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

摘要：介紹了通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的技術(shù)架構(gòu)，對包括感知層的數(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)用軟件平臺的主要功能和應(yīng)用特點。

關(guān)鍵詞：

引言

作為第三次工業(yè)革命的代表,近年來，物聯(lián)網(wǎng)得到迅速的發(fā)展,但是,也存在平臺多種多樣、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、缺乏創(chuàng)新等問題，嚴(yán)重制約著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。針對以上問題，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。該平臺具有一定的技術(shù)先進(jìn)性、健壯性和通用性，能適應(yīng)廣泛的傳感節(jié)點和不同的行業(yè)應(yīng)用，可實現(xiàn)對網(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，提升我國在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的競爭力。同時，本文從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的角度，對通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行了深入研究，以便對物聯(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平臺概述

通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺（以下簡稱C5IlotWare）是在物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計的軟硬件相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺。該平臺主要包括以下三個部分：以嵌入式網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（以下簡稱uNOS）為核心的匯接設(shè)備（感知層）、以可管理式思想為設(shè)計理念的多協(xié)議中間件（以下簡稱nMedias）（網(wǎng)絡(luò)層）和開放的跨平臺應(yīng)用層軟件iotWare（應(yīng)用層）。整個平臺體現(xiàn)了一個（開放式）架構(gòu)、二個（中間件和平臺技術(shù)）中心、三個（接口、通信和管理）標(biāo)準(zhǔn)和四個統(tǒng)一的設(shè)計理念（理論與實踐、學(xué)習(xí)與實施、體驗與管理、仿真與設(shè)計）。該平臺基于云的系統(tǒng)，可實現(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)場環(huán)境。圖1所示是本物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的技術(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，可支持熱插拔的CPU引擎和輕量級的嵌入式實時網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)uNOS。它裁剪于軍用和工業(yè)設(shè)計的專業(yè)路由器及防火墻核心軟件，具有500ms啟動系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的能力，擁有128個虛擬網(wǎng)絡(luò)端口支持和高性能Web服務(wù)器。

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

1.2軟件技術(shù)

整個C5IiotWare的軟件分布在三個層面上，即末端運行的uNOS嵌入式實時網(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和一個類似于OpenView的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用操作平臺。其中，uNOS主要完成對感知節(jié)點數(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)點的實時狀態(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，客戶端通過瀏覽器訪問云端數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的高容錯性和高可靠性。軟件具有計算機(jī)連接訪問密碼、用戶密碼、系統(tǒng)密碼、數(shù)據(jù)庫密碼和頁面密碼的保護(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、定位管理等在一個平臺界面上實現(xiàn)。

1.3軟/硬件一體機(jī)

將以上兩個云部件盡可能多地裝入“口袋”是對當(dāng)今強大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計推廣應(yīng)用的一大創(chuàng)新和貢獻(xiàn)，可實現(xiàn)基礎(chǔ)理論與實驗實踐、專業(yè)學(xué)習(xí)與工程實施、項目體驗與計劃管理、設(shè)備仿真與產(chǎn)品設(shè)計的高度集中和統(tǒng)一?！翱诖崩镅b入了128X32個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道采集設(shè)備和255個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)綜合信息管理平臺的濃縮版，可實現(xiàn)全方位工業(yè)環(huán)境、戰(zhàn)場環(huán)境的體驗及商業(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，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)備運行嵌入式實時網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)uNOS，可實現(xiàn)對感知節(jié)點數(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，可通過Web服務(wù)器實現(xiàn)人機(jī)交互，方便對感知節(jié)點的配置、監(jiān)視和管理，并且支持多用戶訪問，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；既可作為實際物理數(shù)據(jù)采集設(shè)備，也可作為真實全仿真器。當(dāng)運行在仿真模式時，可實現(xiàn)最多128臺全設(shè)備仿真，而且只需一臺設(shè)備即可搭建一個微型的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。它的接口設(shè)計和相關(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，可作為級聯(lián)的節(jié)點和終點;

支持光電隔離的干節(jié)點輸入；

支持標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA或0~5V的模擬信號輸入；

支持?jǐn)?shù)據(jù)信號輸入；

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、測量范圍等參數(shù)；可提供開放的軟件接口，方便與第三方軟件無縫集成；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。通過網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)集成、流程銜接、用戶互動等事件，實現(xiàn)開放式應(yīng)用操作平臺和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的交互運行。它具有高效的并發(fā)通信機(jī)制和高吞吐能力的特點，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特點：

利于面向?qū)ο蟮姆椒ń⑿畔⒛Ｐ?，管理信息被定義在被管理對象中；

提供廣泛的傳感設(shè)備支持并可以通過可擴(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，實現(xiàn)對第三方設(shè)備的管理；

獨特的引擎設(shè)計技術(shù)提供強大的事件處理能力，將海量的傳感信息過濾、分組、關(guān)聯(lián)和聚合成透明的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),增強傳感數(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，實時性強；

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)程過程調(diào)用應(yīng)用于云平臺架構(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開發(fā)式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用操作平臺

iotWare物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件平臺與硬件相結(jié)合，對感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理、存儲和呈現(xiàn)，對設(shè)備和通道的狀態(tài)信息進(jìn)行實時監(jiān)控和處理。系統(tǒng)采用模塊與分布式設(shè)計，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)采集與管理平臺的搭建。該系統(tǒng)主要包括對設(shè)備進(jìn)行拓?fù)涔芾?、性能管理、實時監(jiān)測、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)涔芾恚鹤詣油剞胁钒l(fā)現(xiàn)，設(shè)備實時狀態(tài)呈現(xiàn)和拓?fù)涔芾?

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

實時監(jiān)測：實時全通道數(shù)據(jù)監(jiān)測，直觀的動態(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)庫運行、管理、監(jiān)測環(huán)境的配置；

故障管理：運行狀態(tài)或環(huán)境條件檢測、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)計和關(guān)聯(lián)內(nèi)容，方便報表、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、訪問控制、加密和密鑰管理與分發(fā),驗證和安全日志；

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

圖4  物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺界面

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

采用B/S架構(gòu)，無需安裝任何插件，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)計模式，采用模塊化設(shè)計和全部基于開源的Apache、php、Java、JavaScript、Ajax和mysql技術(shù)，可跨平臺應(yīng)用；

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

對第三方開放，同時也可兼容第三方的軟件系統(tǒng)，方便軟件集成開發(fā)，降低集成開發(fā)成本。

5總結(jié)

C5IiotWare具有實時、兼容和自適應(yīng)的特點，將各種異構(gòu)的系統(tǒng)和分布式資源進(jìn)行整合，可以實現(xiàn)管、控、營一體化，從而構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)運維系統(tǒng)。該平臺體現(xiàn)了C5I(Cloud,Communication,Command,Control,ComputersandInternet)的精神，可為建設(shè)低碳、智能、節(jié)約型社會提供技術(shù)支撐。

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