陳勤平，嚴(yán) 敏（.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 0008； . 上海建科商務(wù)服務(wù)有限公司， 上海 0003）

通過研究建筑設(shè)備通信協(xié)議，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將分散的設(shè)備系統(tǒng)進行集成，建立建筑物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺。將多系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行融合，打通設(shè)備和系統(tǒng)的壁壘，為設(shè)備協(xié)調(diào)優(yōu)化和建筑能源的智能管控奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 設(shè)備通信協(xié)議

建筑內(nèi)部設(shè)備類型種類繁多，通信協(xié)議和現(xiàn)場總線也多種多樣，但目前樓宇中以 BACnet、Modbus 和 M-Bus 應(yīng)用最為廣泛。

1.1 BACnet

BACnet 是一種用于樓宇自動化和控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，由美國采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ，ASHRAE）主持開發(fā)，是美國等 30 多個國家的國家標(biāo)準(zhǔn)，也是歐洲標(biāo)準(zhǔn)和 ISO 全球標(biāo)準(zhǔn)，在樓宇設(shè)備自控系統(tǒng)（BA 系統(tǒng)）中廣泛應(yīng)用。BACnet 通信協(xié)議中定義了幾種不同的數(shù)據(jù)鏈接層/物理層，包括 ARCNET、RS-232/RS-485、LonTalk。目前應(yīng)用最為廣泛的是基于以太網(wǎng)的BACnet/IP。

BACnet 是一種開放性協(xié)議，提供了不同廠商 BACnet設(shè)備之間的互操作性，通過 BACnet 協(xié)議，可將基于此協(xié)議的暖通空調(diào)系統(tǒng)、照明控制、門禁系統(tǒng)、火警偵測系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備進行集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和設(shè)備互操作。

1.2 Modbus

據(jù) GB/T 19582.1—2008《基于 Modbus 協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》，Modbus 是 OSI (Open System Interconnection，開放系統(tǒng)互聯(lián))參考模型第 7 層上的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，其連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，并未這些設(shè)備之間提供客戶機/服務(wù)器通信。Modbus 簡單易用，已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。在樓宇設(shè)備如電表、空調(diào)機組等設(shè)備中也廣泛應(yīng)用。Modbus 可基于串口和以太網(wǎng)進行通信，目前常用的是基于串口的 Modbus RTU 和基于以太網(wǎng)的 Modbus TCP 協(xié)議。

1.3 M-Bus

M-Bus 專門為測量儀器和計數(shù)器傳送信息設(shè)計的數(shù)據(jù)總線，采用二線制，可以同時實現(xiàn)供電和傳輸數(shù)據(jù)。因此成本較低，支持星形、環(huán)形和總線結(jié)構(gòu)，在冷熱計量表水表、燃?xì)獗淼扔嬃科骶叩臄?shù)據(jù)通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

2 建筑物聯(lián)網(wǎng)平臺

按 GB/T 51243—2017《物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐平臺工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)物》的定義，聯(lián)網(wǎng)是通過感知設(shè)備，按照約定協(xié)議，連接物、人、系統(tǒng)和信息資源，實現(xiàn)對物理和虛擬世界的信息進行處理并做出反應(yīng)的智能服務(wù)系統(tǒng)。在云端設(shè)置建筑物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接終端設(shè)備，可對多種建筑或建筑群進行數(shù)據(jù)集成和融合處理。

2.1 平臺架構(gòu)

平臺結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 建筑物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)圖

在建筑或建筑群中設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，支持 Modbus、M-Bus、BACnet 等常用通信協(xié)議，通過以太網(wǎng)、雙絞線、LoRa （遠(yuǎn)距離無線電）等多種通信方式連接智能化系統(tǒng)或智能設(shè)備，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 MQTT （消息隊列遙測傳輸）等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，傳輸?shù)皆贫说奈锫?lián)網(wǎng)平臺。在平臺上對數(shù)據(jù)進行融合處理，為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供技術(shù)支撐，同時可將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的下發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，再轉(zhuǎn)換成各種系統(tǒng)和設(shè)備的協(xié)議對設(shè)備進行控制，在雙向通信的基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

