工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業(yè)云平臺。其本質(zhì)是通過構(gòu)建精準(zhǔn)、實時、高效的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系，建立面向工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲、集成、訪問、分析、管理的開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識的模型化、標(biāo)準(zhǔn)化、軟件化、復(fù)用化，不斷優(yōu)化研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、運營管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進(jìn)的制造業(yè)新生態(tài)。
本文將著重探討關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺需要解決多類工業(yè)設(shè)備接入、多源工業(yè)數(shù)據(jù)集成、海量數(shù)據(jù)管理與處理、工業(yè)數(shù)據(jù)建模分析、工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新與集成、工業(yè)知識積累迭代實現(xiàn)等一系列問題，涉及七大類關(guān)鍵技術(shù)，分別為數(shù)據(jù)集成和邊緣處理技術(shù)、IaaS 技術(shù)、平臺使能技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、應(yīng)用開發(fā)和微服務(wù)技術(shù)、工業(yè)數(shù)據(jù)建模與分析技術(shù)、安全技術(shù)。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺按層級分第一層是邊緣，此層是通過大范圍、深層次的數(shù)據(jù)采集，以及異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣處理，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
一、是通過各類通信手段接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集海量數(shù)據(jù)；
二、是依托協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的歸一化和邊緣集成；
三、是利用邊緣計算設(shè)備實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的匯聚處理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)向云端平臺的集成。
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設(shè)備接入方式
我們經(jīng)?？吹酵ㄟ^物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。但設(shè)備究竟是如何聯(lián)網(wǎng)的卻語焉不詳。今天我們來探討下設(shè)備究竟是如何聯(lián)網(wǎng)的。
設(shè)備接入是基于工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線等工業(yè)通訊協(xié)議，以太網(wǎng)、光纖等通用協(xié)議，3G/4G/5G、NB-IOT等無線協(xié)議將工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備接入到平臺的邊緣層。
設(shè)備聯(lián)網(wǎng)有兩種方式
第一種方式：直接接入
直接接入網(wǎng)絡(luò)需要滿足一個要求，即設(shè)備本身具備聯(lián)網(wǎng)的能力或者在設(shè)備端加入2G、3G、NB-IOT等通訊模組。具備通訊功能的設(shè)備，可以直接接入網(wǎng)絡(luò)。
第二種方式：網(wǎng)關(guān)接入
設(shè)備或終端本身不具有聯(lián)網(wǎng)能力，這就需要再本地組網(wǎng)后，再統(tǒng)一通過網(wǎng)關(guān)再接入網(wǎng)絡(luò)。如終端通過ZigbeeLORA等無線組網(wǎng)，然后設(shè)備再通過網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一接入到網(wǎng)絡(luò)上。常用到的本地?zé)o線組網(wǎng)技術(shù)有ZigbeeloraBleMeoHsub-1GHZ等等。
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網(wǎng)關(guān)
什么是網(wǎng)關(guān)？
網(wǎng)關(guān)既然如此厲害，那么什么是網(wǎng)關(guān)呢？網(wǎng)關(guān)(Gateway)又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)層以上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，是最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，僅用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)互連。網(wǎng)關(guān)既可以用于廣域網(wǎng)互連，也可以用于局域網(wǎng)互連。網(wǎng)關(guān)是一種充當(dāng)轉(zhuǎn)換重任的計算機系統(tǒng)或設(shè)備。使用在不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語言，甚至體系結(jié)構(gòu)完全不同的兩種系統(tǒng)之間，網(wǎng)關(guān)是一個翻譯器。與網(wǎng)橋只是簡單地傳達(dá)信息不同，網(wǎng)關(guān)對收到的信息要重新打包，以適應(yīng)系統(tǒng)的需求。
網(wǎng)關(guān)的功能
