shù)的變化，如溫度上升到一定的數(shù)值，開(kāi)啟降溫設(shè)備，發(fā)現(xiàn)明火時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟消防設(shè)備等。

(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸層：負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸，該層包括多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。以低能耗為基本要求，以數(shù)據(jù)傳輸可靠性為底線，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性為目標(biāo)，選用合適的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。針對(duì)不同環(huán)境不同類型的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，選用不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸。

(3)平臺(tái)服務(wù)層：負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入，網(wǎng)絡(luò)身份認(rèn)證以及數(shù)據(jù)解析，安全管理，數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)的分析規(guī)則，同時(shí)向上層提供API接口實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的讀寫。平臺(tái)服務(wù)層以物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為核心，以消息訂閱的模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向不同的應(yīng)用系統(tǒng)分發(fā)，從而保證數(shù)據(jù)可以及時(shí)有效的傳輸?shù)綉?yīng)用系統(tǒng)，在緊急情況出現(xiàn)時(shí)，可以有效的實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。

(4)應(yīng)用服務(wù)層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析處理以及數(shù)據(jù)的展示，以及用戶規(guī)則的制定，緊急預(yù)案的生成。通過(guò)web應(yīng)用的方式實(shí)現(xiàn)前后端分離，以滿足應(yīng)用層的可靠穩(wěn)定和高并發(fā)，后端負(fù)責(zé)從平臺(tái)服務(wù)層獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過(guò)與前端建立通信接口，將感知控制層的狀態(tài)信息展現(xiàn)給用戶，同時(shí)提供接口給用戶，以便用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)感知控制層執(zhí)行單元的控制。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸主要是網(wǎng)絡(luò)傳輸層將采集單元獲取的數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)服務(wù)層，同時(shí)將應(yīng)用服務(wù)層的命令下發(fā)給執(zhí)行單元，也可以將預(yù)定義的處理方案下發(fā)給控制單元。感知控制層內(nèi)采集單元和控制單元的數(shù)量較多，不同設(shè)備由于類型和作用不同，因此使用的通信協(xié)議也各不相同，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和存儲(chǔ)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸層實(shí)現(xiàn)協(xié)議設(shè)配模塊，并采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式向平臺(tái)服務(wù)層發(fā)送數(shù)據(jù)。

為了屏蔽各數(shù)據(jù)之間的差異，降低數(shù)據(jù)解析和處理的難度，制定統(tǒng)一的消息上報(bào)格式，以JSON數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，將每個(gè)上報(bào)數(shù)據(jù)類型定義為一個(gè)主題，由“l(fā)ocation:type”構(gòu)成。

表1 數(shù)據(jù)參數(shù)

為了解決物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中大量并發(fā)消息請(qǐng)求而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和服務(wù)延遲的問(wèn)題，系統(tǒng)采用了基于消息中間件kafka[6]以及消息處理工具storm[7]的數(shù)據(jù)接入方案，以采集單元生產(chǎn)數(shù)據(jù)，使用kafka實(shí)現(xiàn)消息緩存，同時(shí)在平臺(tái)服務(wù)層設(shè)計(jì)storm集群服務(wù)器作為消息的消費(fèi)者，應(yīng)用服務(wù)層的各個(gè)訂閱者從storm集群服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在平臺(tái)服務(wù)層中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化存儲(chǔ)。基于云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入模型如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)接入模型

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中存在大量的各式數(shù)據(jù)，且會(huì)隨著時(shí)間的推移，會(huì)有更多的設(shè)備更多的數(shù)據(jù)類型接入系統(tǒng)。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要來(lái)自兩個(gè)方向三種類型的數(shù)據(jù)：設(shè)備產(chǎn)生的由下至上的數(shù)據(jù)和用戶產(chǎn)生的由上至下的數(shù)據(jù)。感知控制層生產(chǎn)的傳感器數(shù)據(jù)，應(yīng)用服務(wù)層用戶生產(chǎn)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及用戶制定并下發(fā)的應(yīng)急規(guī)則等。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的合理快速持久化存儲(chǔ)，需要針對(duì)三類數(shù)據(jù)采用不同的存儲(chǔ)方案。

感知控制層的設(shè)備數(shù)據(jù)由傳感器采集，數(shù)據(jù)量隨著時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，且由于監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，傳感器數(shù)據(jù)都是寫多讀少，為了應(yīng)對(duì)這種使用環(huán)境，采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB集群[8]部署方案，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)由配置節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)組成，客戶端負(fù)責(zé)連接路由節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)分散均勻的保存在各存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分片式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

使用MongoDB存儲(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，適用于保存結(jié)構(gòu)松散的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，當(dāng)新的設(shè)備加入或者舊的設(shè)備淘汰，都不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)類型的增加或者減少導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題。采用集群化部署方式，降低數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫壓力，采用分布式存儲(chǔ)的方案，并使用分片存儲(chǔ)，提高系統(tǒng)的吞吐率。對(duì)于用戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，采用mysql存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