2.2 通信方式

通信方式可分為有線通信、WLAN （無線局域網(wǎng)）類通信和蜂窩類通信。

（1）有線通信：BACnet、Modbus、M-Bus 等協(xié)議一般采用基于雙絞線、網(wǎng)線等通信介質(zhì)的有線通信方式。

（2）WLAN 類通信：包括 WiFi、藍(lán)牙、Zigbee 等通信方式，在傳感器、智能終端等設(shè)備中應(yīng)用較多，無需布線，位置靈活，但通信距離較短。

（3）蜂窩類通信：包括 2G/3G/4G/5G、NB-IoT、eMTC、LoRa 等。2G/3G/4G/5G、NB-IoT、eMTC 等均依托于移動運營商網(wǎng)絡(luò)，適合于多種應(yīng)用場景。LoRa 是低功耗廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)，傳輸速率從幾百到幾十 Kbps，工作在非授權(quán)頻段，在應(yīng)用場景上有一些限制。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

常用的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議有 CoAP、DDS、XMPP、MQTT。目前以 MQTT 應(yīng)用最為廣泛，一般物聯(lián)網(wǎng)平臺如阿里巴巴、騰訊、百度的物聯(lián)網(wǎng)平臺均支持。

（1）CoAP 協(xié)議：CoAP（Constrained Application Protocol，受限應(yīng)用協(xié)議）是一個基于表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移（Representational State Transfer，REST） 模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，適用于在資源受限的通信的 IP 網(wǎng)絡(luò)，傳輸層使用 UDP協(xié)議，以減少開銷和支持組播功能，支持異步通信。

（2）DDS 協(xié)議：面向?qū)崟r系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布服務(wù)，適用于分布式高可靠性、實時傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)通信，在服務(wù)質(zhì)量（QoS）上提供非常多的保障途徑。

（3）XMPP 協(xié)議：一個開源形式組織產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)即時通信協(xié)議，是基于 XML 的協(xié)議，在互聯(lián)網(wǎng)及時通信應(yīng)用中運用廣泛。

（4）MQTT 協(xié)議：基于“發(fā)布-訂閱”模式的輕量級通信協(xié)議，已經(jīng)成為 OASIS（結(jié)構(gòu)信息標(biāo)準(zhǔn)化促進組織）標(biāo)準(zhǔn)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，適合于低帶寬、不可靠連接、嵌入式設(shè)備、CPU 內(nèi)存資源緊張的場景。

MQTT 協(xié)議可以作為網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，JSON (JavaScript Object Notation) 作為數(shù)據(jù)傳輸格式。JSON 是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，具有良好的可讀和便于快速編寫的特性，可在不同平臺之間進行數(shù)據(jù)交換。JSON 比 XML 更加小巧、簡潔，格式簡單，占用帶寬少，處理性能要求低，更適用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，如果對傳輸數(shù)據(jù)量有較高的要求，可在傳輸前進行壓縮。為保障數(shù)據(jù)傳輸安全，應(yīng)基于安全傳輸層協(xié)議 (Transport Layer Security Protocol，TLS)進行數(shù)據(jù)傳輸。

網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)平臺之間通過 MQTT 協(xié)議的“發(fā)布-訂閱”模式實現(xiàn)雙向通信。網(wǎng)關(guān)向平臺 MQTT Server 的數(shù)據(jù)傳輸Topic（主題）發(fā)布采集的設(shè)備數(shù)據(jù)，平臺的消息處理程序訂閱 MQTT Server 的數(shù)據(jù)傳輸 Topic 進行消息處理。平臺的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向 MQTT Server 的控制命令 Topic 發(fā)布控制命令，網(wǎng)關(guān)訂閱 MQTT Server 的控制命令 Topic 獲得控制消息并執(zhí)行，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制命令執(zhí)行的雙向通信。有多種消息中間件支持 MQTT 協(xié)議，可作為 MQTT Server，如 Apollo、ActiveMQ、Mosquitto、RabbitMQ、EMQ X 等。

