工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)及實現(xiàn)

史運濤 董廣亮 雷振伍

(北方工業(yè)大學電氣與控制工程學院 北京 100144) (現(xiàn)場總線技術(shù)與自動化北京市重點實驗室 北京 100144)

0 引 言

近年來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展日趨成熟，它融合了先進制造技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù),實現(xiàn)制造需求和社會化資源的高質(zhì)高效對接, 是一種新型的網(wǎng)絡(luò)化制造服務(wù)模式,是工業(yè)互聯(lián)的信息中樞,是制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]。因此，以底層工業(yè)設(shè)備為基礎(chǔ)，與云平臺對接融合，打造自動化運營技術(shù)(Operation Technology，OT)層與信息技術(shù)(Information Technology, IT)層融合的“云+端”架構(gòu)將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的方向，而云網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)上述融合的關(guān)鍵。但是，工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)具有協(xié)議復(fù)雜、實時可靠性要求高、安全加密難等特點[3]，目前還沒有一個通用的云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)來解決OT與IT數(shù)據(jù)融合問題。

首先，在工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)方面，傳統(tǒng)的工業(yè)傳感器系統(tǒng)具有協(xié)議復(fù)雜、互相兼容性差等問題，難以實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)向云端的統(tǒng)一上傳。近年來，國內(nèi)外學者在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)解析及協(xié)議轉(zhuǎn)換方面進行了大量的研究，其中以Zigbee為代表的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集及協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集、解析、傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺的問題[4-6]。文獻[7]提出一種基于開源架構(gòu)的多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)平臺，但是這一研究方向還局限在解決傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)解析與傳輸問題，難以解決于工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)上云問題；另一類研究方向是針對特定的工業(yè)通信協(xié)議間的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)解析問題[8-10]，但是這類研究還停留在傳統(tǒng)工業(yè)自動化的層面，沒有考慮不同的工業(yè)協(xié)議與云平臺的互通問題。

在網(wǎng)關(guān)的實時可靠性方面，文獻[11]提出了一種基于μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案，但是μC/OSII系統(tǒng)面向的是可靠性要求低且數(shù)據(jù)量有限的小型數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備[12]，因此難以滿足高并發(fā)狀態(tài)的多協(xié)議工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)需求。文獻[13]提出一種融入緩存機制的任務(wù)卸載策略，它只適用于下行控制場景，并不適用于數(shù)據(jù)實時采集傳輸。文獻[14]利用FPGA技術(shù)實現(xiàn)下位機數(shù)據(jù)的快速采集，并將采集的部分數(shù)據(jù)傳輸至ARM處理器對數(shù)據(jù)進行進一步處理，但是該技術(shù)不能解決多種協(xié)議設(shè)備接入時的數(shù)據(jù)并發(fā)問題，處理性能也不滿足實時協(xié)議轉(zhuǎn)換的需求，也沒有考慮通信故障時可能發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失問題。

在網(wǎng)關(guān)安全性方面，相關(guān)的研究成果尚處于初步研究階段，大部分研究成果較少考慮云網(wǎng)關(guān)的安全性問題[15]。由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺和云端的開放性，工業(yè)數(shù)據(jù)一旦在與云平臺交互過程中被破壞或者篡改，將會帶來嚴重的安全風險。因此，云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的數(shù)據(jù)安全性問題是研究重點與難點。文獻[16-17]通過區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)庫來保證數(shù)據(jù)存儲的安全性，但數(shù)據(jù)采集傳輸過程的安全性沒有考慮。文獻[18]提出一種針對局域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全模型，可以增強數(shù)據(jù)保密性及完整性，但是該模型沒有涉及數(shù)據(jù)上云過程的安全傳輸問題。有一些研究利用SM4加密算法提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹19-22], 但是SM4密鑰擴展算法與加密算法具有結(jié)構(gòu)相似性,輪密鑰生成算法參數(shù)具有固定性, 這些特性都會導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)安全性的降低[23]。文獻[24]提出一種改進的SM4加密算法，提高了數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性，但是該算法需要GPU提供并行計算能力支持，并不適合應(yīng)用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)的相關(guān)場景中。

