劉紅義，董丹丹，王海燕，趙樹立

（航天海鷹機電技術研究院有限公司，北京 100070）

0 引言

近年來，隨著城市快速發(fā)展，地下管線建設規(guī)模不足、管理水平不高等問題凸顯，我國城市正在面臨著各種地下管線問題的挑戰(zhàn)，因此，國家也越來越重視地下管線的綜合治理；同時，互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展也為解決此問題提供很大契機，智慧管網(wǎng)應運而生[1]。

對于智慧管網(wǎng)產(chǎn)業(yè)而言，一個項目中總是包括多個業(yè)務應用系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的解決方案中，各個系統(tǒng)獨立處理物聯(lián)感知設備的接入和數(shù)據(jù)包解析的工作[2]，一方面由于不同的應用系統(tǒng)可能使用同類的傳感設備數(shù)據(jù)，各系統(tǒng)自行設計接入邏輯，造成了開發(fā)工作的冗余性；另一方面，由于不同系統(tǒng)對傳感數(shù)據(jù)解析后封裝的數(shù)據(jù)格式可能不一致，給各個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享帶來了問題[3]。

因此設計統(tǒng)一的智慧管網(wǎng)物聯(lián)感知接入系統(tǒng)來解決以上問題。平臺系統(tǒng)需要能夠以較為統(tǒng)一的方式接入大量異構(gòu)的物聯(lián)感知終端設備，針對不同頻率發(fā)送來的傳感數(shù)據(jù)流進行解析和數(shù)據(jù)的封裝。并以標準的數(shù)據(jù)接口向各個業(yè)務應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)推送服務[4]。

通過設計本系統(tǒng)達到以下目的：

（1）統(tǒng)一化的設備管理：

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)各種設備的統(tǒng)一化管理，將各種設備（如RTU、傳感器、手持設備、精確定位標簽）進行廠家、安裝地點、安裝時間、狀態(tài)等基本信息的維護，各個設備間的關聯(lián)程度，設備的權屬單位、組織機構(gòu)的維護，設備的在線狀態(tài)、完好程度等狀態(tài)信息的統(tǒng)計等。

（2）可配置的設備接入與數(shù)據(jù)解析：

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)可配置的設備接入與數(shù)據(jù)解析功能。將各種不同的協(xié)議模式進行封裝處理，對需要新配置的協(xié)議可通過系統(tǒng)可視化的操作方式將各參數(shù)協(xié)議配置成功，以實現(xiàn)智能化的協(xié)議管理，簡化了協(xié)議解析程序的開發(fā)流程。

1 總體設計

1.1 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

平臺采用B/S架構(gòu)，適用于互聯(lián)網(wǎng)條件，配置應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和通信網(wǎng)關服務器。對性能、海量數(shù)據(jù)、容錯性以及擴展性有非常高的要求，所以在系統(tǒng)的架構(gòu)上采用分布式[5-9]。具有如下特點：

（1）請求分布式調(diào)度[10]；

（2）多結(jié)點分布式部署；

（3）雙重備份，熱切換；

整個系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖所示，包括四層，每一層可以由若干結(jié)點來對數(shù)據(jù)和請求分流：

終端連接到接入層通訊網(wǎng)關，通過訪問接口收發(fā)消息，消息經(jīng)匯聚層轉(zhuǎn)發(fā)至核心交換機，核心交換機通過防火墻將數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)中心和備份中心，應用服務器通過訪問數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)對外提供應用服務。

此外，系統(tǒng)所涉及到的網(wǎng)絡節(jié)點有部署在各類管線上的傳感器、匯集傳感器數(shù)據(jù)的 RTU設備和PLC設備和集中器。構(gòu)成局域網(wǎng)的各種路由設備和交換機以及服務器和客戶端機器。

傳感設備與匯集設備之間的通信方式可采用有線、和無線兩種類型。對于有線的通信方式，一般可采用RS-232或RS-485串口通信協(xié)議。對于無線的通信方式，一般可采用無線廣域網(wǎng)（3G、4G）、無線局域網(wǎng)（wifi）、和無線自組網(wǎng)等通信協(xié)議進行通信。

本系統(tǒng)中所有的匯集設備都會接入到互聯(lián)網(wǎng)中，匯集設備與接入系統(tǒng)之間的通信，在傳輸層只有UDP和TCP兩種選擇，而應用層的協(xié)議則依據(jù)匯集設備的類型和配置方式的不同而呈現(xiàn)出多種多樣的形式。由于ModBus系列協(xié)議在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域的廣泛應用，系統(tǒng)中所采用的應用層協(xié)議主要有ModBus TCP、ModBus RTU、直接TCP、直接UDP等幾種。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

接入系統(tǒng)分為基于B/S架構(gòu)的web管理系統(tǒng)和后臺接收網(wǎng)關兩個部分，系統(tǒng)的架構(gòu)圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture

與系統(tǒng)直接通信的設備有傳感數(shù)據(jù)匯集設備RTU、PLC等，以及直傳式傳感設備，這些設備經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)的傳輸層與接收網(wǎng)關進行通信。系統(tǒng)提供網(wǎng)關管理模型對各個專業(yè)設備的接收網(wǎng)關進行管理。接收網(wǎng)關運行時的配置數(shù)據(jù)來自協(xié)議模型，協(xié)議模型以及設備的原始協(xié)議由協(xié)議管理模塊進行管理。同時系統(tǒng)提供 web管理界面對設備進行管理。

2 物聯(lián)接入系統(tǒng)