簡單地來說，網(wǎng)關(guān)就是一個處于本地局域網(wǎng)與外部接入網(wǎng)絡(luò)之間的智能設(shè)備。網(wǎng)關(guān)的主要功能是網(wǎng)絡(luò)隔離、協(xié)議轉(zhuǎn)換和適配、數(shù)據(jù)內(nèi)外傳輸，還有一項功能在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中很重要，就是邊緣計算，它占據(jù)了50%左右的計算。而邊緣計算大部分是通過網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)關(guān)服務(wù)器來完成的。具體來說，網(wǎng)關(guān)主要功能包括：
（1）廣泛的接入能力
（2）網(wǎng)絡(luò)隔離
（3）協(xié)議轉(zhuǎn)換能力
（4）邊緣計算
網(wǎng)關(guān)工作過程
以ZigBee為例來探討下網(wǎng)關(guān)。ZigBee 因其低成本、低功耗、組網(wǎng)靈活等眾多優(yōu)勢，成為工業(yè)無線通信技術(shù)中備受關(guān)注的技術(shù)之一。ZigBee 是一種低速網(wǎng)絡(luò)，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，多樣的互聯(lián)方式使得組網(wǎng)方式靈活而穩(wěn)健。采用ZigBee 協(xié)議，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場短距離的無線控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊囊蕴W(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互等。
可通過ZigBee 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)直接訪問或修改儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷等當(dāng)網(wǎng)關(guān)接入GPRS 或因特網(wǎng)后，無論你身處何地都可隨時訪問工業(yè)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程診斷以及遠(yuǎn)程操作等功能，使世界范圍內(nèi)的不同傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可以信息共享。
一個典型的網(wǎng)關(guān)架構(gòu)圖：
當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到一個正常發(fā)往本地IP 的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過協(xié)議判斷送往上層UDP（TCP）處理，最后到網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序處理網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序經(jīng)過分析判斷，確定需要轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的哪個節(jié)點，經(jīng)過ZigBee 端的ARP 地址解析出對應(yīng)的ZigBee 中的節(jié)點MAC地址，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包送至該節(jié)點，完成一次數(shù)據(jù)通訊。同理，當(dāng)ZigBee 端收到數(shù)據(jù)包后，通過同樣的解析將數(shù)據(jù)包送至對應(yīng)節(jié)點或設(shè)備實現(xiàn)ZigBee 節(jié)點的實時訪問、修改、組態(tài)等。
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數(shù)據(jù)傳輸方式
物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層主要負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，分為有線傳輸和無線傳輸兩大類，其中無線傳輸是物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用。無線傳輸技術(shù)按傳輸距離可劃分為兩類：一類是以Zigbee、WiFi、藍(lán)牙等為代表的短距離傳輸技術(shù)，即局域網(wǎng)通信技術(shù)；另一類則是LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)），即廣域網(wǎng)通信技術(shù)。
LPWAN又可分為兩類
一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、Sigfox等技術(shù)；
另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2G、3G、4G、5G蜂窩通信技術(shù)，比如eMTC、NB-IoT。
*局域網(wǎng)傳輸設(shè)備，應(yīng)用于本地的連接技術(shù)，主要有BLE、Zigbee、Z-ware、NFC、Wifi/藍(lán)牙等。
*廣域網(wǎng)傳輸設(shè)備，應(yīng)用于廣域和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的連接技術(shù)，主要有3G/4G/5G、Ethernet、LTE、eMTC、NB-IOT等。
根據(jù)傳輸速率的不同，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)可分為高速率、中速率及低速率業(yè)務(wù)。其中，高速率業(yè)務(wù)主要使用3G、4G 及WiFi技術(shù)，可應(yīng)用于視頻監(jiān)控、車載導(dǎo)航等場景；中速率業(yè)務(wù)主要使用藍(lán)牙、eMTC等技術(shù)，可應(yīng)用于智能家居、儲物柜等高頻使用場景；低速率業(yè)務(wù)，即LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))，主要使用NB-IoT、LoRa、Sigfox及ZigBee等技術(shù)，可應(yīng)用于智慧停車、遠(yuǎn)程抄表等使用頻次低的應(yīng)用場景。