綜上所述，研究集多協(xié)議數(shù)據(jù)解析、實時可靠性、安全性于一體的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)是當前學術(shù)研究的前沿問題。本文提出一種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)。首先，針對傳輸協(xié)議復(fù)雜多樣的異構(gòu)性，特別是針對缺乏規(guī)范的工業(yè)設(shè)備和云平臺之間通信協(xié)議標準問題，提出一種數(shù)據(jù)采集及協(xié)議轉(zhuǎn)換方法，該方法一方面通過工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線、工業(yè)無線接入不同現(xiàn)場設(shè)備，通過協(xié)議解析兼容不同的工業(yè)通信協(xié)議實現(xiàn)底層設(shè)備數(shù)據(jù)的接入；另一方面將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有物聯(lián)網(wǎng)標準的消息隊列遙測傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式(MQTT協(xié)議)，利用Wi-Fi、NB-IoT、以太網(wǎng)等通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到云平臺。同時，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)不同協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。其次，針對協(xié)議轉(zhuǎn)換中的實時可靠問題，提出一種具有斷點續(xù)傳能力的快速處理并發(fā)任務(wù)的異步處理機制，通過斷點續(xù)傳機制來保證數(shù)據(jù)的完整性，異步處理機制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。最后，在保證實時可靠的基礎(chǔ)上，提出一種三層加密方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高安全性傳輸，這種加密機制分別從網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層三個層面設(shè)計了相應(yīng)的算法解決數(shù)據(jù)安全性問題。同時，本文在軟硬件上實現(xiàn)了上述云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)并進行了相關(guān)的實驗。

1 基于云網(wǎng)關(guān)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是指具有感知、傳輸計算等功能的云端一體化智能系統(tǒng)，是工業(yè)數(shù)據(jù)、硬件、軟件相互融合的基礎(chǔ)設(shè)施。底層的工業(yè)設(shè)備具有異構(gòu)性強、耦合度高、通信協(xié)議紛雜、可擴展性差等問題，導(dǎo)致云端的應(yīng)用難以快速整合協(xié)議紛雜的物理設(shè)備數(shù)據(jù)。而云網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)底層設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸、云端數(shù)據(jù)處理分析的核心設(shè)備，是解決上述問題的關(guān)鍵?；谠凭W(wǎng)關(guān)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于云網(wǎng)關(guān)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

本文提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)在OT層通過多協(xié)議采集解析設(shè)備的各種通信協(xié)議，為IT層面的數(shù)據(jù)分析與場景應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源；IT層面通過MQTT實現(xiàn)多協(xié)議數(shù)據(jù)的協(xié)議統(tǒng)一；利用Wi-Fi、NB-IoT、以太網(wǎng)等通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到云平臺。

2 云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

本文提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)如圖2所示。在協(xié)議轉(zhuǎn)換層，將OT網(wǎng)絡(luò)層復(fù)雜的設(shè)備協(xié)議解析并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的上云接口；在實時可靠性方面，提供了數(shù)據(jù)緩存能力保證數(shù)據(jù)不丟失，同時利用非阻塞通信和斷點續(xù)傳方法保證數(shù)據(jù)的可靠性；在安全加密方面，分別實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層的加密機制。

圖2 云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

2.1 多協(xié)議轉(zhuǎn)換

本文所述的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)提出一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換模型如圖3所示。該多協(xié)議轉(zhuǎn)換模型可以解析數(shù)據(jù)類型各異、通信標準不統(tǒng)一的工業(yè)協(xié)議，并且能夠?qū)⒔馕龅墓I(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一上云的數(shù)據(jù)格式。同時，通過MQTT可以實現(xiàn)不同協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

