通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)

通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)

摘要：介紹了通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)，對(duì)包括感知層的數(shù)據(jù)采集匯接設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)層的多協(xié)議中間件和應(yīng)用層的跨平臺(tái)管理系統(tǒng)軟件進(jìn)行了深入研究，給出了Siteview6200型C5IiotWare網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集匯接設(shè)備、nMedias中間件和iotWare物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件平臺(tái)的主要功能和應(yīng)用特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：

引言

作為第三次工業(yè)革命的代表,近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)得到迅速的發(fā)展,但是,也存在平臺(tái)多種多樣、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、缺乏創(chuàng)新等問(wèn)題，嚴(yán)重制約著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種自主創(chuàng)新的通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)。該平臺(tái)具有一定的技術(shù)先進(jìn)性、健壯性和通用性，能適應(yīng)廣泛的傳感節(jié)點(diǎn)和不同的行業(yè)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理，使物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更加普遍和靈活，提升我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，本文從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的角度，對(duì)通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行了深入研究，以便對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的行業(yè)整合提供一種思路和技術(shù)支撐。

1平臺(tái)概述

通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱C5IlotWare）是在物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的軟硬件相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)。該平臺(tái)主要包括以下三個(gè)部分：以嵌入式網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱uNOS）為核心的匯接設(shè)備（感知層）、以可管理式思想為設(shè)計(jì)理念的多協(xié)議中間件（以下簡(jiǎn)稱nMedias）（網(wǎng)絡(luò)層）和開(kāi)放的跨平臺(tái)應(yīng)用層軟件iotWare（應(yīng)用層）。整個(gè)平臺(tái)體現(xiàn)了一個(gè)（開(kāi)放式）架構(gòu)、二個(gè)（中間件和平臺(tái)技術(shù)）中心、三個(gè)（接口、通信和管理）標(biāo)準(zhǔn)和四個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理念（理論與實(shí)踐、學(xué)習(xí)與實(shí)施、體驗(yàn)與管理、仿真與設(shè)計(jì)）。該平臺(tái)基于云的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)云的布設(shè)和應(yīng)用，能適合多業(yè)務(wù)綜合管理、工業(yè)應(yīng)用和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。圖1所示是本物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)。

1.1硬件技術(shù)

C5IiotWare的硬件采用模塊化的接口設(shè)計(jì)，可支持熱插拔的CPU引擎和輕量級(jí)的嵌入式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)uNOS。它裁剪于軍用和工業(yè)設(shè)計(jì)的專業(yè)路由器及防火墻核心軟件，具有500ms啟動(dòng)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的能力，擁有128個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)端口支持和高性能Web服務(wù)器。

圖1  物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)

1.2軟件技術(shù)

整個(gè)C5IiotWare的軟件分布在三個(gè)層面上，即末端運(yùn)行的uNOS嵌入式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、多協(xié)議并發(fā)性高吞吐能力的中間件nMedias和一個(gè)類似于OpenView的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用操作平臺(tái)。其中，uNOS主要完成對(duì)感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和匯總,并提供數(shù)據(jù)仿真的功能；nMedias中間件軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和信息交互；iotWare軟件呈現(xiàn)感知設(shè)備或節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和歷史數(shù)據(jù)等。軟件全部采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，客戶端通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)云端數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的高容錯(cuò)性和高可靠性。軟件具有計(jì)算機(jī)連接訪問(wèn)密碼、用戶密碼、系統(tǒng)密碼、數(shù)據(jù)庫(kù)密碼和頁(yè)面密碼的保護(hù)和設(shè)定，可保證系統(tǒng)的安全性，能使所有傳感器、計(jì)算機(jī)、路由器、交換機(jī)、音頻/視頻、程序、物流、定位管理等在一個(gè)平臺(tái)界面上實(shí)現(xiàn)。

1.3軟/硬件一體機(jī)