基于云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖4所示，主要有控制模塊，通信模塊，傳感器以及執(zhí)行模塊組成，為了提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性，各模塊之間通過(guò)Arduino接口[9]進(jìn)行連接。

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各模塊功能如下：

(1)電源模塊：主要負(fù)責(zé)向不同模塊提供不同的直流電壓，如向控制模塊提供12V電源，向傳感器和執(zhí)行模塊提供5V和3.3V電壓等。其電路原理如圖5所示。

圖5 電源模塊原理

電源模塊以220V交流電作為輸入，由變壓器將220V電壓直接轉(zhuǎn)換為12V直流電，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源這季節(jié)連接12V驅(qū)動(dòng)板，然后有驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)動(dòng)作單元模塊的供電開(kāi)關(guān)。與此同時(shí)，12V電壓還作為MP1584EN模組的輸入電壓，輸出5V電壓供傳感器單元使用，5V電壓也作為模組LM1117K3.3的輸入，轉(zhuǎn)化為3.3V電壓作為輸出。

(2)控制模塊：負(fù)責(zé)環(huán)境調(diào)節(jié)器的本地業(yè)務(wù)邏輯以及與云平臺(tái)的通信建立和消息傳輸。本系統(tǒng)使用STM32L4作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)環(huán)境傳感器獲取環(huán)境參數(shù)信息，通過(guò)控制執(zhí)行模塊的控制模塊和環(huán)境調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。在本系統(tǒng)中，使用NB-IoT實(shí)現(xiàn)相互連接，進(jìn)行本地業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行控制，同時(shí)設(shè)定內(nèi)置的應(yīng)急處理程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化處理。

為了實(shí)現(xiàn)能耗和性能的平衡，本系統(tǒng)選擇STM32L4 R5ZIT6單片機(jī)作為主控系統(tǒng)，L4系列主打低功耗特征，特別適用于在大規(guī)模云監(jiān)控平臺(tái)中，該單片機(jī)使用了ARM Contex-M4內(nèi)核，配備2M的Flash和640K的SRAM空間，基本滿足系統(tǒng)的自主控制程序所需空間。在接口方面，配備了SPI，GPIO，UART等外設(shè)，可有效實(shí)現(xiàn)與大部分傳感器的通信需求。由于STM32L4系列的高效能耗管理程序，該單片機(jī)提供了低功耗的睡眠模式和運(yùn)行模式，在保證最低功耗的同時(shí)基本功能的運(yùn)行，并且可實(shí)現(xiàn)從睡眠模式快速切換為完整功能模式。

(3)通信模塊：使用BC28模塊實(shí)現(xiàn)該功能，支持B1/B3/B20/B28等頻段，是一款低功耗的NB-IoT無(wú)線通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線通信。BC28通信模塊的功能如圖6所示。

圖6 BC28模塊功能圖

通信模塊通過(guò)接收控制模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的AT指令，在運(yùn)算和處理后，返回響應(yīng)信息到控制模塊，常用的AT指令如表2所示。

表2 NB-IoT模塊常用AT指令

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(4)執(zhí)行模塊：包括MCU控制的MOS作為控制單元，實(shí)現(xiàn)控制模塊的IO輸出等。

對(duì)于嵌入式終端來(lái)說(shuō)，所有的控制程序都集中于主控系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過(guò)NB-IoT模塊進(jìn)行通信管理，同時(shí)使用hash加密的方式建立設(shè)備與云平臺(tái)之間的MQTT聯(lián)系，并制定相應(yīng)的Topic，并制定Topic的訂閱消息。

2.2 云端設(shè)計(jì)

平臺(tái)服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入和數(shù)據(jù)處理相關(guān)工作，主要包括：

(1)設(shè)備接入：在設(shè)備接入之前，需要通過(guò)三元組對(duì)設(shè)備進(jìn)行綁定，從而獲取系統(tǒng)認(rèn)可的設(shè)備證書(shū)，設(shè)備的三元組用于與云平臺(tái)建立MQTT連接的憑據(jù)，其中參數(shù)如表3所示。

表3 MQTT參數(shù)

(2)自定義topic：根據(jù)業(yè)務(wù)內(nèi)容自定義的MQTT通信topic，將各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)閾值進(jìn)行設(shè)定的topic，如報(bào)警條件，消除報(bào)警條件，啟動(dòng)環(huán)境調(diào)節(jié)條件，以及其他基礎(chǔ)topic等。

3 結(jié)束語(yǔ)

將云平臺(tái)引入監(jiān)控系統(tǒng)，可有效的解決本地存儲(chǔ)無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，也不利于后續(xù)分析的問(wèn)題，提出的基于云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行，并使用云端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高性能存儲(chǔ)，以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的統(tǒng)一處理和分析，可有效提高系統(tǒng)的安全和拓展性能，便于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。