圖3 多協(xié)議轉(zhuǎn)換模型

具體來說，該多協(xié)議轉(zhuǎn)換模型通過數(shù)據(jù)接口接入不同工業(yè)設(shè)備，通過協(xié)議解析單元解析并讀取不同的工業(yè)通信協(xié)議，實現(xiàn)底層設(shè)備數(shù)據(jù)的接入并將多協(xié)議數(shù)據(jù)放入異步緩存區(qū)等待協(xié)議轉(zhuǎn)換。其次，需要將上述緩存區(qū)多協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有物聯(lián)網(wǎng)標準的消息隊列遙測傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式(MQTT協(xié)議)，并統(tǒng)一成標準數(shù)據(jù)格式，利用Wi-Fi、NB-IoT、以太網(wǎng)等通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到云平臺。

2.2 實時可靠性

針對多協(xié)議數(shù)據(jù)解析與傳輸?shù)膶崟r性問題，本云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)提出能快速處理并發(fā)任務(wù)的異步任務(wù)處理機制，該機制可支持實時任務(wù)處理和任務(wù)調(diào)度，可用來處理分布式任務(wù)隊列，以保證數(shù)據(jù)處理的實時性。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理如下：利用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫讀寫數(shù)據(jù)的高效率特性，把內(nèi)存數(shù)據(jù)庫作為任務(wù)隊列即協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)的中間件，把網(wǎng)關(guān)要處理的多協(xié)議工業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)的數(shù)據(jù)緩存到異步任務(wù)隊列；通過異步任務(wù)調(diào)度機制將多個協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)分發(fā)給多個Worker并行處理，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)。Worker協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)執(zhí)行完成后，將處理好的數(shù)據(jù)存儲在任務(wù)結(jié)果緩存單元，等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫恕Ｔ凭W(wǎng)關(guān)架構(gòu)的實時傳輸機制如圖4所示。

圖4 實時性傳輸機制

在可靠性方面，為了解決數(shù)據(jù)上云傳輸過程中可能會出現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)與云端通信異常問題，通過設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸故障檢測機制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳功能，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛿?shù)據(jù)的連續(xù)性。云網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)斷點續(xù)傳流程如圖5所示。

圖5 斷點續(xù)傳流程

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，為防止出現(xiàn)假連接，網(wǎng)關(guān)定時向云端發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包并監(jiān)測連接的狀態(tài)，一旦連接斷開則重新建立連接。在網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸異常斷開故障(如網(wǎng)絡(luò)異常斷開)時，即網(wǎng)關(guān)檢測到該節(jié)點數(shù)據(jù)上云通道已經(jīng)意外離線后，立即采取斷點續(xù)傳，將數(shù)據(jù)包存儲在網(wǎng)關(guān)本地數(shù)據(jù)庫中，待連接恢復(fù)之后，將數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)包上傳給云端數(shù)據(jù)中心。這樣當網(wǎng)關(guān)與云端數(shù)據(jù)中心通信有異常時，不會造成重要數(shù)據(jù)的丟失，當通信恢復(fù)正常時即可將這段緩存的數(shù)據(jù)補傳到上方設(shè)備，保證數(shù)據(jù)的完整性。

2.3 安全性

在數(shù)據(jù)的安全性方面，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層三個層面的安全保障機制，在考慮安全性的同時兼顧數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性不受影響，解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詥栴}，加密方法如圖6所示。

圖6 三層加密機制

網(wǎng)絡(luò)層。MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺的過程中，通過加密隧道技術(shù)實現(xiàn)智能云網(wǎng)關(guān)與所述云平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

傳輸層。采用非對稱加密握手機制來交換對稱加密密鑰，進行客戶端到服務(wù)器的身份認證，在身份認證通過后，使用對稱算法生成對稱密鑰，并利用對稱密鑰加密所述MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)，用非對稱公鑰對所述對稱密鑰進行非對稱加密；將加密后的MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)和對稱密鑰傳送至云平臺，以供所述云平臺利用非對稱私鑰解密得到所述對稱密鑰，并利用所述對稱密鑰對所述MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)進行解密。

應(yīng)用層。在傳輸層建立連接后，通過用戶名和密碼, MQTT服務(wù)端能夠?qū)λ蠱QTT客戶端進行鑒權(quán)，采用通用唯一識別碼實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備身份認證，兩者配合實現(xiàn)所述云平臺對所述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)的權(quán)限校驗；同時在應(yīng)用層對消息體進行加密，避免數(shù)據(jù)在MQTT broker被破解，消息體加密機制如圖7所示。

