支亞軍 張建奇 楊 寧

(西安航天自動(dòng)化股份有限公司1，陜西 西安 710065;西安郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2，陜西 西安 710061)

0 引言

目前，在傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上融合互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將具有環(huán)境感知能力的各種終端、云計(jì)算模式、移動(dòng)通信、實(shí)時(shí)通信等不斷融入工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成為研究和發(fā)展的新方向［1］。針對(duì)工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)部分，國際主流的協(xié)議有三種，分別是ISA100.11a［2］、Wireless HART 和WIA-PA。

ISA100.11a 是第一個(gè)開放的、面向多種工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)［3］，其主要特征為:提供過程工業(yè)應(yīng)用服務(wù)，包括工廠自動(dòng)化;提供等級(jí)1(非關(guān)鍵)到等級(jí)5 的應(yīng)用;跳信道的方式支持共存和增加可靠性;提供本地和隧道協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)廣泛的可用性;現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有支持網(wǎng)狀和星型結(jié)構(gòu)的能力。然而，該協(xié)議未對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、過程控制協(xié)議方面進(jìn)行規(guī)定和描述。如果不同廠商采用私有協(xié)議來設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)和Web 服務(wù)之間的通信［4］，通用性和可移植性較差，并且難以維護(hù)，不利于產(chǎn)品推廣和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了介于網(wǎng)關(guān)和Web 服務(wù)之間的中間件系統(tǒng)，不僅使服務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn)化，而且增強(qiáng)了監(jiān)控和管理的Web 系統(tǒng)的通用性和可移植性，有利于產(chǎn)品維護(hù)升級(jí)和廣泛應(yīng)用部署。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)有詳細(xì)的描述，但沒有對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理功能做規(guī)范要求，僅僅規(guī)范了網(wǎng)關(guān)服務(wù)接入點(diǎn)(gateway service access point，GSAP)的接口要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中GSAP 的內(nèi)容描述，文章提出了符合該接口信息的中間件系統(tǒng)方案。中間件邏輯位置介于網(wǎng)關(guān)和Web 服務(wù)器之間，是用戶進(jìn)行Web 訪問的關(guān)鍵部分。圖1 描述了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 中虛線框內(nèi)為符合ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備通過骨干路由設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)ISA100.11a 傳感網(wǎng)部分功能。網(wǎng)關(guān)設(shè)備和中間件模塊可通過不同硬件設(shè)備部署，也可以作為一體機(jī)部署在同一個(gè)硬件設(shè)備上。中間件通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將符合ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)的信息以IP 數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給中間件，中間件接收解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并保存于數(shù)據(jù)庫中。Web服務(wù)器通過訪問數(shù)據(jù)庫來獲取ISA100.11a 的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備信息;用戶通過訪問Web 服務(wù)器來達(dá)到監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備目的。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 Network topology of the system

2 中間件設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)流程

中間件為Web 服務(wù)器的訪問提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)的功能，其體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 中間件的體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of the middleware

系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括:請(qǐng)求命令生成模塊、響應(yīng)命令處理模塊、網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊、數(shù)據(jù)庫訪問接口和數(shù)據(jù)庫。其中，請(qǐng)求命令生成模塊主要負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫讀取預(yù)配置的命令，創(chuàng)建命令以及添加命令參數(shù)，調(diào)用網(wǎng)關(guān)側(cè)接口將命令發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。響應(yīng)命令處理模塊主要負(fù)責(zé)解析從網(wǎng)關(guān)接收到的響應(yīng)數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問接口將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊主要負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備建立TCP 連接，將消息封裝成IP 數(shù)據(jù)包格式，通過Socket機(jī)制發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并接收解析來自網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作，包括更新數(shù)據(jù)庫中的信息以及從數(shù)據(jù)庫讀取命令。中間件系統(tǒng)啟動(dòng)后，請(qǐng)求命令生成模塊從數(shù)據(jù)庫獲取預(yù)配置命令并添加到周期業(yè)務(wù)列表中，通過查找周期業(yè)務(wù)列表獲取周期性業(yè)務(wù)，然后創(chuàng)建命令并將命令發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，等待接收響應(yīng)幀。當(dāng)網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊接收并解析數(shù)據(jù)包后，送給響應(yīng)命令處理模塊進(jìn)行解析，最后調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫的對(duì)應(yīng)表中，完成一次周期命令的執(zhí)行過程。根據(jù)周期業(yè)務(wù)列表循環(huán)判斷是否還有未執(zhí)行的請(qǐng)求業(yè)務(wù)，如果有則繼續(xù)執(zhí)行該流程，否則完成本次所有請(qǐng)求業(yè)務(wù)。中間件的業(yè)務(wù)處理流程如圖3 所示。

