工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的研究與實現(xiàn)

劉清

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)領域的物聯(lián)網(wǎng)技術，是將工業(yè)領域的感知設備、控制終端設備、工業(yè)網(wǎng)絡設備以全球移動通信技術為基礎進行互聯(lián)互通。隨著新興技術在傳統(tǒng)工業(yè)領域的應用，當前融合了云平臺、邊緣計算、大數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術的新型工業(yè)生產(chǎn)模式，正促使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)向數(shù)字化、智能化快速轉(zhuǎn)變。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，實現(xiàn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全面轉(zhuǎn)換。

關鍵詞：通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)關設計;硬件設計;智能化改造

引言：網(wǎng)關的設計影響網(wǎng)絡節(jié)點的工作，在通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)關設計的影響更為明顯，應予以優(yōu)化。本文以通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計要求作為切入點，予以簡述，再以此為基礎，進行相關設計方法的論述，給出總體設計框架、硬件設計和軟件設計等內(nèi)容，論述其作業(yè)流程，服務后續(xù)工作。

1設備聯(lián)網(wǎng)的意義、挑戰(zhàn)及分析

1.1設備聯(lián)網(wǎng)的重要意義

設備聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)制造業(yè)企業(yè)實現(xiàn)信息化、數(shù)字化、智能化的關鍵，也是推進工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設的核心，通過設備聯(lián)網(wǎng)可推進企業(yè)在生產(chǎn)制造和運營等環(huán)節(jié)的有效管控，可實現(xiàn)設備優(yōu)化利用及預測性維護、企業(yè)領導決策、運營及營銷等工作提供全方面、多維度的依據(jù)和參考。在生產(chǎn)制造方面，一是實現(xiàn)設備資源共享，盤活企業(yè)設備資產(chǎn)，提升資產(chǎn)利用率;二是實現(xiàn)設備預測性維護，縮短設備宕機時間，降低設備故障給企業(yè)帶來的生產(chǎn)影響;三是利用在線分發(fā)和版本控制實現(xiàn)生產(chǎn)研發(fā)和制造管理協(xié)同，加速企業(yè)設計研發(fā)。在業(yè)務運營方面，一是實現(xiàn)企業(yè)設計、銷售等全生命周期的管控和提高生產(chǎn)運營效率，優(yōu)化生產(chǎn)流程及規(guī)避“接私活”隱患;二是結合物聯(lián)網(wǎng)的設備數(shù)據(jù)應用，賦能人力資源;三是實現(xiàn)遠程設備遠程診斷、故障處理，以及多人協(xié)同式操控;四是通過多維度設備相關數(shù)據(jù)采集和挖掘分析，實現(xiàn)精準營銷。

1.2設備聯(lián)網(wǎng)的問題和挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)技術在工業(yè)領域的應用已成為業(yè)內(nèi)焦點，但也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。一是平臺及工控安全不可控，針對紛繁復雜的網(wǎng)絡環(huán)境，還缺乏可行的安全解決方案有效防御和解除攻擊;二是平臺規(guī)范和標準不同統(tǒng)一，盡管工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺迎來了“百花齊放，百家爭鳴”的局面，但各自建設的API接口、業(yè)務系統(tǒng)、設備網(wǎng)關等互通共享難，開放性、可拓展性較差;三是設備和傳感器投入成本高，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中運行大量傳感器和、設備、網(wǎng)絡和存儲都是企業(yè)的消耗;四是設備和平臺請求及響應延時性比較高，用戶體驗較差，5G技術在硬件加速、平臺分布式、數(shù)據(jù)分布式等方面有一定普及和應用前景。

2通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的設計方案評測

2.1模擬實驗

為了解通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計的效果，建立模擬實驗進行評測，通過計算機建立實驗模型，利用參數(shù)調(diào)整法進行實驗分析。觀察指標為業(yè)務響應時間、有效連接建立時間、故障發(fā)生率。可變參數(shù)為單位時間業(yè)務總量，干擾等級以及信息存儲空間。為保證獲取線性實驗信息，其他影響參數(shù)均默認為零，創(chuàng)造理想實驗室環(huán)境進行實驗分析。

2.2實驗過程

實驗共分為三組，第一組保持干擾等級為低，信息存儲空間充足，分別設定單位時間業(yè)務總量為“低”、“中”、“高”，各進行50次實驗，第二組保持信息存儲空間充足，單位時間業(yè)務總量為低，分別干擾等級為“低”、“中”、“高”，各進行50次實驗，第三組保持保持干擾等級為低、單位時間業(yè)務總量為低，分別設定信息存儲空間為“充足”、“不足”，各進行50次實驗，觀察實驗過程中通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關是否能夠有效進行作業(yè)，記錄業(yè)務響應時間、有效連接建立時間、故障發(fā)生率。

