工业互联网平台核心技术之一：数据集成与边缘处理.docx

工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台。其本质是通过构建精准、实时、高效的数据采集互联体系，建立面向工业大数据存储、集成、访问、分析、管理的开发环境，实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化、复用化，不断优化研发设计、生产制造、运营管理等资源配置效率，形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业新生态。从本文开始，将着重探讨关于工业互联网平台的关键技术。工业互联网平台需要解决多类工业设备接入、多源工业数据集成、海量数据管理与处理、工业数据建模分析、工业应用创新与集成、工业知识积累迭代实现等一系列问题，涉及七大类关键技术，分别为数据集成和边缘处理技术、IaaS技术、平台使能技术、数据管理技术、应用开发和微服务技术、工业数据建模与分析技术、安全技术。工业互联网平台按层级分第一层是边缘，此层是通过大范围、深层次的数据采集，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业互联网平台的数据基础。一是通过各类通信手段接入不同设备、系统和产品，采集海量数据；二是依托协议转换技术实现多源异构数据的归一化和边缘集成；三是利用边缘计算设备实现底层数据的汇聚处理，并实现数据向云端平台的集成。-设备接入方式我们经常看到通过物联网实现设备联网。但设备究竟是如何联网的却语焉不详。今天我们来探讨下设备究竟是如何联网的。设备接入是基于工业以太网、工业总线等工业通讯协议，以太网、光纤等通用协议，3G4G5G.NB-IOT等无线协议将工业现场设备接入到平台的边缘层。设备联网有两种方式：第一种方式：直接接入直接接入网络需要满足一个要求，即设备本身具备联网的能力或者在设备端加入2G、3G、NB-IoT等通讯模组。具备通讯功能的设备，可以直接接入网络。第二种方式：网关接入设备或终端本身不具有联网能力，这就需要再本地组网后，再统一通过网关再接入网络。如终端通过Zigbee1.0RA等无线组网，然后设备再通过网关统一接入到网络上。常用到的本地无线组网技术有ZigbeeloraBleMeoHsub-lGHZ等等。二网关1、什么是网关网关既然如此厉害，那么什么是网关呢？网关(GateWay)又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。使用在不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应系统的需求。2、网关的功能简单地来说，网关就是一个处于本地局域网与外部接入网络之间的智能设备。网关的主要功能是网络隔离、协议转换和适配、数据内外传输，还有一项功能在工业互联网平台中很重要，就是边缘计算，它占据了50%左右的计算。而边缘计算大部分是通过网关或网关服务器来完成的。具体来说，网关主要功能包括：(1)广泛的接入能力(2)网络隔离(3)协议转换能力(4)边缘计算3、网关工作过程以ZigBee为例来探讨下网关。ZigBee因其低成本、低功耗、组网灵活等众多优势，成为工业无线通信技术中备受关注的技术之一。ZigBee是一种低速网络，传输速度为IOKB/S250KB/S,多样的互联方式使得组网方式灵活而稳健。采用ZigBee协议，应用于工业现场短距离的无线控制、监测、数据传输等的以太网协议转换，实现远程监控、远程数据交互等。可通过ZigBee以太网网关直接访问或修改仪表数据，实现现场仪表的远程监控、远程诊断等当网关接入GPRS或因特网后，无论你身处何地都可随时访问工业现场仪表数据，实现现场仪表的远程组态、远程诊断以及远程操作等功能，使世界范围内的不同传感监测网络可以信息共享。一个典型的网关架构图:当网关接收到一个正常发往本地IP的以太网数据包后，经过协议判断送往上层UDP(TCP)处理，最后到网关的应用程序处理网关应用程序经过分析判断，确定需要转发给ZigBee网络中的哪个节点，经过ZigBee端的ARP地址解析出对应的ZigBee中的节点MAC地址，将相应的数据包送至该节点，完成一次数据通讯。同理，当ZigBee端收到数据包后，通过同样的解析将数据包送至对应节点或设备实现ZigBee节点的实时访问、修改、组态等。三数据传输方式物联网的传输层主要负责传递和处理感知层获取的信息，分为有线传输和无线传输两大类，其中无线传输是物联网的主要应用。