圖7 消息體加密機制

在網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、傳輸層分別采用輕量級的加密或者認證方式，避免了高復(fù)雜加密算法對GPU計算資源的依賴，這種加密架構(gòu)不僅保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，還兼顧數(shù)據(jù)實時性不受影響。

3 云網(wǎng)關(guān)軟硬件的實現(xiàn)

本節(jié)根據(jù)所提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)實現(xiàn)了云網(wǎng)關(guān)實例。該網(wǎng)關(guān)負責適配不同的工業(yè)設(shè)備、不同工業(yè)協(xié)議接入云平臺，實現(xiàn)了物理設(shè)備和云平臺的橋接；并具備相應(yīng)的管理和安全功能，在指定訪問權(quán)限下能夠配置、更新網(wǎng)關(guān)接入的設(shè)備信息。

3.1 硬件設(shè)計

本文由樹莓派和網(wǎng)關(guān)擴展板實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)。樹莓派基于Linux操作系統(tǒng)，提供Wi-Fi、以太網(wǎng)等通信接口；網(wǎng)關(guān)擴展板設(shè)計有NB-IoT通信模塊、時鐘保持單元和供電模塊，分別實現(xiàn)通信、時鐘和供電功能。NB-IoT通信模塊選用高新興物聯(lián)網(wǎng)科技的ME3136模組，通過串口與樹莓派實現(xiàn)通信功能。時鐘保持單元選擇DS1302模塊，使能引腳(CE)、數(shù)據(jù)引腳(I/O)、時鐘引腳(SCLK)分別與樹莓派對應(yīng)引腳連接，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)時鐘功能。供電模塊為網(wǎng)關(guān)各部分提供所需電壓。云網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)和實物分別如圖8、圖9所示。

圖8 云網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

圖9 云網(wǎng)關(guān)實物圖

云網(wǎng)關(guān)與工業(yè)設(shè)備之間通過Wi-Fi、以太網(wǎng)模式連接到不同工業(yè)設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的匯聚、協(xié)議解析、協(xié)議轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)處理好的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi、以太網(wǎng)、NB-IoT等多種模式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備與云平臺的通信。

3.2 軟件設(shè)計

軟件方面采用Python和Flask搭建網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，開發(fā)網(wǎng)關(guān)功能軟件，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備多協(xié)議數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)上云傳輸及斷點續(xù)傳。本網(wǎng)關(guān)采用Tornado Web服務(wù)器與Flask Web服務(wù)器相結(jié)合的B/S架構(gòu)開發(fā)，結(jié)合Tornado服務(wù)器的并發(fā)處理能力與異步特性和Flask微架構(gòu)的可擴展性為一體實現(xiàn)非阻塞性能；同時采用Celery和內(nèi)存數(shù)據(jù)庫Redis管理分布式任務(wù)隊列，對多協(xié)議數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換進行實時調(diào)度，所有的復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯處理、數(shù)據(jù)庫操作、IO等各種耗時的同步任務(wù)由Celery Worker處理，待這個任務(wù)隊列異步處理完后，再返回給Tornado。因此只要保證Tornado和Celery的交互是異步的，網(wǎng)關(guān)的整個多協(xié)議數(shù)據(jù)采集與協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)便實現(xiàn)了完全異步。基于以上軟件技術(shù)架構(gòu)開發(fā)的云網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)功能如圖10所示。