將以上兩個(gè)云部件盡可能多地裝入“口袋”是對(duì)當(dāng)今強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)推廣應(yīng)用的一大創(chuàng)新和貢獻(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、專業(yè)學(xué)習(xí)與工程實(shí)施、項(xiàng)目體驗(yàn)與計(jì)劃管理、設(shè)備仿真與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高度集中和統(tǒng)一。“口袋”里裝入了128X32個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道采集設(shè)備和255個(gè)RS485連接接口以及系統(tǒng)軟件iotWare子集。這是通用型物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的濃縮版，可實(shí)現(xiàn)全方位工業(yè)環(huán)境、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的體驗(yàn)及商業(yè)環(huán)境的C5I應(yīng)用。

2通用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集匯接設(shè)備

Siteview6200是C5IiotWare網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集匯接設(shè)備，硬件采用模塊化的接口設(shè)計(jì)，包括抗電磁干擾的傳感器接口和抗黑客攻擊的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集接口，單一接口可實(shí)現(xiàn)模數(shù)混合、電壓電流制式異同共享能力，支持熱插拔的CPU引擎；設(shè)備運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)uNOS，可實(shí)現(xiàn)對(duì)感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和匯總，并提供數(shù)據(jù)仿真的功能。該操作系統(tǒng)軟件采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過(guò)Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便對(duì)感知節(jié)點(diǎn)的配置、監(jiān)視和管理，并且支持多用戶訪問(wèn)，擁有多層密碼認(rèn)證機(jī)制，支持TCP/UDP等多版本網(wǎng)管協(xié)議和自定義數(shù)據(jù)格式私有協(xié)議［7］。圖2所示是C5IiotWare網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集匯接設(shè)備的原理組成。

圖2  數(shù)據(jù)采集匯接設(shè)備的組成原理

Siteview6200擁有多種工作模式:既可作為數(shù)據(jù)采集終端,也可作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)；既可作為實(shí)際物理數(shù)據(jù)采集設(shè)備，也可作為真實(shí)全仿真器。當(dāng)運(yùn)行在仿真模式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最多128臺(tái)全設(shè)備仿真，而且只需一臺(tái)設(shè)備即可搭建一個(gè)微型的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。它的接口設(shè)計(jì)和相關(guān)參數(shù)如下:

一路10M/100M自適應(yīng)以太接口；

一路485接口,采用主/從方式，可作為級(jí)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)和終點(diǎn);

支持光電隔離的干節(jié)點(diǎn)輸入；

支持標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA或0~5V的模擬信號(hào)輸入；

支持?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)輸入；

最多可支持32路數(shù)據(jù)通道接口；

用戶可自定義數(shù)據(jù)通道的類型、閾值、測(cè)量范圍等參數(shù)；可提供開(kāi)放的軟件接口，方便與第三方軟件無(wú)縫集成；內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)管協(xié)議，可方便地集成到第三方管理系統(tǒng)。表1所列是Siteview6200的硬件參數(shù)。

3中間件

nMedias中間件介于感知設(shè)備和應(yīng)用層之間，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與前端感知設(shè)備的信息交互和管理，將采集到的海量原始感知信息參量數(shù)據(jù)歸一化并完成與上層核心系統(tǒng)模塊的復(fù)雜消息通信。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)集成、流程銜接、用戶互動(dòng)等事件，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式應(yīng)用操作平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的交互運(yùn)行。它具有高效的并發(fā)通信機(jī)制和高吞吐能力的特點(diǎn)，能夠支持多廠商、多設(shè)備、多樣性參量和多協(xié)議以及私有協(xié)議等。圖3所示是其中間件的功能。

圖3  中間件功能圖

nMedias中間件具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

利于面向?qū)ο蟮姆椒ń⑿畔⒛Ｐ停芾硇畔⒈欢x在被管理對(duì)象中；

提供廣泛的傳感設(shè)備支持并可以通過(guò)可擴(kuò)展的框架支持各種感知設(shè)備;

支持標(biāo)準(zhǔn)API接口，可與第三方設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)第三方設(shè)備的管理；

