張 成，李晨安，張 歡，胡博文，孔 潔

（合肥通用機(jī)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(shù)，發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)[1]。然而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遲遲未能在市場(chǎng)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(zhēng)奪競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)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(yán)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(cè)試系統(tǒng)包括海量的傳感器節(jié)點(diǎn)，如何將這些數(shù)據(jù)收集起來進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢和分析，是非常困難的任務(wù)。

（3）物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性[4]。大型測(cè)試系統(tǒng)包括類型各異的傳感器節(jié)點(diǎn)，既有傳統(tǒng)的溫度、濕度和壓力等信號(hào)，也有諸如加速度、振動(dòng)、噪聲和光學(xué)圖像等信號(hào)。不同的傳感器通信方式不同，信號(hào)類型不同，更為困難的是，對(duì)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(diǎn)的異構(gòu)性對(duì)后臺(tái)信號(hào)處理平臺(tái)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(diǎn)的采樣間隔不同，在日常運(yùn)轉(zhuǎn)中存在大量冗余，然而在特殊時(shí)間節(jié)點(diǎn)卻異常重要，例如設(shè)備的預(yù)警，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的回放等。用戶如果希望查詢某時(shí)刻的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通常情況下，會(huì)采用數(shù)據(jù)插值法，用前后時(shí)間節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得出。由于數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化，傳感器的采樣間隔和數(shù)據(jù)插值算法的設(shè)計(jì)，都會(huì)對(duì)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(jī)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的難點(diǎn)并非單純實(shí)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(luò)架構(gòu)不僅要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的功能，還要以相對(duì)低成本、實(shí)時(shí)地且穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互及存儲(chǔ)查詢功能，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制，關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及核心算法的處理。因此設(shè)計(jì)了一套以樹莓派為核心的多節(jié)點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程測(cè)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(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)和算法結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)上傳與存儲(chǔ)的難度降低到可控的程度。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的技術(shù)平臺(tái)主要應(yīng)用于制冷空調(diào)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)性能檢測(cè)。與其他工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)不同，試驗(yàn)室性能測(cè)控系統(tǒng)不僅對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高，也對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析查詢要求較高，既要讓用戶能夠靈活地對(duì)試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和查詢，又要根據(jù)測(cè)試情況，對(duì)試驗(yàn)室設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行及時(shí)地預(yù)警及優(yōu)化。

本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含物聯(lián)網(wǎng)測(cè)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(diǎn)、串口或網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，并使用樹莓派作為整個(gè)測(cè)控平臺(tái)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(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫及Web瀏覽器功能開發(fā)。

由于傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)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(wù)器，包括無線串口服務(wù)器、中低速網(wǎng)絡(luò)采集器、高速網(wǎng)絡(luò)采集器等，傳感器數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中進(jìn)行采樣預(yù)處理后，集中上傳給測(cè)控服務(wù)器樹莓派。樹莓派是整個(gè)測(cè)控平臺(tái)的核心，定期接收采集數(shù)據(jù)服務(wù)器不同類型的數(shù)據(jù)上傳，并根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣時(shí)間間隔，通過加權(quán)計(jì)算，動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)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(tái)云端服務(wù)器。系統(tǒng)采集存儲(chǔ)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(cè)控平臺(tái)正向過程

物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)還具有設(shè)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(shè)定需要管理員權(quán)限，（User Interface，UI）界面并不對(duì)普通用戶開放。如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)反向過程

2 子系統(tǒng)模塊

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

該項(xiàng)目主要采用如下傳感器節(jié)點(diǎn)。

（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(hào)。本項(xiàng)目通過串聯(lián)的方式將溫度傳感器級(jí)聯(lián)起來，共部署100個(gè)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(hào)。

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

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

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

不同的傳感器對(duì)采集間隔和精度差異很大，如脈動(dòng)壓力傳感器和加速度計(jì)傳感器對(duì)采集間隔的要求為1 ms以下，而溫度傳感器對(duì)采集間隔的要求較低，10 s即可。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多套采集系統(tǒng)并聯(lián)組合的方案，最終將預(yù)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(wù)器

根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的類型，以及對(duì)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(wù)器分別進(jìn)行信號(hào)處理。

（1）無線串口收發(fā)服務(wù)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(hào)封裝成Zigbee協(xié)議進(jìn)行空口無線傳輸，通過中泰電子的DRF2658C模塊將Zigbee信號(hào)還原成為RS485信號(hào)，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(wù)器DRF2658C作為主設(shè)備，DRF2659C作為從設(shè)備，一臺(tái)主模塊DRF2658C可以連接多臺(tái)從模塊，易于擴(kuò)展。

（2）低速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器。使用研華公司的6217測(cè)量模塊，測(cè)量類型為電壓和電流信號(hào)，本項(xiàng)目中為壓力和流量傳感器，可以實(shí)現(xiàn)1 s的采樣時(shí)間間隔。

（3）高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器。使用NI公司的cDAQ-9184測(cè)控平臺(tái)，測(cè)量類型為電壓和電流信號(hào)，將脈動(dòng)壓力傳感器、加速度計(jì)傳感器和麥克風(fēng)傳感器，分別接入cDAQ中，系統(tǒng)的分辨率設(shè)為1 kbps，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT頻譜變化，分別輸出脈動(dòng)壓力值、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速值、壓縮機(jī)振動(dòng)值，以及環(huán)境噪聲值，輸出數(shù)據(jù)處理時(shí)間可以低至1 s。

