淺談工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目架構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)施

 前言

早在1999年就已經(jīng)有了“物聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)概念，但是直到十年之后的2009年，IBM提出“智慧地球”的概念，才推動(dòng)很多國家把物聯(lián)網(wǎng)研究和發(fā)展提升到戰(zhàn)略層面。但是比較遺憾的是，直到現(xiàn)在的2015年，我國的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展依然主要靠政府項(xiàng)目來拉動(dòng)，所以現(xiàn)在的發(fā)展似乎前景越來越不明朗。

政府似乎意識(shí)到這是個(gè)問題，在一些互聯(lián)網(wǎng)公司的倡導(dǎo)和推動(dòng)下，提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念。雖然“互聯(lián)網(wǎng)+”和“物聯(lián)網(wǎng)”都是以網(wǎng)為主，但是發(fā)展的側(cè)重有了本質(zhì)區(qū)別。“互聯(lián)網(wǎng)+”是以互聯(lián)網(wǎng)為主，外圍智能模塊和傳感器為輔，構(gòu)建互聯(lián)生態(tài)。而“物聯(lián)網(wǎng)”卻是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)在傳感器數(shù)據(jù)采集，設(shè)備控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控為主。

但是現(xiàn)在很多互聯(lián)網(wǎng)公司，做的是“互聯(lián)網(wǎng)+“的事，卻以”物聯(lián)網(wǎng)“的名義來宣傳。所以現(xiàn)在的人越來越搞不清”物聯(lián)網(wǎng)“的真實(shí)定位了。

我一直認(rèn)為從技術(shù)角度來看，所謂“物聯(lián)網(wǎng)“就是傳統(tǒng)工控網(wǎng)的一個(gè)外延。傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場，考慮到生產(chǎn)安全，都是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。另外實(shí)施和維護(hù)的代價(jià)相對較高。而在互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)越來越完善的今天，在各個(gè)領(lǐng)域都有了遠(yuǎn)程測控的要求。比如目前比較典型的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控、森林防火監(jiān)控、魚塘監(jiān)測和養(yǎng)殖管理等等。

“互聯(lián)網(wǎng)+”和“物聯(lián)網(wǎng)”由于發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)不同，在做架構(gòu)設(shè)計(jì)上肯定有所不同。“互聯(lián)網(wǎng)+“的項(xiàng)目，其實(shí)更看重的是用戶數(shù)，通信數(shù)據(jù)流量，這是衡量一個(gè)”互聯(lián)網(wǎng)+“項(xiàng)目成功的標(biāo)志，當(dāng)然這是也是那些做云平臺(tái)為主的互聯(lián)網(wǎng)公司最看重的，用戶數(shù)和通信數(shù)據(jù)流量正是他們的利益點(diǎn)所在。

而以中小項(xiàng)目為主的“物聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目，其實(shí)更看重的，一是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運(yùn)行，因?yàn)橛行┍O(jiān)控點(diǎn)往往部署在人跡罕至的地方，系統(tǒng)的可靠性成為關(guān)鍵。二就是系統(tǒng)便于開發(fā)和維護(hù)，因?yàn)榛诓煌袠I(yè)，不同工藝需求的，很難開發(fā)出像民用領(lǐng)域的通用產(chǎn)品，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)整相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯和監(jiān)控畫面，所以是否易于開發(fā)很關(guān)鍵。當(dāng)然維護(hù)更為重要，因?yàn)槠I(yè)級(jí)的“物聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目一般設(shè)計(jì)至少是三年或更長的生命周期，所以項(xiàng)目維護(hù)難以避免，甚至系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)現(xiàn)場工藝的變更進(jìn)行變化，易于維護(hù)是“物聯(lián)網(wǎng)“項(xiàng)目一個(gè)不可或缺的要素。

由以上的說明，我們可以很清晰地了解，從技術(shù)角度來講，做“互聯(lián)網(wǎng)+”和“物聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目的架構(gòu)設(shè)計(jì)是有很大的不同，本篇文章主要介紹工業(yè)級(jí)“物聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目的架構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)施。

