卞志國，湯東陽，曹棟

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)計算機與軟件學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.江蘇省工業(yè)軟件工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇南京 210023）

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，由于自動化設(shè)備廠商和相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的不妥協(xié)，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)均出現(xiàn)了多種標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，標(biāo)準(zhǔn)之間互不兼容，導(dǎo)致不同的工控協(xié)議使用不同的實現(xiàn)方法，數(shù)據(jù)組織方式、語義表示也不盡相同[1-2]。針對當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算基礎(chǔ)網(wǎng)關(guān)與軟件平臺多協(xié)議交互形式存在普適性低、缺乏自適應(yīng)能力等問題[3-7]，本文研究并開發(fā)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算場景下，多種工控協(xié)議的自適應(yīng)協(xié)議交互模型，解決具有有限聯(lián)網(wǎng)能力的設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交互過程中存在的瓶頸問題，從而實現(xiàn)該類設(shè)備之間通過協(xié)議轉(zhuǎn)換進行數(shù)據(jù)交互。

2 研究與方法

2.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換流程設(shè)計

本文設(shè)計了一種滿足讀、寫、訂閱/發(fā)布、設(shè)備狀態(tài)查詢等功能的普適性數(shù)據(jù)交互語義模型，并利用Golang語言實現(xiàn)跨平臺的交互數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)。該服務(wù)北向與標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議客戶端通過HTTP 協(xié)議進行交互，負責(zé)將獲取的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為普適性數(shù)據(jù)交互語義模型，南向與非標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議的智能設(shè)備或邊緣云平臺進行交互，將獲取的非標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議數(shù)據(jù)（如智能傳感器、無線設(shè)備、智能工業(yè)云平臺）轉(zhuǎn)換為普適性數(shù)據(jù)交互語義模型，從而為客戶端提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)輸入/輸出協(xié)議，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 跨平臺交互數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)數(shù)據(jù)流

協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了web 服務(wù)功能，向客戶端提供RESTful 風(fēng)格的API 接口，客戶端通過向協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)請求數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的讀、寫、訂閱/發(fā)布。協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)接收到客戶端發(fā)送的請求后，通過查詢其管理的設(shè)備資源模型，進行相應(yīng)的操作，并向客戶端返回響應(yīng)。

2.2 設(shè)備資源模型

（1）資源模型文件 本文采用統(tǒng)一的設(shè)備資源模型描述文件定義終端設(shè)備的數(shù)據(jù)資源，支持JSON 和TOML兩種文件格式。以Modbus 設(shè)備為例，其中Name 定義了設(shè)備的名稱，DebiceId 定義設(shè)備的ID 號，對于連接到該網(wǎng)關(guān)的設(shè)備而言，該ID 號應(yīng)該是唯一的，Protocol 定義了設(shè)備支持的工業(yè)協(xié)議，本文采用動態(tài)加載的方式，支持Modbus、OPC UA、MQTT 三種協(xié)議。BaseInfo 給出了該設(shè)備所特有的信息，如Modbus 設(shè)備要求給出設(shè)備IP、設(shè)備端口號、從設(shè)備號、寄存器節(jié)點信息，其中寄存器節(jié)點信息表Nodes 定義了該設(shè)備所有可訪問寄存器數(shù)據(jù)的信息，包括地址、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度，BaseInfo 部分根據(jù)設(shè)備協(xié)議的不同定義相應(yīng)的字段。

（2）插件式協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊 本文采用插件模塊實現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，開發(fā)了OPC UA、Modbus、MQTT 三種常用協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。

本文采用Golang 作為系統(tǒng)開發(fā)工具，作為編譯型的開發(fā)語言，Golang 本身并不支持通過源代碼實現(xiàn)動態(tài)加載和更新。但Golang 官方提供了Plugin 技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)加載。即通過動態(tài)共享對象封裝操作系統(tǒng)底層接口，對外提供統(tǒng)一的調(diào)用接口，以供上層應(yīng)用程序調(diào)用，相當(dāng)于提供了一層兼容層。

首先定義插件模塊基類，在此基類的基礎(chǔ)上，派生出對應(yīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，插件模塊關(guān)系如圖2 所示。