2.3實驗結果

第一組實驗結果見表1：

從結果上看，在業(yè)務量較低、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關能在0.031s內(nèi)完成業(yè)務相應，并在0.042s內(nèi)完成關聯(lián)網(wǎng)絡鏈接，故障發(fā)生0次;在業(yè)務量中等、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關能在0.048s內(nèi)完成業(yè)務相應，并在0.081s內(nèi)完成關聯(lián)網(wǎng)絡鏈接，故障發(fā)生1次，占比2.0%，在業(yè)務量較高、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關能在0.432s內(nèi)完成業(yè)務相應，并在0.913s內(nèi)完成關聯(lián)網(wǎng)絡鏈接，故障發(fā)生6次，占比12.0%。這表明，單位時間內(nèi)業(yè)務量過大，網(wǎng)關無法完成快速處理，面臨故障和延遲風險。

第二組實驗結果見表：

從結果上看，在干擾等級較低、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關能在0.092s內(nèi)完成業(yè)務相應，并在0.138s內(nèi)完成關聯(lián)網(wǎng)絡鏈接，故障發(fā)生1次，占比2.0%;在干擾等級中等、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關能在0.866s內(nèi)完成業(yè)務相應，并在1.266s內(nèi)完成關聯(lián)網(wǎng)絡鏈接，故障發(fā)生7次，占比14.0%，在干擾等級較高、其他條件理想的情況下，通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關能在3.151s內(nèi)完成業(yè)務相應，并在5.074s內(nèi)完成關聯(lián)網(wǎng)絡鏈接，故障發(fā)生12次，占比24.0%。這表明，單位時間內(nèi)干擾等級過高，網(wǎng)關無法完成快速處理，面臨故障和延遲風險。

3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關軟件設計

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關軟件內(nèi)部功能模塊包括感知層設備管理、感知層數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)關管理、網(wǎng)絡管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、安全傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.1感知層設備管理

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關中建立感知層設備表，通過網(wǎng)絡接口實現(xiàn)對感知層設備的遠程通訊控制，實現(xiàn)對感知層設備進行實時在線診斷、配置、調(diào)試和升級。

3.2感知層數(shù)據(jù)管理

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關對感知層數(shù)據(jù)進行采集、分析、存儲和傳輸。在對感知層設備表中的設備進行采集時，監(jiān)測設備報警狀態(tài)、上線時間、掉線時間、持續(xù)運行時間;分析采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多層級報警、異常聯(lián)動控制;采用多索引映射技術對各種感知層數(shù)據(jù)進行分類存儲;傳輸數(shù)據(jù)包括實時報警狀態(tài)數(shù)據(jù)，主動上傳應用層網(wǎng)絡。應用層網(wǎng)絡也可以通過網(wǎng)絡協(xié)議訪問工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關數(shù)據(jù)存儲表。

3.3網(wǎng)關管理

對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關采用客戶端軟件進行配置，采用權限認證機制訪問網(wǎng)關，非授權用戶不得訪問;在網(wǎng)關中設計用戶權限管理機制，分為管理員（最高權限）、一級用戶（安裝調(diào)試人員）、二級用戶（只讀）三個層級進行管理;網(wǎng)關系統(tǒng)參數(shù)、網(wǎng)絡參數(shù)、感知層設備表參數(shù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換參數(shù)、數(shù)據(jù)映射參數(shù)進行分類存儲;通過客戶端可實現(xiàn)網(wǎng)關遠程固件更新。

3.4網(wǎng)絡管理

通過FTP、SSH/TELNET、Webserver和SNMP等方式對設備運行狀態(tài)和網(wǎng)絡資源進行配置、測試、分析、監(jiān)視、評價、控制。

3.5協(xié)議轉(zhuǎn)換

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關中集成通用的短距離通信協(xié)議，能覆蓋大部分工業(yè)領域的感知層設備，為感知網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的封裝，保證不同的協(xié)議能夠抽象成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀，通過上行通信接口上傳至應用服務器端;應用服務器端數(shù)據(jù)，通過通用的工控協(xié)議、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將數(shù)據(jù)下發(fā)給工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，網(wǎng)關通過協(xié)議解析，將數(shù)據(jù)幀拆解并重新組合成感知層網(wǎng)絡能識別的數(shù)據(jù)幀，通過下行通信接口進行下發(fā)。

3.6 安全傳輸

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關基于TCP/IP協(xié)議通信技術通信，網(wǎng)絡安全對整個系統(tǒng)的安全起著至關重要的作用。為保證網(wǎng)絡通信安全傳輸，設計采用openssl和iptable保證通信安全。

結語：本文提供了一種感知層設備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的解決方案。文中設計的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，實現(xiàn)了工業(yè)領域的感知層設備協(xié)議兼容、實現(xiàn)了物理環(huán)境的監(jiān)測和控制。為應用層屏蔽感知層網(wǎng)絡差異提供了一種新的解決方案。

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