根據(jù)麥肯錫咨詢所調(diào)研的數(shù)據(jù)來看，全球物聯(lián)網(wǎng)市場有大約60%以上都屬于低速率業(yè)務(wù)，這類應(yīng)用需要具有支持海量連接數(shù)、低終端成本、低終端功耗和超強覆蓋等能力。由于自身的發(fā)展以及成本等問題，各個企業(yè)都在向低成本、低功耗等方向發(fā)展。而在低速率領(lǐng)域，中國電信企業(yè)如中國移動、中國電信等都主要以發(fā)展NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）為主，而LoRa在中國電信類企業(yè)之外也是發(fā)展的重點。
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數(shù)據(jù)解析方式
傳感器和設(shè)備信息需要通過各種不同的協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入的。協(xié)議轉(zhuǎn)換分為兩個方面：
一方面運用協(xié)議解析、中間件等技術(shù)兼容ModBus、OPC、CAN、Profibus等各類工業(yè)通信協(xié)議和軟件通訊接口，實現(xiàn)數(shù)字格式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。
另一方面利用HTTP、MQTT等方式從邊緣層將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接入。
在轉(zhuǎn)換協(xié)議中，主要有協(xié)議即用于短距離設(shè)備連接的本地協(xié)議 Modbus 以及支持物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程全局通信的可擴展互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT。
ModBus
ModBus首次出現(xiàn)于 1979 年，是連接行業(yè)設(shè)備實際使用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。是一種純粹的“軟”協(xié)議，不依賴于任何通訊介質(zhì)和通訊設(shè)備。ModBus 的核心是一個串行通信協(xié)議，采用主從模式，借助 RS-485，主從機之間的通信發(fā)生在指示功能碼的幀中。該功能碼可識別要操作的功能，如讀取獨立輸入；讀取先進(jìn)先出隊列；或執(zhí)行診斷函數(shù)。然后，從機根據(jù)收到的功能碼進(jìn)行響應(yīng)，該響應(yīng)較為簡單，由一組字節(jié)指示。因此，從機可以是智能設(shè)備，也可以是只有一個傳感器的簡單設(shè)備。
MQTT
MQTT 是一個開放的輕量級機器對機器協(xié)議，專為物聯(lián)網(wǎng)交互設(shè)計。MQTT 網(wǎng)絡(luò)包含一個 MQTT 經(jīng)紀(jì)人 (broker)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào) MQTT 代理之間的交互。代理是發(fā)布器，負(fù)責(zé)發(fā)布供用戶使用的信息。MQTT支持傳感器、設(shè)備和云之間安全交互。
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數(shù)據(jù)接入架構(gòu)
上圖為數(shù)據(jù)接入架構(gòu)圖。設(shè)備或傳感器的信息通過ModBus等協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，再通過MQTT等協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，在云平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)解析與存儲，再通過云計算成為管理和決策的重要依據(jù)。
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結(jié)語
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，數(shù)據(jù)連接是第一步，是基礎(chǔ)?；诤Ａ抗I(yè)數(shù)據(jù)的全面感知，通過端到端的數(shù)據(jù)深度集成構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的邊緣層，再通過建模分析，實現(xiàn)智能化的決策與控制指令，形成智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個性化定制、服務(wù)化延伸等新型制造模式。
華辰智通自主研發(fā)思普云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺
思普云為設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化的實時狀態(tài)監(jiān)控、故障告警、工卑處理、WEB組態(tài)等基礎(chǔ)設(shè)備運維功能模塊，同時提供開放式的軟件接口，為企業(yè)提供完整的、低成本、低門檻的設(shè)備上云、企業(yè)上云方案，為企業(yè)建立全新的云端SCADA模式，為企業(yè)建立完善的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
平臺優(yōu)勢
一、通過成熟的HINET智能網(wǎng)關(guān)提供優(yōu)異的異形接口以及異構(gòu)協(xié)議的兼容能力；
二、數(shù)據(jù)處理架構(gòu)采用先迚的分布式數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)核心總線方式，可處理大規(guī)模設(shè)備接入、大規(guī)模實時及高頻數(shù)據(jù)幵發(fā)，幵經(jīng)過了長期實際驗證；
三、數(shù)據(jù)庫采用實時數(shù)據(jù)庫結(jié)合關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的方式，可實時處理工業(yè)實時大數(shù)據(jù)，最大程度降低數(shù)據(jù)掉包率，最大程度上還原了工業(yè)現(xiàn)場實際狀態(tài)；
四、自主開發(fā)了云端SCADA系統(tǒng)，免費開放給企業(yè)使用，不限變量數(shù)不限用戶接入數(shù)方面企業(yè)用戶通過WEB以及移動端APP還原現(xiàn)場；
五、思普云設(shè)備智慧運維平臺的各功能模塊均采用總線插拔式設(shè)計，各子功能塊如積木般搭載于總線上，支持功能塊的無限擴展，支持了思普云的持續(xù)升級和更新。