圖2 插件模塊關(guān)系

在插件模塊基類中，定義了設(shè)備的基礎(chǔ)信息，如設(shè)備名稱、ID 號、是否在線等，定義了共性操作方法，如初始化模塊，斷開連接，處理WebSocket 請求，處理HTTP 請求等。非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)換插件均派生于該基類，并根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的具體操作規(guī)程，增加協(xié)議特有的操作，改寫基類中相應(yīng)的函數(shù)等。

其次，在轉(zhuǎn)換軟件啟動時，掃描插件模塊文件夾，依次加載對應(yīng)的插件模塊，協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件服務(wù)的總活動流程如圖3 所示。

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件服務(wù)的總活動流程

2.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計

協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件服務(wù)有兩部分組成，一是協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件網(wǎng)關(guān)主線程，二是掛載在該服務(wù)器的虛擬設(shè)備線程。

軟件主線程啟動后，首先加載協(xié)議轉(zhuǎn)換插件，獲取該服務(wù)支持的非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議類型；然后從配置文件加載設(shè)備資源模型，構(gòu)建虛擬設(shè)備；最后啟動web 服務(wù)，等待客戶端請求。服務(wù)端接收到客戶端請求后，首先解析請求數(shù)據(jù)，將對應(yīng)的請求分配到對應(yīng)的虛擬設(shè)備，如果對應(yīng)的虛擬設(shè)備不存在，則直接返回錯誤信息，否則將對應(yīng)的服務(wù)請求轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)的虛擬設(shè)備線程；接著，虛擬設(shè)備線程將基于普適協(xié)議的請求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的設(shè)備協(xié)議數(shù)據(jù)，對相應(yīng)的設(shè)備進行讀、寫、訂閱等操作，并獲取相應(yīng)的返回數(shù)據(jù)；最后，將返回的非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)，并返回到請求客戶端。

3 測試與分析

按照上述總體架構(gòu)搭建測試系統(tǒng)，其中協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)分別部署于PC 機和RaspberryPi 3B，PC 機配置運行于Intel（R）Core（TM）i7-10750H CPU @ 2.60GHz，32G內(nèi)存機器上的WSL Ubuntu20.04 子系統(tǒng)；RaspberryPi 3B配 置BCM2835，ARMv7 Processor rev 4（v7l），內(nèi) 存1G。

利用Postman 對服務(wù)器進行不間斷寫操作訪問100次，統(tǒng)計API 響應(yīng)時間，其平均每次API 響應(yīng)時間見表1。

表1 API 請求響應(yīng)時間（單位：ms）

API 一次完整的寫操作時間包括三個部分：一是客戶端與web 服務(wù)器之間消耗的時間，二是web 服務(wù)器與設(shè)備之間消耗的時間，三是協(xié)議轉(zhuǎn)換的時間，如圖4 所示。

因此表1 中ping 的時間只有t1+t6，而訪問設(shè)備的時間包括t1+t2+t3+t4+t5+t6，所以平均一次協(xié)議轉(zhuǎn)換時間不超過（t3+t4+t5+t6）/2，在本次測試中，平均轉(zhuǎn)換時間見表2。

表2 平均轉(zhuǎn)換時間（單位：ms）

從表2 可以看出，Modbus 耗時最長，這是因為Modbus 設(shè)備端對寄存器的讀寫是串行的，對設(shè)備的訪問相對較耗時間；MQTT 耗時最短，因為MQTT 寫完后并不需要等待返回數(shù)據(jù)因此相對速度較快。

4 結(jié)束語

本文提出的協(xié)議轉(zhuǎn)換方案優(yōu)點主要體現(xiàn)在五個方面：①Golang 語言開發(fā)，部署方便，并發(fā)效率高；②設(shè)備協(xié)議插件化，便于擴展新的設(shè)備協(xié)議；③利用多線程技術(shù)及設(shè)備描述文件虛擬化設(shè)備，系統(tǒng)適應(yīng)性強，響應(yīng)速度快；④系統(tǒng)采用RESTful API 接口和WebSocket 長連接設(shè)計，便于多種類型客戶端操作各類協(xié)議設(shè)備；⑤系統(tǒng)運行環(huán)境適應(yīng)性強，可運行于普通計算機平臺或樹莓派等嵌入式系統(tǒng)。