圖3 中間件業(yè)務(wù)處理流程Fig.3 The business process flow of middleware

2.2 數(shù)據(jù)庫描述

中間件的業(yè)務(wù)處理過程需要與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，包括請(qǐng)求命令生成和響應(yīng)命令處理兩個(gè)過程。其中，請(qǐng)求命令生成過程為:請(qǐng)求命令生成模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊與數(shù)據(jù)庫建立連接，并讀取數(shù)據(jù)庫中的預(yù)配置命令，之后再執(zhí)行讀取的預(yù)配置命令，進(jìn)行命令請(qǐng)求的創(chuàng)建過程。響應(yīng)命令處理過程為:響應(yīng)命令處理模塊解析完成響應(yīng)數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊與數(shù)據(jù)庫建立連接，并將響應(yīng)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫的表中。

數(shù)據(jù)庫中表的類型以及內(nèi)容按照ISA100.11a 協(xié)議中網(wǎng)關(guān)的GSAP 接口信息來設(shè)計(jì)，為Web 服務(wù)器應(yīng)用提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)信息。數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊通過MySQL 命令來訪問。數(shù)據(jù)庫的表與網(wǎng)關(guān)服務(wù)原語的信息映射，把通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)原語的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫不同的表中，最終為Web 用戶提供實(shí)時(shí)可靠的網(wǎng)絡(luò)信息。

數(shù)據(jù)庫中的表按照功能分為三類:命令類表、設(shè)備信息表和網(wǎng)絡(luò)信息表。命令類表主要存儲(chǔ)Web 應(yīng)用的請(qǐng)求和配置命令，并記錄命令的執(zhí)行結(jié)果。設(shè)備信息表主要存儲(chǔ)ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的信息，包括設(shè)備屬性、設(shè)備信道、設(shè)備連接狀態(tài)、設(shè)備調(diào)度信息和設(shè)備采集信息。網(wǎng)絡(luò)信息表主要存儲(chǔ)ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)的屬性和信息，包括網(wǎng)絡(luò)分配的所有Contract 信息、網(wǎng)絡(luò)健康報(bào)告信息、網(wǎng)絡(luò)路由信息和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ?shù)據(jù)庫中表的條目及內(nèi)容的描述如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)庫表?xiàng)l目及內(nèi)容描述Tab.1 Database table entries and content description

2.3 與網(wǎng)關(guān)設(shè)備通信

根據(jù)ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)的描述，網(wǎng)關(guān)要具備為外部Host-Level 應(yīng)用提供GSAP 接口的功能。中間件通過與網(wǎng)關(guān)的GSAP 模塊進(jìn)行通信來提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)，包括請(qǐng)求命令處理和響應(yīng)命令處理兩個(gè)過程。請(qǐng)求命令處理過程:請(qǐng)求命令生成模塊創(chuàng)建命令請(qǐng)求后調(diào)用網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊，網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊將命令請(qǐng)求按照固定數(shù)據(jù)包格式封裝后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。響應(yīng)命令處理過程:網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊接收數(shù)據(jù)包后并完成響應(yīng)命令數(shù)據(jù)的拷貝，再由響應(yīng)命令處理模塊對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。表2 詳細(xì)描述了請(qǐng)求命令及響應(yīng)命令的內(nèi)容。