系統(tǒng)包括 M2M 中間件和終端信息管理兩大核心組件。M2M中間件提供不同類型和廠家設備的協(xié)議適配、統(tǒng)一接入、數(shù)據(jù)解析和轉(zhuǎn)發(fā)服務，具有跨平臺、分布部署、高并發(fā)處理等特點；終端信息管理提供接入設備的基礎信息管理、設備狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)關狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)管理等服務，實現(xiàn)設備全生命周期過程可視化管理。物聯(lián)接入系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示[11-15]。

圖2 物聯(lián)感知中心架構(gòu)Fig.2 IOT center architecture

（1）上行網(wǎng)關

上行網(wǎng)關主要功能是提供專業(yè)設備、中控設備和手持設備的自有協(xié)議適配服務和采集狀態(tài)、位置、監(jiān)測指標、圖片、流媒體等數(shù)據(jù)的實時通信服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和指令下發(fā)。

①通信鏈路管理

TCP/UDP通信：實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議或UDP/IP通信連接，與支持 2G/3G/4G設備進行通信，根據(jù)設備的接入請求分配臨時IP地址，建立TCP/IP連接，接收設備的采集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令[16]。

SMS通信：實現(xiàn)SMS方式支持與聯(lián)通、移動、電信三大運營商設備進行通信，根據(jù)設備請求建立通信信道，接收設備上報數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令。

②認證鑒權管理

在接收到設備上發(fā)的信息后，對于本身具備鑒權碼的設備，分析其鑒權碼，根據(jù)鑒權碼和設備的對應關系，確定該設備是否為合法設備，只向合法設備提供接入服務，對非法連接設備予以丟棄，以避免應用系統(tǒng)接收非法信息。

③協(xié)議適配

建立終端設備協(xié)議庫，通過配置接入系統(tǒng)的終端通訊協(xié)議，實現(xiàn)協(xié)議適配，并根據(jù)協(xié)議規(guī)則將采集數(shù)據(jù)進行解析，分析報文內(nèi)容；對下傳的指令按照終端自有協(xié)議進行封裝。

（2）下行網(wǎng)關

下行網(wǎng)關提供信息路由服務和統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口，主要功能是將解析后的數(shù)據(jù)內(nèi)容向數(shù)據(jù)中心和應用系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)發(fā)。包括數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)訪問控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

下行網(wǎng)關采用兩級緩存的設計實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)的處理。終端設備將采集數(shù)據(jù)上傳至通信網(wǎng)關，經(jīng)解析后生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)存儲到一級緩存中，實時數(shù)據(jù)通過一級緩存，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務直接向上層提供實時數(shù)據(jù)；所有解析后的原始數(shù)據(jù)（實時和非實時），存儲至二級緩存。二級緩存一方面保證數(shù)據(jù)安全性，另一方面原始數(shù)據(jù)達到一定容量后，再進行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，提供數(shù)據(jù)訪問性能。其中：

◆ 數(shù)據(jù)預處理：對數(shù)據(jù)進行過濾、校驗、修正、合并等處理。

◆ 數(shù)據(jù)訪問控制：主要是對實時和非實時兩類數(shù)據(jù)的存儲和訪問控制。

◆ 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務[17]：通過 WebService服務方式提供數(shù)據(jù)訪問接口，供數(shù)據(jù)中心和應用系統(tǒng)調(diào)用。

（3）管理平臺

管理平臺包括終端信息管理、協(xié)議信息管理、終端注冊管理、終端參數(shù)配置、終端狀態(tài)管理、網(wǎng)關狀態(tài)管理、終端告警管理、終端控制管理、終端升級管理幾部分。

系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 可配置協(xié)議

在物聯(lián)接入系統(tǒng)的基礎上，進行協(xié)議的可配置改進，將各種不同的協(xié)議模式進行封裝處理，對需要新配置的協(xié)議可通過產(chǎn)品前臺的配置管理將各參數(shù)協(xié)議配置成功，以實現(xiàn)智能的網(wǎng)關管理，不再需要專業(yè)人員進行后臺協(xié)議解析程序的開發(fā)。

首先對協(xié)議進行可配置模板提取，通過可配置頁面對可配置參數(shù)進行配置，將此配置參數(shù)進行封裝處理，自動化的解析處理，達到一鍵可配置填充，協(xié)議自動化解析的目的。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System function structure diagram

可配置頁面如下所示：

圖4 下行網(wǎng)關配置頁面Fig.4 Downlink gateway configuration page

圖5 解析邏輯配置頁面Fig.5 Parse logic configuration page

圖6 上行網(wǎng)關配置Fig.6 Uplink gateway configuration

4 結(jié)論

本文給出了基于可配置協(xié)議的智慧管網(wǎng)的物聯(lián)接入系統(tǒng)的總體設計、功能特點、實現(xiàn)方式等。在智慧管網(wǎng)領域里，設備量眾多、專業(yè)分類較多（包含八大類管線：給水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視、工業(yè)），因此本系統(tǒng)（對大量設備、各類管線協(xié)議的管理）為智慧管網(wǎng)項目中的一個必不可少的環(huán)節(jié)。前端感知設備將數(shù)據(jù)進行采集、數(shù)據(jù)上傳，進入此系統(tǒng)，通過協(xié)議配置，達到協(xié)議解析、數(shù)據(jù)推送應用系統(tǒng)展示的作用，可以說此系統(tǒng)是應用層和感知設備層的通信環(huán)節(jié)，至關重要，此環(huán)節(jié)的提升對于整個智慧管網(wǎng)的系統(tǒng)開發(fā)具有十分可觀的價值。而基于可配置協(xié)議的智慧管網(wǎng)的物聯(lián)接入系統(tǒng)的研發(fā)，通過可配置頁面的操作即可快速實現(xiàn)協(xié)議配置、數(shù)據(jù)解析功能，縮短了開發(fā)周期，提升了代碼的復用性，減少人力開發(fā)成本，具有一定的現(xiàn)實意義。

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