2.4 消息和事件流

物聯(lián)網(wǎng)通常需要處理大量數(shù)據(jù)，而且有時有明顯的數(shù)據(jù)洪峰效應(yīng)，在采集時間周期附近，會有大量數(shù)據(jù)涌入。因此，需要引入分布式消息中間件處理事件流。Kafka 和Pulsar 是常用的大數(shù)據(jù)組件，Kafka 是一個分布式消息中間件，也是一個開源的分布式事件流平臺，高吞吐、低延遲，支持熱擴展，數(shù)據(jù)多副本，支持高并發(fā)讀寫。 Pulsar 不僅可以像 Kafka 那樣處理高速的實時場景，還能支持標(biāo)準(zhǔn)的消息隊列模式。通過引入 Kafka 或 Pulsar，不僅進行數(shù)據(jù)的“削鋒填谷”，大幅度提供系統(tǒng)處理能力，同時也可以降低系統(tǒng)之間的耦合。

2.5 數(shù)據(jù)存儲

常用的 MySQL、Oracle、SQL Server 等單機關(guān)系型數(shù)據(jù)庫并不適合存儲海量的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。單機數(shù)據(jù)庫很難水平擴展，即使通過主從復(fù)制、集群和分片等方式進行擴展也有很多限制。近年來出現(xiàn)的 Mongodb、HBase 等 NoSQL 數(shù)據(jù)庫可以很好支持海量數(shù)據(jù)擴展，但不支持事務(wù)，不支持ACID（原子性、一致性、隔離性和持久性）特性，不支持SQL，同時原有開發(fā)模式需要做較大地改變。

如果需要數(shù)據(jù)強一致性，需要支持事務(wù)還需要很強的彈性擴容能力，可以采用類似 TiDB、OceanBase 這樣的NewSQL 新型分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，將 NoSQL 數(shù)據(jù)庫的強水平擴展能力和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的強一致性、SQL 支持等特性很好地進行了融合。如果需要支持視頻、圖片、語音等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)湖，從而能以任意規(guī)模存儲結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),管理各類數(shù)據(jù)相關(guān)的要素，并在此基礎(chǔ)上形成批處理、流式計算、交互式分析以及機器學(xué)習(xí)等多樣化的分析能力。

3 數(shù)據(jù)融合處理

接收數(shù)據(jù)后通常需要對數(shù)據(jù)進行融合處理，從多個維度、多個指標(biāo)反映事物特征。常規(guī)的單機數(shù)據(jù)處理技術(shù)已無法滿足海量數(shù)據(jù)處理要求。分布式計算將一個大的計算任務(wù)劃分為若干個子任務(wù)，然后為計算機網(wǎng)絡(luò)中的計算節(jié)點分別分配一部分子任務(wù)，通過并行處理提高數(shù)據(jù)處理效率，最后整理、綜合各部分的計算數(shù)據(jù)，得到最終的計算結(jié)果。

3.1 大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)

分布式計算按類型可分為批處理、流處理（流式計算、實時計算）。批處理是對一批數(shù)據(jù)聚合后進行處理，基本流程是收集數(shù)據(jù)→放到數(shù)據(jù)庫中→取出來進行計算。在計算時效性要求高的場景下，無法滿足實時性要求。流式計算持續(xù)接收發(fā)來的數(shù)據(jù)流，實時地進行處理與分析，并及時反饋結(jié)果，以滿足對數(shù)據(jù)處理有較高實時性要求的場景。其特點是實時、低延遲，數(shù)據(jù)持續(xù)不斷，無終止，計算持續(xù)進行，計算完之后數(shù)據(jù)即丟棄。

