一、引言

目前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集作為智能制造和工業(yè)4.0的基礎(chǔ)，確保了前端感知的有效性，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析提供了必要輸入。然而，在實(shí)際操作中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集面臨著一系列挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)量龐大，隨著傳感器數(shù)量的增加，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)；數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題，工業(yè)環(huán)境中收集的數(shù)據(jù)往往是“臟”數(shù)據(jù)，需要在存儲(chǔ)前進(jìn)行規(guī)范化和清洗，以便能夠用于有效的分析；網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，多種工業(yè)協(xié)議并存，如ModBus、OPC、CAN、MQTT等，以及一些設(shè)備制造商開(kāi)發(fā)的私有協(xié)議。

設(shè)計(jì)云平臺(tái)結(jié)合邊緣計(jì)算模式為這些問(wèn)題提供方案，云平臺(tái)提供了集中式的數(shù)據(jù)處理和管理中心，可遠(yuǎn)程部署和多協(xié)議接入通道應(yīng)用于各地的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。邊緣計(jì)算支持大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，并可提供統(tǒng)一的接口供不同設(shè)備接入。

二、總體架構(gòu)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過(guò)各種通信技術(shù)如4G、Wi-Fi、LoRa等無(wú)線方式連接到云端平臺(tái)。當(dāng)這些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)時(shí)，不同設(shè)備存在不同的數(shù)據(jù)協(xié)議，例如Modbus、OPC UA、MQTT等。數(shù)據(jù)到達(dá)云平臺(tái)之后，在邊緣側(cè)進(jìn)行異步處理，邊緣計(jì)算對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、壓縮和聚合。圖1為云平臺(tái)加邊緣計(jì)算的方式進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入的總體架構(gòu)圖。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

（一）設(shè)備接入云平臺(tái)

為了提供安全、可控的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理空間，系統(tǒng)采用搭建云平臺(tái)的私有化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。為了確保各類設(shè)備能夠順暢地與私有云平臺(tái)進(jìn)行通信，平臺(tái)支持多種接入方式。設(shè)備端安置數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過(guò)4G或Wi-Fi提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接，完成電信號(hào)到數(shù)字信號(hào)成為數(shù)字報(bào)文通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到云平臺(tái)，云平臺(tái)在接收到設(shè)備端的數(shù)字信號(hào)后通過(guò)協(xié)議將其轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（二）設(shè)備數(shù)據(jù)采集方式

在數(shù)據(jù)采集方面，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常面臨三種主要的設(shè)備通信方式，每種都需要不同的處理和集成策略：

1.設(shè)備通信模塊直接通信：設(shè)備已經(jīng)嵌入了能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的硬件模塊，例如Wi-Fi、藍(lán)牙、4G、LoRa等。這些設(shè)備直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳和遠(yuǎn)程控制。設(shè)備自帶工業(yè)局域網(wǎng)通信接口，支持TCP/IP協(xié)議通信。在通信模塊里進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取后發(fā)送至云平臺(tái)服務(wù)器。

2.接入第三方通信模塊通信：舊式或低成本的設(shè)備沒(méi)有內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)連接功能，通過(guò)添加外部通信模塊來(lái)來(lái)橋接這些設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間的連接。例如，通過(guò)RS-232、RS-485等傳統(tǒng)串行通信方式，或通過(guò)Zigbee、Z-Wave等無(wú)線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄哂芯W(wǎng)絡(luò)功能的網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器。

（三）云平臺(tái)集群化

云平臺(tái)包括管理控制節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)通過(guò)靈活擴(kuò)展管理控制機(jī)、采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量或擴(kuò)容機(jī)器硬件配置實(shí)現(xiàn)采集處理能力靈活擴(kuò)展，目錄支持采用集群化部署，避免單點(diǎn)故障。 云平臺(tái)集群化總架構(gòu)圖如圖2所示。