工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的概念和特色

由于筆者曾經(jīng)在傳統(tǒng)工控領(lǐng)域工作7年之久，所以理解“物聯(lián)網(wǎng)”更多是從工控的角度來考慮。所謂的工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)，不是工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)，而是具備工業(yè)領(lǐng)域的特色的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，比如農(nóng)、林、牧和漁業(yè)等領(lǐng)域的相關(guān)項(xiàng)目。和工業(yè)領(lǐng)域的項(xiàng)目不同，沒有那么龐大和要求嚴(yán)格，采集和監(jiān)控的數(shù)據(jù)也相對較少，對設(shè)備、及實(shí)施和維護(hù)的成本比較敏感，并且一般要求遠(yuǎn)程監(jiān)控。但是相同的要求是，設(shè)備要穩(wěn)定可靠，便于根據(jù)工藝要求調(diào)整控制策略，方便升級(jí)、擴(kuò)展，易于維護(hù)。

傳統(tǒng)工控項(xiàng)目，一般相對龐大，環(huán)節(jié)多，開發(fā)和實(shí)施周期都比較久，當(dāng)然項(xiàng)目的費(fèi)用也是相對高昂的。往往一個(gè)實(shí)施工控項(xiàng)目的公司，一年能做十幾個(gè)這樣的項(xiàng)目就已經(jīng)很繁忙了。而在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，由于互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施比較完善，云服務(wù)公司也是層出不窮，可以花最少的代價(jià)，相對快速的完成一些項(xiàng)目。

由于開發(fā)和實(shí)施的代價(jià)大大降低，所以可做的領(lǐng)域被大大拓寬了，形成了一個(gè)良性循環(huán)，做的越多，越可靠，也越便宜。越便宜，可做的項(xiàng)目也越來越多。

工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目架構(gòu)設(shè)計(jì)思想

了解了工業(yè)級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的一些特色，所以架構(gòu)設(shè)計(jì)方面就有了方向和思路。我們先從技術(shù)角度分析，當(dāng)前一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，從組成上來講，至少有三部分：一是設(shè)備端，二是云端(主要指公有云)，三是監(jiān)控端。

1. 設(shè)備端架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，工藝邏輯執(zhí)行及控制。

無論底層的設(shè)備數(shù)量有多少，通信協(xié)議有多復(fù)雜，考慮到項(xiàng)目安全等等因素，往往和云端通信，匯集在一個(gè)設(shè)備上，這樣的設(shè)備的角色往往是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，除了專門負(fù)責(zé)和云端進(jìn)行通信外，有時(shí)候也會(huì)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，執(zhí)行一些業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的代碼。 和云端通信有很多協(xié)議可選，常見的有基于HTTP協(xié)議的Get或Put方法，從服務(wù)器獲取一些設(shè)置及狀態(tài)，及向服務(wù)器推送采集到的數(shù)據(jù)。但是對數(shù)據(jù)量相對比較大，實(shí)時(shí)性要求高的，往往是直接的Socket TCP/UDP通信，這樣傳輸?shù)拇鷥r(jià)相對較低，但是對編程設(shè)計(jì)方面要求比較高。

由以上分析，從功能層面上分，設(shè)備端架構(gòu)一般可分三層，一是數(shù)據(jù)采集&控制輸出層;二是工藝流程執(zhí)行層;三是數(shù)據(jù)上傳&命令接收通信層。

2. 云端架構(gòu)設(shè)計(jì)

云端一般包含三部分：Web前臺(tái)+ Web后臺(tái)+中間件;

作為工業(yè)級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，Web前臺(tái)一般會(huì)顯示這幾部分內(nèi)容，一是工藝畫面，和現(xiàn)場實(shí)際的設(shè)備和工藝流程一一對應(yīng)，畫面可以實(shí)時(shí)反映工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行的情況。二是各種數(shù)據(jù)報(bào)表、曲線數(shù)據(jù)的保存、查詢和打印等。三是運(yùn)行日志，保存各種運(yùn)行情況，以備查詢。四是顯示系統(tǒng)診斷信息，便于系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時(shí)候，及時(shí)判斷問題所在。

