劉清

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是將工業(yè)領(lǐng)域的感知設(shè)備、控制終端設(shè)備、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以全球移動(dòng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行互聯(lián)互通。隨著新興技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，當(dāng)前融合了云平臺、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術(shù)的新型工業(yè)生產(chǎn)模式，正促使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)向數(shù)字化、智能化快速轉(zhuǎn)變。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全面轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì);硬件設(shè)計(jì);智能化改造

引言：網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)影響網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作，在通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的影響更為明顯，應(yīng)予以優(yōu)化。本文以通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)要求作為切入點(diǎn)，予以簡述，再以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)方法的論述，給出總體設(shè)計(jì)框架、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容，論述其作業(yè)流程，服務(wù)后續(xù)工作。

1設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的意義、挑戰(zhàn)及分析

1.1設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的重要意義

設(shè)備聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)制造業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化、智能化的關(guān)鍵，也是推進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心，通過設(shè)備聯(lián)網(wǎng)可推進(jìn)企業(yè)在生產(chǎn)制造和運(yùn)營等環(huán)節(jié)的有效管控，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備優(yōu)化利用及預(yù)測性維護(hù)、企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)決策、運(yùn)營及營銷等工作提供全方面、多維度的依據(jù)和參考。在生產(chǎn)制造方面，一是實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源共享，盤活企業(yè)設(shè)備資產(chǎn)，提升資產(chǎn)利用率;二是實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測性維護(hù)，縮短設(shè)備宕機(jī)時(shí)間，降低設(shè)備故障給企業(yè)帶來的生產(chǎn)影響;三是利用在線分發(fā)和版本控制實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)研發(fā)和制造管理協(xié)同，加速企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)。在業(yè)務(wù)運(yùn)營方面，一是實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)計(jì)、銷售等全生命周期的管控和提高生產(chǎn)運(yùn)營效率，優(yōu)化生產(chǎn)流程及規(guī)避“接私活”隱患;二是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)應(yīng)用，賦能人力資源;三是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備遠(yuǎn)程診斷、故障處理，以及多人協(xié)同式操控;四是通過多維度設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)采集和挖掘分析，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營銷。

1.2設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的問題和挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已成為業(yè)內(nèi)焦點(diǎn)，但也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。一是平臺及工控安全不可控，針對紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，還缺乏可行的安全解決方案有效防御和解除攻擊;二是平臺規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不同統(tǒng)一，盡管工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺迎來了“百花齊放，百家爭鳴”的局面，但各自建設(shè)的API接口、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、設(shè)備網(wǎng)關(guān)等互通共享難，開放性、可拓展性較差;三是設(shè)備和傳感器投入成本高，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行大量傳感器和、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和存儲都是企業(yè)的消耗;四是設(shè)備和平臺請求及響應(yīng)延時(shí)性比較高，用戶體驗(yàn)較差，5G技術(shù)在硬件加速、平臺分布式、數(shù)據(jù)分布式等方面有一定普及和應(yīng)用前景。

2通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案評測

2.1模擬實(shí)驗(yàn)

為了解通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的效果，建立模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評測，通過計(jì)算機(jī)建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停脜?shù)調(diào)整法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。觀察指標(biāo)為業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間、有效連接建立時(shí)間、故障發(fā)生率?？勺儏?shù)為單位時(shí)間業(yè)務(wù)總量，干擾等級以及信息存儲空間。為保證獲取線性實(shí)驗(yàn)信息，其他影響參數(shù)均默認(rèn)為零，創(chuàng)造理想實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.2實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)共分為三組，第一組保持干擾等級為低，信息存儲空間充足，分別設(shè)定單位時(shí)間業(yè)務(wù)總量為“低”、“中”、“高”，各進(jìn)行50次實(shí)驗(yàn)，第二組保持信息存儲空間充足，單位時(shí)間業(yè)務(wù)總量為低，分別干擾等級為“低”、“中”、“高”，各進(jìn)行50次實(shí)驗(yàn)，第三組保持保持干擾等級為低、單位時(shí)間業(yè)務(wù)總量為低，分別設(shè)定信息存儲空間為“充足”、“不足”，各進(jìn)行50次實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)過程中通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是否能夠有效進(jìn)行作業(yè)，記錄業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間、有效連接建立時(shí)間、故障發(fā)生率。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1：

