可配置物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

施永貴

（福建和盛高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，福建 福州 350100）

0 引 言

網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心組成部件，具有承上啟下的作用，是用于連接感知層網(wǎng)絡(luò)與上層公共網(wǎng)絡(luò)的紐帶，也被視為一種協(xié)議轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)關(guān)正朝著效率、實(shí)時(shí)性、抗干擾能力逐漸提升的方向發(fā)展，應(yīng)用的場(chǎng)景也越來越多，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、智慧電網(wǎng)等諸多場(chǎng)景都有一席之地。應(yīng)用場(chǎng)景的增加導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)種類隨之增多，如家居智能網(wǎng)關(guān)、工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和交通管控網(wǎng)關(guān)等。網(wǎng)關(guān)的功能是相通的，主要用于協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交互、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，區(qū)別在于各網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景不同。

傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的創(chuàng)建方法是把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)先收集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，利用內(nèi)嵌協(xié)議分析轉(zhuǎn)換器將處理完畢的數(shù)據(jù)通過MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳送到客戶自定義的云平臺(tái)。存在支持的數(shù)據(jù)協(xié)議較為單一、應(yīng)用范圍較小、開放性不足等問題，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備和數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)生改變時(shí)，需要重新對(duì)網(wǎng)關(guān)程序進(jìn)行二次開發(fā)，花費(fèi)大量的人力物力。針對(duì)此類問題，設(shè)計(jì)一種支持多種接入?yún)f(xié)議、具備邊緣計(jì)算特性以提高網(wǎng)關(guān)的通用性、數(shù)據(jù)采集可配置以減少數(shù)據(jù)冗余，避免浪費(fèi)傳輸帶寬的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)就變得十分重要。

1 可配置物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

1.1 軟件架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)整體框架可分為五層，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)框架

感知層作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)框架的第一層，用于采集各類接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處理層。

數(shù)據(jù)處理層對(duì)感知層上傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和協(xié)議轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)分析成標(biāo)準(zhǔn)格式后交給邊緣計(jì)算層處理。

邊緣計(jì)算層作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的核心層，需要對(duì)轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算，包括數(shù)據(jù)運(yùn)算、邏輯判斷、信號(hào)聯(lián)動(dòng)和故障研判。邊緣計(jì)算的內(nèi)容需要預(yù)先設(shè)定，計(jì)算方法由用戶設(shè)定。

傳輸層用于傳輸感知層采集的數(shù)據(jù)，使用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。

應(yīng)用層是指對(duì)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地動(dòng)態(tài)曲線顯示，網(wǎng)關(guān)的本地顯示使用微信小程序?qū)崿F(xiàn)。

1.2 硬件架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)由邊緣計(jì)算核心板EC Core-L-1和網(wǎng)關(guān)底板和擴(kuò)展單片機(jī)STM32F4007IG組成，其連接和軟件架構(gòu)如圖2和圖3所示。EC Core-L-1板卡構(gòu)架了雙嵌入式操作系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)OS系統(tǒng)和容器Linux 系統(tǒng)。該板卡主要含有內(nèi)存、NAND FLASH、DDR3、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘、LTE 4G模塊、WiFi模塊、電源管理模塊。擴(kuò)展單片機(jī)能擴(kuò)接豐富的模塊，如USB接口模塊、（PLC）電力載波模塊、以太網(wǎng)接口模塊、LTE模塊。外設(shè)通過USB和GPIO接口連接擴(kuò)展單片機(jī)，擴(kuò)展單片機(jī)作為USB Device設(shè)備，核心板作為USB Host控制器，實(shí)現(xiàn)核心板接口的擴(kuò)展。

圖2 擴(kuò)展單片機(jī)連接

圖3 核心板與擴(kuò)展單片機(jī)軟件架構(gòu)

2 網(wǎng)關(guān)可配置功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 配置客戶端軟件

配置客戶端需要實(shí)現(xiàn)采集網(wǎng)關(guān)及其下聯(lián)設(shè)備的參數(shù)及信息，因此界面需要包含多個(gè)輸入框便于填寫信息，以滿足不同的配置要求。首先，設(shè)備配置文件的參數(shù)輸入，填入每個(gè)設(shè)備的身份認(rèn)證（三元組）；然后，填入設(shè)備的數(shù)據(jù)協(xié)議參數(shù)（目前為Modbus協(xié)議）；最后，填入設(shè)備寄存器的對(duì)應(yīng)地址及其含義和計(jì)算系數(shù)，填寫完成后保存。具體工作流程如圖4所示。