最早的批處理采用 Hadoop MapReduce（映射歸約），MapReduce是一種編程模型，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行運算。相比于基于磁盤計算的 Hadoop，Spark基于內(nèi)存進行計算，速度要快得多（最多可比 Hadoop 的MapReduce 快 100 倍)，同時有 Spark SQL（分布式 SQL引擎）、Spark Streaming（流處理）、Spark MLlib（機器學(xué)習(xí)庫）、GraphX（圖計算）等多種組件，已經(jīng)基本取代Hadoop MapReduce，成為Hadoop 生態(tài)中的重要成員。

目前大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)可分為 Lambda 架構(gòu)和 Kappa架構(gòu)。

（1）Lambda 架構(gòu)。Lambda 架構(gòu)分為批處理層（Batch Layer）、實時處理層（Speed Layer）、服務(wù)層（Serving Layer）。數(shù)據(jù)分別進入批處理層和實時處理層，批處理層將數(shù)據(jù)存儲到主數(shù)據(jù)集，并對主數(shù)據(jù)集進行匯總計算。實時處理層針對增量數(shù)據(jù)進行實時處理，服務(wù)層可以將批處理層和批處理層的結(jié)果進行匯聚，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)。

（2）Kappa 架構(gòu)。Lambda 需要將算法實現(xiàn) 2 次，一次是為批處理系統(tǒng)，另一次是為實時系統(tǒng)。為此 Kappa 架構(gòu)對流處理進行改進，取代了批處理。需對全量數(shù)據(jù)進行重新計算時，用 Kafka 或類似的分布式隊列保存需要時長的數(shù)據(jù)，重新啟動起一個流計算實例進行計算。但是，因為所有的數(shù)據(jù)都通過流式計算，如果歷史數(shù)據(jù)規(guī)模很大，很難適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)時代對數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)的即時性要求。

目前批處理以 Spark 為代表，流處理以 Flink 為主，但二者相互也在融合對方特點，Spark Streaming 以微批方式實現(xiàn)流式處理，F(xiàn)link 以流處理為基礎(chǔ)實現(xiàn)流批一體。

3.2 建筑數(shù)據(jù)的融合處理方法

建筑數(shù)據(jù)的處理分為 2 種類型，接收數(shù)據(jù)進行實時處理，如超限報警、異常判定等。在數(shù)據(jù)庫層需要進行時、日、月、年等時間維度的 多種指標(biāo)匯總計算，如統(tǒng)計能耗指標(biāo)、設(shè)備運行指標(biāo)等。

在數(shù)據(jù)匯聚到 Kafka/Pulsar 等分布式流系統(tǒng)后，可采用 Flink 進行實時處理，計算參數(shù)超限報警、異常判定等，如果對實時要求不是非常高，也可采用 Spark Streaming。在數(shù)據(jù)庫層，可采用 Spark/Flink 進行匯總計算。

針對建筑數(shù)據(jù)的處理，目前 Lambda 架構(gòu)更合適些。一方面隨著建筑數(shù)量和采集數(shù)據(jù)的增多，數(shù)據(jù)量會急劇增大，并且時、日、月、年等時間維度的指標(biāo)匯總計算和實時計算的邏輯并不一致，不能使用同一套代碼；另一方面需要使用歷史數(shù)據(jù)進行機器學(xué)習(xí)，使用批處理來反復(fù)驗證不同的算法。但是，可以統(tǒng)一分布式計算引擎，在實時計算和流處理統(tǒng)一使用 Spark 或者 Flink，實現(xiàn)流批一體。

4 結(jié) 語

公共建筑中存在著大量數(shù)據(jù)，通過和建筑設(shè)備建立通信協(xié)議，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將設(shè)備數(shù)據(jù)進行集成，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行融合處理和分析，可以為建筑精細(xì)化管理、能源智慧化管控奠定技術(shù)基礎(chǔ)，提供數(shù)據(jù)支撐。