獨(dú)特的引擎設(shè)計(jì)技術(shù)提供強(qiáng)大的事件處理能力，將海量的傳感信息過(guò)濾、分組、關(guān)聯(lián)和聚合成透明的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),增強(qiáng)傳感數(shù)據(jù)的通透性和統(tǒng)一管理能力；

多線程機(jī)制，多線程設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；

支持標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)管協(xié)議和通信協(xié)議；

可遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用應(yīng)用于云平臺(tái)架構(gòu)；

高效的數(shù)據(jù)處理能力和資源管理能力；

確保應(yīng)用高的可用性和吞吐量。

4開(kāi)發(fā)式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用操作平臺(tái)

iotWare物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件平臺(tái)與硬件相結(jié)合，對(duì)感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理、存儲(chǔ)和呈現(xiàn)，對(duì)設(shè)備和通道的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理。系統(tǒng)采用模塊與分布式設(shè)計(jì)，能夠與不同行業(yè)具體任務(wù)相結(jié)合，完成各行業(yè)數(shù)據(jù)采集與管理平臺(tái)的搭建。該系統(tǒng)主要包括對(duì)設(shè)備進(jìn)行拓?fù)涔芾?、性能管理、?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、配置管理、故障管理、服務(wù)器管理、安全管理和3D拓展等八大管理系統(tǒng)，具體如下：

拓?fù)涔芾恚鹤詣?dòng)拓扌卜發(fā)現(xiàn)，設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)呈現(xiàn)和拓?fù)涔芾?

性能管理：歷史曲線、軌跡重播，同時(shí)段多設(shè)備采樣數(shù)據(jù)比較，3D階段運(yùn)行展現(xiàn)；

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)全通道數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，直觀的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖表曲線；

配置管理：網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行、管理、監(jiān)測(cè)環(huán)境的配置；

故障管理：運(yùn)行狀態(tài)或環(huán)境條件檢測(cè)、隔離校正，告警監(jiān)視，故障定位，查詢跟蹤；

服務(wù)器管理：展現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和關(guān)聯(lián)內(nèi)容，方便報(bào)表、數(shù)據(jù)挖掘、智能分析等眾多應(yīng)用；

安全管理:授權(quán)機(jī)制、訪問(wèn)控制、加密和密鑰管理與分發(fā),驗(yàn)證和安全日志；

3D拓展：虛擬現(xiàn)實(shí)3D環(huán)境，機(jī)房、機(jī)柜、設(shè)備的所有靜動(dòng)態(tài)參量可通過(guò)3D進(jìn)行交互。

圖4  物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)界面

圖4所示是iotWare物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件平臺(tái)的界面圖。該平臺(tái)具有下列優(yōu)點(diǎn)：

采用B/S架構(gòu)，無(wú)需安裝任何插件，只需瀏覽器便可遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理設(shè)備；

基于MVC的設(shè)計(jì)模式，采用模塊化設(shè)計(jì)和全部基于開(kāi)源的Apache、php、Java、JavaScript、Ajax和mysql技術(shù)，可跨平臺(tái)應(yīng)用；

基于通用網(wǎng)管的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)通用網(wǎng)絡(luò)管理的功能,滿足99.9%管理者的管理要求；

對(duì)第三方開(kāi)放，同時(shí)也可兼容第三方的軟件系統(tǒng)，方便軟件集成開(kāi)發(fā)，降低集成開(kāi)發(fā)成本。

5總結(jié)

C5IiotWare具有實(shí)時(shí)、兼容和自適應(yīng)的特點(diǎn)，將各種異構(gòu)的系統(tǒng)和分布式資源進(jìn)行整合，可以實(shí)現(xiàn)管、控、營(yíng)一體化，從而構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維系統(tǒng)。該平臺(tái)體現(xiàn)了C5I(Cloud,Communication,Command,Control,ComputersandInternet)的精神，可為建設(shè)低碳、智能、節(jié)約型社會(huì)提供技術(shù)支撐。

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