Web后臺(tái)相對復(fù)雜一些，一般完成三部分內(nèi)容的工作，如果是設(shè)備端基于HTTP協(xié)議通信，往往需要處理Get和Put請求。由于前臺(tái)有實(shí)時(shí)畫面，所以Web后臺(tái)有時(shí)候也需要向前臺(tái)界面?zhèn)鬏攲?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，目前有些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是通過Web Socket協(xié)議進(jìn)行傳輸，也可以由專門的程序來處理。還有一部分功能比較重要，就是要建立設(shè)備數(shù)據(jù)和各種報(bào)表，曲線，日志的對應(yīng)關(guān)系，以便于適用盡可能多的現(xiàn)場。

在工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中，一般中間件必不可少，其主要功能就是負(fù)責(zé)和現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信，獲取數(shù)據(jù)或發(fā)送相關(guān)控制指令。此外還有一個(gè)比較重要的功能，由于中間件程序一般是作為系統(tǒng)的一個(gè)服務(wù)程序或普通應(yīng)用程序，生命周期較長，可以長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，可以處理一些相對復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)換算及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)。

3. 監(jiān)控端架構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控端一般包含PC、手機(jī)或平板監(jiān)控。

對一般項(xiàng)目而言，也許通過Web前臺(tái)就可以掌控一切了，但是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，如果對應(yīng)的手機(jī)或平板上沒有對應(yīng)的APP，那這個(gè)項(xiàng)目就感覺有了一個(gè)很大的缺憾。有了手機(jī)或平板APP，就可以身在任何地方，都可以相對方便的監(jiān)控現(xiàn)場。

從功能上劃分，架構(gòu)可以相對簡單的分為兩層，一就是UI界面顯示及操作層，二就是數(shù)據(jù)通信層，實(shí)現(xiàn)和服務(wù)器信息交互。

4. 小結(jié)

如果拋開其他一切因素，僅從技術(shù)角度來講，實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)大環(huán)節(jié)的功能，用什么系統(tǒng)平臺(tái)，任何開發(fā)語言都可以完成其預(yù)定的功能。但是所謂的架構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅僅從功能角度來設(shè)計(jì)整個(gè)的系統(tǒng)平臺(tái)，更多還要考慮其可靠性，擴(kuò)展性，維護(hù)性等幾個(gè)方面。

作為工業(yè)級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，大都是面向工、農(nóng)、牧、漁等具體行業(yè)，每種行業(yè)雖然從技術(shù)角度而言有很多類似的部分，但是從工藝流程角度又有很大的區(qū)別，所以針對具體的項(xiàng)目，進(jìn)行代碼調(diào)整及相關(guān)功能的擴(kuò)展及二次開發(fā)必不可少。但是面向一線的工程師往往技術(shù)水平及能力相對比較低，能否快速編寫出可靠、健壯的代碼顯的非常重要，畢竟每個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)施時(shí)間是有限的，但是同時(shí)項(xiàng)目要求也是比較高的。

另外一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，包含了嵌入式設(shè)備的開發(fā)、Web前后臺(tái)的開發(fā)、服務(wù)程序開發(fā)還有手機(jī)和平板程序開發(fā)，每一項(xiàng)從技術(shù)平臺(tái)上來說各種各樣，比如嵌入式設(shè)備，有微軟體系的Windows CE/XPE/.NET Micro Framework,有l(wèi)inux體系的嵌入式linux/uclinux等等，還有uCOSII/FreeRTOS/mbed OS等等實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，其開發(fā)工具，系統(tǒng)架構(gòu)各不相同，各有特色。手機(jī)和平板目前至少也有三種開發(fā)類型，一種是iOS開發(fā)，一種是安卓開發(fā)和windows 10 UWP通用程序開發(fā)等等。另外Web開發(fā)就更多了，這里就不一一舉例了。

所以如果在整體架構(gòu)設(shè)計(jì)中，每種部分都選用不同的技術(shù)路線，那么每一種技術(shù)路線，意味著都要有一個(gè)團(tuán)隊(duì)去開發(fā)，并且開發(fā)完畢后，還需要上下進(jìn)行溝通，以便于把整個(gè)項(xiàng)目有機(jī)地聯(lián)系在一起。