網(wǎng)關(guān)接收到命令請(qǐng)求后會(huì)根據(jù)命令類型執(zhí)行相應(yīng)的操作，最后返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。一部分響應(yīng)數(shù)據(jù)攜帶有設(shè)備信息或網(wǎng)絡(luò)信息;另外一部分響應(yīng)數(shù)據(jù)攜帶有網(wǎng)關(guān)對(duì)命令請(qǐng)求的執(zhí)行是否成功的標(biāo)志或?qū)γ钫?qǐng)求執(zhí)行的時(shí)間等信息。中間件解析網(wǎng)關(guān)返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)并訪問數(shù)據(jù)庫，更新數(shù)據(jù)庫中的對(duì)應(yīng)表。

表2 命令請(qǐng)求及對(duì)應(yīng)的響應(yīng)內(nèi)容Tab.2 Command requests and corresponding response contents

下面就表2 中的部分關(guān)鍵命令做詳細(xì)的介紹，包括命令的描述以及相關(guān)參數(shù)等。

(1)會(huì)話及Lease 的創(chuàng)建:建立會(huì)話的主要目的是方便中間件和網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行資源的分配與回收，以及通信資源的管理。因此，中間件在運(yùn)行時(shí)首先需要與網(wǎng)關(guān)之間建立會(huì)話連接，該會(huì)話保持直到連接斷開或會(huì)話終止。Lease 的創(chuàng)建主要服務(wù)于各種命令的執(zhí)行，保證不同管理服務(wù)的通信可靠和資源保障。

中間件發(fā)起會(huì)話創(chuàng)建的請(qǐng)求命令到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)接收到請(qǐng)求后會(huì)回復(fù)響應(yīng)命令。該響應(yīng)命令攜帶會(huì)話ID、會(huì)話周期及會(huì)話狀態(tài)等信息。解析完會(huì)話響應(yīng)后，中間件從數(shù)據(jù)庫的Commands 表中獲取所有的命令并添加到請(qǐng)求命令生成模塊的周期業(yè)務(wù)列表中。中間件查找周期業(yè)務(wù)列表執(zhí)行各種命令之前，首先要判斷該服務(wù)請(qǐng)求和網(wǎng)關(guān)是否建立Lease，如果沒有建立，則需要執(zhí)行創(chuàng)建Lease 過程。中間件發(fā)起Lease 請(qǐng)求命令到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)回復(fù)響應(yīng)命令，中間件進(jìn)行響應(yīng)數(shù)據(jù)的解析，完成Lease 建立過程。Lease 創(chuàng)建成功后，中間件和網(wǎng)關(guān)之間才能進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交互。會(huì)話及Lease創(chuàng)建的命令執(zhí)行過程如圖4 所示。

圖4 會(huì)話及Lease 創(chuàng)建命令的執(zhí)行過程Fig.4 Execution process of session and Lease creating command

(2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱?bào)告:當(dāng)執(zhí)行周期性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱?bào)告請(qǐng)求時(shí)，中間件通過查找請(qǐng)求命令生成模塊的周期業(yè)務(wù)列表創(chuàng)建命令并添加命令參數(shù)后，將消息發(fā)送給網(wǎng)關(guān);網(wǎng)關(guān)處理后將收集的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒎祷亟o中間件，中間件把網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔懭霐?shù)據(jù)庫的NetworkTopologyGraph 表中。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)報(bào)告的執(zhí)行過程如圖5 所示。

圖5 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)報(bào)告的執(zhí)行過程Fig.5 Execution process of topological structure reporting

(3)設(shè)備采集數(shù)據(jù)上報(bào):中間件系統(tǒng)在運(yùn)行之前需要將終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)類型參數(shù)配置到數(shù)據(jù)庫表中，以保證數(shù)據(jù)能夠正確存儲(chǔ)，如圖6 所示。

圖6 Publish 數(shù)據(jù)上報(bào)過程Fig.6 Publish data reporting process

首先，中間件向網(wǎng)關(guān)發(fā)送Subscription 請(qǐng)求，接收到Subscription 確認(rèn)后，開始等待接收Publish 數(shù)據(jù)包。網(wǎng)關(guān)將收集到的終端設(shè)備的采集數(shù)據(jù)(溫濕度、壓力等)發(fā)送給中間件，中間件將數(shù)據(jù)包按照預(yù)配置的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)寫入DeviceReadings 表中。