圖4 配置客戶端工作流程

根據(jù)配置客戶端的工作流程，設(shè)計(jì)配置客戶端各界面，客戶端設(shè)備管理界面設(shè)計(jì)如圖5所示。界面第一行輸入框?yàn)榫W(wǎng)關(guān)的參數(shù)信息，這些參數(shù)大多在阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)創(chuàng)建網(wǎng)關(guān)設(shè)備時(shí)生成，是網(wǎng)關(guān)連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的唯一身份認(rèn)證（三元組）。填寫完參數(shù)后需要點(diǎn)擊按鈕更新并保存網(wǎng)關(guān)信息。界面左下部分的區(qū)域?yàn)樵O(shè)備參數(shù)輸入框，第一個(gè)輸入框的參數(shù)為Modbus_RTU或Modbus_TCP，選擇Modbus_RTU之后就可以選擇接口類型（485或PLC），若選擇485類型，則在設(shè)備參數(shù)區(qū)域的第三行輸入串口信息；選擇 PLC則輸入第四行的IP信息。同理，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)輸入框選擇Modbus_TCP時(shí)，只需輸入第四行的IP信息。接下來輸入設(shè)備屬性的標(biāo)識(shí)符和地址，按照設(shè)備使用說明中的信息填寫。界面右邊部分是設(shè)備配置文件的菜單欄，可以看到各接口下的設(shè)備數(shù)量。

圖5 配置客戶端設(shè)備管理界面

配置客戶端邊緣計(jì)算界面如圖6所示。左邊顯示已經(jīng)創(chuàng)建好的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，右邊為添加計(jì)算節(jié)點(diǎn)的部分。根據(jù)邊緣計(jì)算的設(shè)計(jì)，將一串長(zhǎng)長(zhǎng)的計(jì)算公式拆分成兩兩一組的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，將每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的信息輸入框中，然后點(diǎn)擊“插入”即可，添加完成后選擇“保存”，生成邊緣計(jì)算的配置文件。

圖6 配置客戶端邊緣計(jì)算界面

配置客戶端聯(lián)動(dòng)界面如圖7所示。左邊顯示創(chuàng)建好的聯(lián)動(dòng)任務(wù)，右邊是輸入聯(lián)動(dòng)任務(wù)的操作界面。本配置客戶端將聯(lián)動(dòng)任務(wù)拆分成監(jiān)測(cè)設(shè)備和聯(lián)動(dòng)設(shè)備，當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的目標(biāo)值達(dá)到閾值時(shí)觸發(fā)聯(lián)動(dòng)設(shè)備動(dòng)作。添加聯(lián)動(dòng)任務(wù)的方法與添加邊緣計(jì)算方法相似，即插入、保存。

圖7 配置客戶端聯(lián)動(dòng)界面

2.2 感知層配置實(shí)現(xiàn)

感知層主要負(fù)責(zé)識(shí)別網(wǎng)關(guān)連接的設(shè)備并采集數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)使用多個(gè)線程采集不同接口下連接設(shè)備的數(shù)據(jù)。首先讀取配置客戶端生成配置文件，判斷類型后將數(shù)據(jù)分別復(fù)制到不同的JSON對(duì)象中。分完大類后將提取每個(gè)類型的小類，按照配置文件的設(shè)計(jì)，Modbus_RTU_json對(duì)象的下一層是485_json和PLC_json，故將Modbus_RTU_json對(duì)象解析成485_json和PLC_json對(duì)象，485_json對(duì)象向下為各COM口的對(duì)象，即所有設(shè)備信息的上一層。創(chuàng)建4個(gè)COM接口的JSON對(duì)象存儲(chǔ)設(shè)備信息。得到每個(gè)類型的設(shè)備信息JSON數(shù)組后，將JSON數(shù)組內(nèi)的設(shè)備信息取出存入對(duì)應(yīng)的接口鏈表中，每個(gè)設(shè)備的信息均存放在鏈表節(jié)點(diǎn)的json_data內(nèi)。設(shè)備信息提取完成后，各接口的采集線程開始工作，等待接口的輪循時(shí)間，到達(dá)時(shí)間后開始判斷每個(gè)設(shè)備的采集周期是否到達(dá)，若到達(dá)采集周期，則按照當(dāng)前設(shè)備節(jié)點(diǎn)的信息創(chuàng)建串口或Socket連接，采集設(shè)備數(shù)據(jù)，采集后存儲(chǔ)到當(dāng)前設(shè)備鏈表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)即可。數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程