无线传输技术按传输距离可划分为两类：一类是以Zigbee、WiFi、蓝牙等为代表的短距离传输技术，即局域网通信技术；另一类则是1.PWAN（low-powerWide-AreaNetWOrk,低功耗广域网），即广域网通信技术。1.PWAN又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的1.ORa、SigfOX等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2G、3G、4G、5G蜂窝通信技术，比如eMTC、NB-IoTo名称I遁信技术I传筠遑堂通信近惠I是W度女I优点I*点！WFiU-54Mbps2d200米否应可广泛、传帽逮受爱'延寓SSi.u.MS.或江高IMbPS20-200X里网第五'低功费'低延汉'M全鹿禽蚊怎、传蟆蚁携量个Zigbee20-250bps2-20百低功费、自坦网、化复至受、E蠡停西五区小、丞*、时延不弱定小于IOkbPS¾l-2km;低或本'电泡寿金女'一不揍.造4上qc1.oRa-U-非授软软会显外:15km以上信不嫁茶Sigfox小于100bpS3-10km否传辖更工保.成本低.三-.技筮挎传腺量，.、非发松密毁.相对广城网求旬坡封用高可鑫、益安金、停整跤揖量大'NB-IoT小于20OkbpS15km以上是-r一/成本惠'办议复杂电池廷电大保时逵'«MTC小于IMbpS是假功费、海量蓬凄,藁这工、工答上一、，噪次衰点更高/、Jt搏Vo1.TE*局域网传输设备，应用于本地的连接技术，主要有B1.E、Zigbee、Z-ware>NFC、Wifi/蓝牙等。*广域网传输设备，应用于广域和远程数据的连接技术,主要有3G/4G/5G、Ethernet、1.TEeMTC、NBIOT等。根据传输速率的不同，物联网业务可分为高速率、中速率及低速率业务。其中，高速率业务主要使用3G、4G及WiFi技术，可应用于视频监控、车载导航等场景；中速率业务主要使用蓝牙、eMTC等技术，可应用于智能家居、储物柜等高频使用场景；低速率业务，即1.PWAN（低功耗广域网），主要使用NB-IoT.1.oRaSigfOX及ZigBee等技术,可应用于智慧停车、远程抄表等使用频次低的应用场景。根据麦肯锡咨询所调研的数据来看，全球物联网市场有大约60%以上都属于低速率业务，这类应用需要具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖等能力。由于自身的发展以及成本等问题，各个企业都在向低成本、低功耗等方向发展。而在低速率领域，中国电信企业如中国移动、中国电信等都主要以发展NB-IoT（窄带物联网）为主，而1.oRa在中国电信类企业之外也是发展的重点。四数据解析方式传感器和设备信息需要通过各种不同的协议实现数据接入的。协议转换分为两个方面：一方面运用协议解析、中间件等技术兼容MOdBUs、OPCCAN、PrOfibUS等各类工业通信协议和软件通讯接口，实现数字格式转换和统一。另一方面利用HTTP、MQTT等方式从边缘层将采集的数据传输到云端，实现数据的远程接入。应用InternetMQTTIoT网关ModbusNetwork传感器/设备传感器/设备传感器/设备在转换协议中，主要有协议即用于短距离设备连接的本地协议Modbus以及支持物联网进行远程全局通信的可扩展互联网协议MQTT0ModBusMOdBUS首次出现于1979年，是连接行业设备实际使用的标准协议。是一种纯粹的"软协议,不依赖于任何通讯介质和通讯设备。ModBUS的核心是一个串行通信协议，采用主从模式，借助RS-485,主从机之间的通信发生在指示功能码的帧中。该功能码可识别要操作的功能，如读取独立输入；读取先进先出队列；或执行诊断函数。然后，从机根据收到的功能码进行响应，该响应较为简单，由一组字节指示。因此，从机可以是智能设备，也可以是只有一个传感器的简单设备。MQTTMQTT是一个开放的轻量级机器对机器协议，专为物联网交互设计。MQTT网络包含一个MQTT经纪人(broker),负责协调MQTT代理之间的交互。代理是发布器，负责发布供用户使用的信息。MQTT支持传感器、设备和云之间安全交互。五数据接入架构上图为数据接入架构图。设备或传感器的信息通过MOdBUS等协议将数据传输到网关，再通过MQTT等协议将数据传输到云平台，在云平台上进行数据解析与存储，再通过云计算成为管理和决策的重要依据。六结语工业互联网平台，数据连接是第一步，是基础。基于海量工业数据的全面感知，通过端到端的数据深度集成构成网络的边缘层，再通过建模分析，实现智能化的决策与控制指令，形成智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等新型制造模式。