從結(jié)果上看，在業(yè)務(wù)量較低、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能在0.031s內(nèi)完成業(yè)務(wù)相應(yīng)，并在0.042s內(nèi)完成關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈接，故障發(fā)生0次;在業(yè)務(wù)量中等、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能在0.048s內(nèi)完成業(yè)務(wù)相應(yīng)，并在0.081s內(nèi)完成關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈接，故障發(fā)生1次，占比2.0%，在業(yè)務(wù)量較高、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能在0.432s內(nèi)完成業(yè)務(wù)相應(yīng)，并在0.913s內(nèi)完成關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈接，故障發(fā)生6次，占比12.0%。這表明，單位時(shí)間內(nèi)業(yè)務(wù)量過大，網(wǎng)關(guān)無法完成快速處理，面臨故障和延遲風(fēng)險(xiǎn)。

第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表：

從結(jié)果上看，在干擾等級較低、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能在0.092s內(nèi)完成業(yè)務(wù)相應(yīng)，并在0.138s內(nèi)完成關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈接，故障發(fā)生1次，占比2.0%;在干擾等級中等、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能在0.866s內(nèi)完成業(yè)務(wù)相應(yīng)，并在1.266s內(nèi)完成關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈接，故障發(fā)生7次，占比14.0%，在干擾等級較高、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能在3.151s內(nèi)完成業(yè)務(wù)相應(yīng)，并在5.074s內(nèi)完成關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈接，故障發(fā)生12次，占比24.0%。這表明，單位時(shí)間內(nèi)干擾等級過高，網(wǎng)關(guān)無法完成快速處理，面臨故障和延遲風(fēng)險(xiǎn)。

3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件內(nèi)部功能模塊包括感知層設(shè)備管理、感知層數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)關(guān)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、安全傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.1感知層設(shè)備管理

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中建立感知層設(shè)備表，通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)對感知層設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊控制，實(shí)現(xiàn)對感知層設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷、配置、調(diào)試和升級。

3.2感知層數(shù)據(jù)管理

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、存儲和傳輸。在對感知層設(shè)備表中的設(shè)備進(jìn)行采集時(shí)，監(jiān)測設(shè)備報(bào)警狀態(tài)、上線時(shí)間、掉線時(shí)間、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間;分析采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多層級報(bào)警、異常聯(lián)動(dòng)控制;采用多索引映射技術(shù)對各種感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲;傳輸數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)報(bào)警狀態(tài)數(shù)據(jù)，主動(dòng)上傳應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)也可以通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議訪問工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)存儲表。

3.3網(wǎng)關(guān)管理

對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用客戶端軟件進(jìn)行配置，采用權(quán)限認(rèn)證機(jī)制訪問網(wǎng)關(guān)，非授權(quán)用戶不得訪問;在網(wǎng)關(guān)中設(shè)計(jì)用戶權(quán)限管理機(jī)制，分為管理員（最高權(quán)限）、一級用戶（安裝調(diào)試人員）、二級用戶（只讀）三個(gè)層級進(jìn)行管理;網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、感知層設(shè)備表參數(shù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換參數(shù)、數(shù)據(jù)映射參數(shù)進(jìn)行分類存儲;通過客戶端可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程固件更新。

3.4網(wǎng)絡(luò)管理

通過FTP、SSH/TELNET、Webserver和SNMP等方式對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行配置、測試、分析、監(jiān)視、評價(jià)、控制。

3.5協(xié)議轉(zhuǎn)換

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中集成通用的短距離通信協(xié)議，能覆蓋大部分工業(yè)領(lǐng)域的感知層設(shè)備，為感知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的封裝，保證不同的協(xié)議能夠抽象成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀，通過上行通信接口上傳至應(yīng)用服務(wù)器端;應(yīng)用服務(wù)器端數(shù)據(jù)，通過通用的工控協(xié)議、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將數(shù)據(jù)下發(fā)給工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過協(xié)議解析，將數(shù)據(jù)幀拆解并重新組合成感知層網(wǎng)絡(luò)能識別的數(shù)據(jù)幀，通過下行通信接口進(jìn)行下發(fā)。

3.6 安全傳輸

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)基于TCP/IP協(xié)議通信技術(shù)通信，網(wǎng)絡(luò)安全對整個(gè)系統(tǒng)的安全起著至關(guān)重要的作用。為保證網(wǎng)絡(luò)通信安全傳輸，設(shè)計(jì)采用openssl和iptable保證通信安全。

結(jié)語：本文提供了一種感知層設(shè)備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的解決方案。文中設(shè)計(jì)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)領(lǐng)域的感知層設(shè)備協(xié)議兼容、實(shí)現(xiàn)了物理環(huán)境的監(jiān)測和控制。為應(yīng)用層屏蔽感知層網(wǎng)絡(luò)差異提供了一種新的解決方案。

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