2.3 數(shù)據(jù)處理層配置實(shí)現(xiàn)

感知層采集到數(shù)據(jù)后，根據(jù)配置文件的內(nèi)容判斷是否對(duì)采集的數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議解析和數(shù)據(jù)處理。若需處理，數(shù)據(jù)處理程序按照當(dāng)前線程的通信協(xié)議類型進(jìn)行協(xié)議解析，解析完成后，根據(jù)當(dāng)前鏈表節(jié)點(diǎn)的信息判斷是否需要其他處理，最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到鏈表緩存區(qū)，等待邊緣計(jì)算層使用。數(shù)據(jù)處理模塊流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)處理模塊流程

2.4 邊緣計(jì)算層配置實(shí)現(xiàn)

將邊緣計(jì)算需要的公式在配置客戶端上按照規(guī)定方法寫入，生成的邊緣計(jì)算配置文件將被傳入網(wǎng)關(guān)指定文件夾內(nèi)。在網(wǎng)關(guān)程序運(yùn)行之初，將文件讀取到程序緩存中等待使用。此設(shè)計(jì)將邊緣計(jì)算的公式分解成兩個(gè)一組的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，便于長(zhǎng)公式的計(jì)算。數(shù)據(jù)處理層已將數(shù)據(jù)解析完成并存儲(chǔ)到每個(gè)設(shè)備的鏈表節(jié)點(diǎn)緩存中，存儲(chǔ)時(shí)按照寄存器地址順序進(jìn)行。鏈表節(jié)點(diǎn)中還有關(guān)于設(shè)備寄存器地址和寄存器標(biāo)識(shí)符的映射關(guān)系表，因此在使用這些數(shù)據(jù)時(shí)可以直接用寄存器標(biāo)識(shí)符來調(diào)用數(shù)據(jù)。

2.5 傳輸層軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)提供基于設(shè)備端SDK開發(fā)，可以在網(wǎng)關(guān)程序開發(fā)中結(jié)合云平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)者使用的設(shè)備端SDK，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)互通。子設(shè)備接入云平臺(tái)通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備上報(bào)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備會(huì)根據(jù)讀取的配置客戶端的配置文件獲取需要連接云平臺(tái)的子設(shè)備數(shù)量，并且獲取每個(gè)子設(shè)備的三元組（在云平臺(tái)創(chuàng)建設(shè)備生成的設(shè)備身份信息），通過網(wǎng)關(guān)向云平臺(tái)報(bào)備子設(shè)備并建立拓?fù)潢P(guān)系。子設(shè)備可通過網(wǎng)關(guān)上發(fā)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選擇C-SDK進(jìn)行網(wǎng)關(guān)開發(fā)，C-SDK安裝完成后可使用其提供的API與云端通信，傳輸其規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包至云端。業(yè)務(wù)邏輯、SDK、HAL關(guān)系如圖10所示。

圖10 業(yè)務(wù)邏輯、SDK、HAL關(guān)系圖

2.6 應(yīng)用層軟件配置實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層主要具備實(shí)時(shí)云動(dòng)態(tài)曲線顯示功能、手機(jī)端動(dòng)態(tài)曲線顯示功能和遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備功能。應(yīng)用層的云端動(dòng)態(tài)曲線展示在阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)已有工具可實(shí)現(xiàn)，只需配置使用即可。手機(jī)端的動(dòng)態(tài)曲線展示選用微信小程序?qū)崿F(xiàn)，在微信小程序上，可以使用云平臺(tái)提供的云端SDK API實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)的設(shè)備屬性設(shè)置、設(shè)備服務(wù)調(diào)用、設(shè)備信息獲取等功能，之后即可在微信小程序上實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的功能。微信小程序可通過調(diào)用云平臺(tái)的服務(wù)調(diào)用功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制?？刂七^程如圖11所示。

圖11 服務(wù)器遠(yuǎn)程控制設(shè)備

3 結(jié) 語

本文針對(duì)目前網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集中協(xié)議轉(zhuǎn)換復(fù)雜、難以復(fù)用的情況，對(duì)網(wǎng)關(guān)整體框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。并通過引入分層的思想，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)整體架構(gòu)分為5個(gè)層次：感知層、數(shù)據(jù)處理層、邊緣計(jì)算層、傳輸層和應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際需求結(jié)合配置客戶端進(jìn)行輸入文件參數(shù)、數(shù)據(jù)協(xié)議參數(shù)、設(shè)備信息、邊緣計(jì)算公式等功能，使網(wǎng)關(guān)的利用率以及使用靈活度得到了極大提高，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。