（1）控制服務(wù)集群

管理控制服務(wù)在云平臺(tái)中通過(guò)多機(jī)負(fù)載分擔(dān)機(jī)制來(lái)確保任務(wù)的高效生成與調(diào)度。在這種架構(gòu)下，不同的管理控制節(jié)點(diǎn)共同承擔(dān)工作負(fù)荷，協(xié)同完成作業(yè)的生成和調(diào)度等關(guān)鍵任務(wù)。

（2）采集執(zhí)行服務(wù)集群

采集節(jié)點(diǎn)在云平臺(tái)中構(gòu)建起一個(gè)采集資源池，允許系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的資源分配和管理。通過(guò)采用先進(jìn)的負(fù)載均衡策略，采集任務(wù)可以在多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行智能分配，確保了任務(wù)的高效執(zhí)行和系統(tǒng)的最優(yōu)性能，服務(wù)端內(nèi)部采用中間件集群，其中包括Zookeeper、MySQL、Redis、Kafka等。

四、云端數(shù)據(jù)采集方式

云端數(shù)據(jù)采集方式主要包含云平臺(tái)主動(dòng)采集和設(shè)備主動(dòng)上報(bào)兩種場(chǎng)景。

（一）云平臺(tái)主動(dòng)采集

云平臺(tái)作為客戶端，主動(dòng)與連接的設(shè)備進(jìn)行交互。這種交互通常包括兩個(gè)方面：

請(qǐng)求設(shè)備數(shù)據(jù)：云平臺(tái)向設(shè)備發(fā)送指令，要求設(shè)備上報(bào)其運(yùn)行狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)或其他相關(guān)信息。

控制設(shè)備行為：云平臺(tái)向設(shè)備發(fā)送控制指令，以改變?cè)O(shè)備的行為或配置。這種控制是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)操作，也可以是復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整。

（二）設(shè)備主動(dòng)上報(bào)

設(shè)備主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)到云平臺(tái)過(guò)程涉及以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

1.設(shè)備初始化：設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的配置信息（如網(wǎng)絡(luò)地址、端口、協(xié)議等）準(zhǔn)備與云平臺(tái)建立連接。

2.建立連接：設(shè)備根據(jù)配置信息通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行與云平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)連接，如Wi-Fi、4G、LoRa等。

3.數(shù)據(jù)上報(bào)：設(shè)備按照預(yù)定的間隔或者在特定條件下，將收集的數(shù)據(jù)（如傳感器讀數(shù)、狀態(tài)信息等）上報(bào)給云平臺(tái)。

4.數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)安全地傳輸?shù)皆破脚_(tái)。這個(gè)過(guò)程中會(huì)使用加密技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)。

5.數(shù)據(jù)接收：云平臺(tái)上的服務(wù)接收到設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步處理。

6.數(shù)據(jù)解析：云平臺(tái)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化的信息。

7.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：解析后的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。

8.數(shù)據(jù)處理與分析：對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取有價(jià)值的信息，支持決策制定，或者觸發(fā)相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯。

五、結(jié)語(yǔ)

本文聚焦在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，特別是針對(duì)建筑行業(yè)中海量且多樣化的設(shè)備快速接入問(wèn)題進(jìn)行研究。核心解決方案采用了結(jié)合云平臺(tái)和邊緣計(jì)算的模式，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)在建筑領(lǐng)域中的特殊需求，如設(shè)備類型繁多、通信協(xié)議復(fù)雜、項(xiàng)目周期短暫、工地地理位置分散及人員流動(dòng)性大等挑戰(zhàn)。本研究的目的在于搭建一個(gè)靈活的接入系統(tǒng)，能夠同時(shí)支持多種設(shè)備類型或使用不同協(xié)議的設(shè)備快速接入網(wǎng)絡(luò)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院桶踩?，為建筑行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供一個(gè)全面的設(shè)備接入解決方案，推動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用普及。

作者單位： 中鐵四局集團(tuán)有限公司、安徽數(shù)智建造研究院有限公司

基金項(xiàng)目：建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究-B（編號(hào)：2022-重大專項(xiàng)-08）。