3 關(guān)鍵技術(shù)描述

3.1 可靠傳輸描述

中間件在執(zhí)行請(qǐng)求處理業(yè)務(wù)時(shí)，考慮到系統(tǒng)間的可靠通信，采用定時(shí)重傳的通信機(jī)制。發(fā)起請(qǐng)求命令并同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)該命令對(duì)應(yīng)的定時(shí)器，如果在定時(shí)器超時(shí)之前接收到了響應(yīng)命令，則停止該定時(shí)器，并刪除緩沖區(qū)中的對(duì)應(yīng)請(qǐng)求命令，進(jìn)入解析處理過程;若定時(shí)器超時(shí)后還未接收到對(duì)應(yīng)的響應(yīng)命令，則將緩沖區(qū)中的請(qǐng)求命令重新發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，再次啟動(dòng)定時(shí)器，直到達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)。

圖7 描述了定時(shí)器在正常情況下和超時(shí)情況下的管理示意流程。

圖7 定時(shí)器管理流程示意圖Fig.7 Flowchart of timer management

3.2 接收過濾描述

為減少異常數(shù)據(jù)包的處理，網(wǎng)關(guān)側(cè)接口模塊增加接收過濾功能，對(duì)不符合約定協(xié)議和格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄。當(dāng)接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)先讀取響應(yīng)數(shù)據(jù)的版本號(hào)、首部以及數(shù)據(jù)部分，進(jìn)行異常檢測(cè)過程的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，最終將正確的數(shù)據(jù)包發(fā)送給響應(yīng)處理模塊。狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)、下一個(gè)狀態(tài)以及當(dāng)前所發(fā)生的事件如表3 所示。

表3 狀態(tài)機(jī)描述列表Tab.3 Descriptions of state machine

4 測(cè)試與驗(yàn)證

中間件系統(tǒng)運(yùn)行在Linux 環(huán)境中，和網(wǎng)關(guān)運(yùn)行在一個(gè)設(shè)備上，Web 服務(wù)器完全采用本公司自主設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。終端設(shè)備采用Freescale 公司的MC13224［5］芯片作為無線模塊，搭載符合ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧軟件和采集控制軟件。測(cè)試操作流程:配置終端設(shè)備的采集周期和模式;分別運(yùn)行網(wǎng)關(guān)、中間件系統(tǒng)和終端設(shè)備;中間件發(fā)起Subscribe/Publish 操作，將采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中;訪問Web 服務(wù)器，查看網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和周期上報(bào)的采集數(shù)據(jù)。

經(jīng)過測(cè)試，中間件系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地與網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信，將符合協(xié)議要求的內(nèi)容寫入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫表項(xiàng)的內(nèi)容能夠滿足Web 服務(wù)器的訪問讀取顯示。

通過訪問Web 服務(wù)器，用戶可以查看實(shí)時(shí)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、終端設(shè)備的采集上報(bào)信息和運(yùn)行狀態(tài)。這說明系統(tǒng)基本滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無線采集、監(jiān)控管理應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

本文在現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件系統(tǒng)，為Web 服務(wù)提供了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫和接口，降低了ISA100.11a 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的Web 應(yīng)用開發(fā)難度，并縮減了開發(fā)周期。一方面，中間件的網(wǎng)關(guān)測(cè)接口能夠與符合ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)的任意網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接，具有較好的通用性，可應(yīng)用在不同的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，避免二次開發(fā)，有效節(jié)省了開發(fā)成本和時(shí)間;另一方面，該中間件能夠協(xié)助Web 服務(wù)器存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，使得用戶通過瀏覽器網(wǎng)頁界面遠(yuǎn)程查看網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)信息，并且能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和管理。該中間件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以加快ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的的部署和應(yīng)用，對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起著積極的促進(jìn)作用。

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