圖10 云網(wǎng)關(guān)功能結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)中，包括MQTT Client、工業(yè)協(xié)議驅(qū)動程序(OPC UA協(xié)議、Modbus協(xié)議、西門子S7協(xié)議)和其他功能，主要任務(wù)是完成工業(yè)數(shù)據(jù)與MQTT數(shù)據(jù)之間的雙向傳輸和根據(jù)相關(guān)協(xié)議進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議與云平臺進行交互。協(xié)議參數(shù)配置模塊負責工業(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)的接入?yún)?shù)配置，數(shù)據(jù)解析模塊負責對上行和下行的數(shù)據(jù)進行標準和格式的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)日志模塊負責對云網(wǎng)關(guān)運行過程中的動作進行記錄，數(shù)據(jù)同步模塊負責數(shù)據(jù)的本地備份存儲。開發(fā)完成的網(wǎng)關(guān)軟件運行界面如圖11所示。

圖11 云網(wǎng)關(guān)軟件運行界面

4 實驗驗證

本文以過程控制平臺工業(yè)實驗場景為例，基于所提出的云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)和軟硬件原型設(shè)計了相應(yīng)實驗，驗證了云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的有效性。實驗環(huán)境如圖12所示，在OT層采用了模擬實際工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的過程控制實驗平臺，IT層選用百度天工平臺，通過云網(wǎng)關(guān)連接OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)層搭建通信實驗場景。整個場景由工業(yè)局域網(wǎng)、運營商通信網(wǎng)和工業(yè)云平臺網(wǎng)絡(luò)組成，工業(yè)局域網(wǎng)與工業(yè)云平臺網(wǎng)絡(luò)通過云網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)互聯(lián)互通。

圖12 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)驗證實驗環(huán)境

4.1 OT層工業(yè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生

工業(yè)過程控制平臺的數(shù)據(jù)由控制器、執(zhí)行器、WirelessHART工業(yè)無線傳感儀表產(chǎn)生。該平臺可采集系統(tǒng)溫度、壓力、液位、流量等真實物理量數(shù)據(jù)，并通過OPC UA、西門子S7等通信協(xié)議與網(wǎng)關(guān)進行信息交互。系統(tǒng)運行如圖13所示。

圖13 OT層工業(yè)設(shè)備運行數(shù)據(jù)

4.2 云網(wǎng)關(guān)實驗結(jié)果

云平臺以百度云平臺為例，所提出的云網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)多協(xié)議設(shè)備的云端接入。數(shù)據(jù)接入到云平臺后，可以利用云端強大的計算能力和存儲能力，根據(jù)特定行業(yè)需求進行數(shù)據(jù)的處理分析與應(yīng)用。云平臺接收數(shù)據(jù)結(jié)果如圖14所示?？梢钥吹綁毫?FT_1)、流量(FT_2)、溫度(TT_1)等數(shù)據(jù)成功上傳到了百度云平臺上。

圖14 IT層云平臺接收數(shù)據(jù)

4.3 網(wǎng)絡(luò)通信性能測試

在實驗室條件下，分別測試不同網(wǎng)絡(luò)通信方式與云端成功連接后的數(shù)據(jù)傳輸性能。測試的方法是云網(wǎng)關(guān)每隔5 s向云平臺通信1次，每次發(fā)送一條不大于1 KB字節(jié)的消息，連續(xù)測試12 h，查看云端接收數(shù)據(jù)的情況。表1是不同網(wǎng)絡(luò)方式通信測試的實驗數(shù)據(jù)。由于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，其他兩種網(wǎng)絡(luò)方式通信丟包為零。

表1 丟包率測試

5 結(jié) 語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中重要的組成部分，不僅實現(xiàn)了不同設(shè)備、不同工業(yè)協(xié)議的解耦，還起到了傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺之間的橋接作用，是實現(xiàn)工控系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)智能化融合的核心。本文提出一種新的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)及實現(xiàn)方法，從數(shù)據(jù)的多協(xié)議解析轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r可靠性、安全性三個角度給出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)的解決方案。并且根據(jù)所提出的云網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計了網(wǎng)關(guān)實例對該架構(gòu)進行驗證。該網(wǎng)關(guān)實例向下兼容工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的OPC UA協(xié)議、Modbus協(xié)議、西門子S7協(xié)議；向上支持MQTT協(xié)議。所提出的云網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與云平臺的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)加密功能，解決了協(xié)議復(fù)雜的OT網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)融合的問題，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、智慧社區(qū)、智能電網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。