2.3 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器

樹莓派作為智能硬件平臺(tái)的代表，具有眾多優(yōu)點(diǎn)：開源的硬件平臺(tái)，使用靈活的Python開發(fā)語言[8-10]，具有豐富的外設(shè)接口，易于擴(kuò)展性以及高性價(jià)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(shí)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(shè)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(luò)服務(wù)器設(shè)備，所有采集數(shù)據(jù)加載完成后進(jìn)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(wù)器后臺(tái)。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(shí)循環(huán)發(fā)送并上傳至騰訊云服務(wù)器。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)騰訊云服務(wù)器發(fā)送來的信號(hào)指令用于調(diào)節(jié)和控制設(shè)備?？紤]到設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)，本項(xiàng)目在樹莓派中也部署了Socket服務(wù)器后臺(tái)，用于監(jiān)測(cè)來自用戶網(wǎng)頁反饋的信號(hào)數(shù)據(jù)。樹莓派監(jiān)測(cè)到高級(jí)管理員從瀏覽器發(fā)送過來的指令后，會(huì)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(wù)器，發(fā)送給調(diào)節(jié)和控制設(shè)備，用于設(shè)備的啟停和調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

（4） 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)采集、調(diào)度和預(yù)警等算法。

2.4 算法設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目算法設(shè)計(jì)包括以下兩種。

（1）動(dòng)態(tài)調(diào)整采集時(shí)間間隔。通過對(duì)樹莓派采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行的核心指標(biāo)，并由此根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況，分為“正?！薄ⅰ邦A(yù)警”和“報(bào)警”3種狀態(tài)類型。每種狀態(tài)類型設(shè)計(jì)不同的采樣時(shí)間間隔，具體設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 樹莓派采樣間隔設(shè)計(jì)

（2）設(shè)定系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)的閾值門限。設(shè)計(jì)合理的預(yù)警和報(bào)警閾值門限，在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中極為關(guān)鍵，根據(jù)壓縮機(jī)多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)加權(quán)，得到如表2所示閾值設(shè)定加權(quán)值。

表2 系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)加權(quán)值設(shè)定

以上幾個(gè)指標(biāo)是衡量壓縮機(jī)性能及試驗(yàn)裝置試驗(yàn)臺(tái)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，當(dāng)這些數(shù)據(jù)均處于“正?！睜顟B(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)采集間隔為10 s；當(dāng)其中任意一項(xiàng)指標(biāo)處于預(yù)警狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)采集間隔為3 s；當(dāng)其中任意一項(xiàng)指標(biāo)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，采集間隔為1 s；當(dāng)排氣壓力逐漸升高過程時(shí)，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(dòng)態(tài)調(diào)整

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢

測(cè)試系統(tǒng)的后臺(tái)云服務(wù)器部署在騰訊云上，主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析，并通過瀏覽器呈現(xiàn)給客戶端UI用戶，通過進(jìn)行用戶的綁定和區(qū)分，對(duì)高級(jí)管理員授予設(shè)備控制和調(diào)節(jié)的權(quán)限。

云服務(wù)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(wù)器，后端采用python flask框架，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、用戶登錄管理以及認(rèn)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(wù)器的核心難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，即如何將海量物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)及查詢。系統(tǒng)采用Mysql與MongoDB雙重?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)架構(gòu)，原因如下。

（1）Mysql是關(guān)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(chǔ)，優(yōu)點(diǎn)是靈活穩(wěn)定，且有豐富的插件可供使用，缺點(diǎn)是讀寫大量數(shù)據(jù)時(shí)速度較慢，且存儲(chǔ)空間受限，本項(xiàng)目主要使用Mysql作為用戶信息和系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

（2）MongoDB是近年來較為流行的分布式數(shù)據(jù)庫，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)分集復(fù)制，能存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，且讀寫數(shù)據(jù)速度很快，適合負(fù)載量較大存儲(chǔ)場(chǎng)景，缺點(diǎn)是表結(jié)構(gòu)不明確，系統(tǒng)關(guān)鍵信息存儲(chǔ)安全性相對(duì)Mysql較低，本項(xiàng)目主要使用MongoDB數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)海量的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)查詢分析打下基礎(chǔ)[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(shè)計(jì)了圖表形式來呈現(xiàn)，如圖4所示。瀏覽器的刷新時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)最快1 s/次?？紤]到數(shù)據(jù)上傳的效率以及網(wǎng)絡(luò)帶寬，設(shè)計(jì)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(yù)警”和“報(bào)警”3種狀態(tài)類型，每種狀態(tài)類型設(shè)計(jì)的采樣時(shí)間間隔分別為10 s、3 s和1 s。

圖4 用戶瀏覽器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表格顯示

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸以及實(shí)現(xiàn)的相對(duì)低成本。本文利用樹莓派等開源硬件產(chǎn)品，通過設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)和算法結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)上傳與存儲(chǔ)的難度降低到可控的程度，主要有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新：（1） 將樹莓派等智能硬件產(chǎn)品應(yīng)用在于制冷空調(diào)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)性能檢測(cè)行業(yè)中，基本滿足試驗(yàn)室測(cè)控系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性需求以及數(shù)據(jù)分析查詢的需求；（2） 針對(duì)不同傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)采集時(shí)間和精度的要求不同，設(shè)計(jì)了一套完整的并行數(shù)據(jù)采集服務(wù)器架構(gòu)，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(wù)器中設(shè)計(jì)分段的采樣間隔，設(shè)置關(guān)鍵數(shù)據(jù)的閾值加權(quán)預(yù)警，適當(dāng)降低數(shù)據(jù)上傳和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，降低帶寬負(fù)荷以及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)難度，能夠滿足對(duì)設(shè)備預(yù)警和報(bào)警狀態(tài)的判定需求。