開發(fā)完畢后，更多的還有維護(hù)工作，不僅是開發(fā)團(tuán)隊(duì)的維護(hù)，更為重要的是現(xiàn)場維護(hù)，除了問題，如何及時(shí)定位，及時(shí)解決。針對如上問題，加上多年的現(xiàn)場實(shí)施和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，所以我更看重統(tǒng)一化和組態(tài)化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，下面我就講講我們是如何構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的。

物聯(lián)網(wǎng)通用中間件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)通用中間件開發(fā)平臺(tái)，所以著眼點(diǎn)并不是一兩個(gè)非常有行業(yè)特點(diǎn)的項(xiàng)目平臺(tái)，而是面向不同行業(yè)，不同具體應(yīng)用的二次開發(fā)平臺(tái)，更多考慮跨行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)通用部分及同一個(gè)運(yùn)行時(shí)平臺(tái)支持多個(gè)項(xiàng)目點(diǎn)的功能。

下面我們就設(shè)備端、云端中間件及物聯(lián)網(wǎng)通用平臺(tái)分別進(jìn)行介紹。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)嵌入式數(shù)據(jù)組態(tài)YFIOs架構(gòu)設(shè)計(jì)

在工控領(lǐng)域，組態(tài)軟件司空見慣。為什么很多工業(yè)項(xiàng)目采用組態(tài)軟件，原因主要有兩點(diǎn)，一是模塊化搭積木式的設(shè)計(jì)，技術(shù)門檻低，實(shí)施速度快，非常適合工控技術(shù)人員使用;二是可靠性非常高，由于模塊之間耦合性低，重用度高，并且每個(gè)模塊往往在不同項(xiàng)目現(xiàn)場，實(shí)際都得到過運(yùn)行考驗(yàn)，所以穩(wěn)定性自不待言。

YFIOs的設(shè)計(jì)思想就來源于標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)軟件，但是又具備了一些物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的功能特色

2. 物聯(lián)網(wǎng)云端中間件YFCloud架構(gòu)設(shè)計(jì)

云端YFCloud中間件平臺(tái)，可以說是完全脫胎于嵌入式Y(jié)FIOs，從圖2的架構(gòu)圖上就可以明顯看出，可以這樣說，YFIOs是一個(gè)“單機(jī)版”的數(shù)據(jù)組態(tài)平臺(tái)，而YFCloud是一個(gè)“網(wǎng)絡(luò)版”數(shù)據(jù)組態(tài)平臺(tái)。

YFCloud和YFIOs都可以運(yùn)行策略程序和創(chuàng)建IODB內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，不同的是YFCloud去掉了IODC內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，并且驅(qū)動(dòng)層簡化為一種，就是TCP/IP通信接口,每一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備，服務(wù)器都會(huì)分配一個(gè)Socket連接，登錄成功后，才能正常通信。如果設(shè)備30秒上傳數(shù)據(jù)無變化，則發(fā)送心跳信號(hào)，否則60秒無數(shù)據(jù)收到，服務(wù)器會(huì)主動(dòng)關(guān)閉連接。

物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目案例簡介

家庭遠(yuǎn)程健康監(jiān)控系統(tǒng)

這是比較早的一個(gè)案例了。設(shè)備外接血糖儀、血壓計(jì)、攝像頭、溫濕度模塊，內(nèi)部集成了RFID刷卡器及3G模塊。通過3G和遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行通信，用戶或醫(yī)生通過網(wǎng)頁查看相關(guān)信息，其中醫(yī)生還可以遠(yuǎn)程留言并發(fā)送到設(shè)備。采用組態(tài)式的架構(gòu)最大的好處就是， 由于每個(gè)家庭已有的血糖儀，可以根據(jù)對應(yīng)的傳感器型號(hào)，選擇不同的驅(qū)動(dòng)，可遠(yuǎn)程部署驅(qū)動(dòng)進(jìn)行適配。