基于ISA100.11a 工業物聯網的中間件設計與實現

支亞軍 張建奇 楊 寧

(西安航天自動化股份有限公司1，陜西 西安 710065;西安郵電大學自動化學院2，陜西 西安 710061)

0 引言

目前，在傳統的工業網絡基礎上融合互聯網、無線傳感器網絡以及現場總線網絡等異構網絡，將具有環境感知能力的各種終端、云計算模式、移動通信、實時通信等不斷融入工業生產的各個環節的網絡統稱為工業物聯網。工業物聯網成為研究和發展的新方向［1］。針對工業無線傳感網絡部分，國際主流的協議有三種，分別是ISA100.11a［2］、Wireless HART 和WIA-PA。

ISA100.11a 是第一個開放的、面向多種工業應用的標準［3］，其主要特征為:提供過程工業應用服務，包括工廠自動化;提供等級1(非關鍵)到等級5 的應用;跳信道的方式支持共存和增加可靠性;提供本地和隧道協議，以實現廣泛的可用性;現場設備具有支持網狀和星型結構的能力。然而，該協議未對網絡實時監控、過程控制協議方面進行規定和描述。如果不同廠商采用私有協議來設計網關和Web 服務之間的通信［4］，通用性和可移植性較差，并且難以維護，不利于產品推廣和網絡升級。

針對以上問題，本文設計了介于網關和Web 服務之間的中間件系統，不僅使服務接口標準化，而且增強了監控和管理的Web 系統的通用性和可移植性，有利于產品維護升級和廣泛應用部署。

1 系統拓撲結構

ISA100.11a 標準中對無線網絡和網關有詳細的描述，但沒有對工業現場網絡監控管理功能做規范要求，僅僅規范了網關服務接入點(gateway service access point，GSAP)的接口要求。根據標準中GSAP 的內容描述，文章提出了符合該接口信息的中間件系統方案。中間件邏輯位置介于網關和Web 服務器之間，是用戶進行Web 訪問的關鍵部分。圖1 描述了系統網絡拓撲結構。

圖1 中虛線框內為符合ISA100.11a 標準的網絡系統。現場終端設備通過骨干路由設備與網關設備連接，實現ISA100.11a 傳感網部分功能。網關設備和中間件模塊可通過不同硬件設備部署，也可以作為一體機部署在同一個硬件設備上。中間件通過以太網接口將數據包發送給網關設備，網關設備將符合ISA100.11a 標準的信息以IP 數據包的形式發送給中間件，中間件接收解析網絡數據包，并保存于數據庫中。Web服務器通過訪問數據庫來獲取ISA100.11a 的網絡運行狀態和設備信息;用戶通過訪問Web 服務器來達到監控和管理網絡及設備目的。

圖1 系統網絡拓撲Fig.1 Network topology of the system

2 中間件設計

2.1 結構流程

中間件為Web 服務器的訪問提供數據服務和管理服務的功能，其體系結構如圖2 所示。

圖2 中間件的體系結構Fig.2 Architecture of the middleware

系統內部結構包括:請求命令生成模塊、響應命令處理模塊、網關側接口模塊、數據庫訪問接口和數據庫。其中，請求命令生成模塊主要負責從數據庫讀取預配置的命令，創建命令以及添加命令參數，調用網關側接口將命令發送給網關。響應命令處理模塊主要負責解析從網關接收到的響應數據，調用數據庫訪問接口將數據寫入數據庫。網關側接口模塊主要負責與網關設備建立TCP 連接，將消息封裝成IP 數據包格式，通過Socket機制發送給網關，并接收解析來自網關的數據包。數據庫訪問接口模塊主要負責對數據庫進行讀寫操作，包括更新數據庫中的信息以及從數據庫讀取命令。中間件系統啟動后，請求命令生成模塊從數據庫獲取預配置命令并添加到周期業務列表中，通過查找周期業務列表獲取周期性業務，然后創建命令并將命令發送到網關，等待接收響應幀。當網關側接口模塊接收并解析數據包后，送給響應命令處理模塊進行解析，最后調用數據庫訪問接口模塊將數據寫入數據庫的對應表中，完成一次周期命令的執行過程。根據周期業務列表循環判斷是否還有未執行的請求業務，如果有則繼續執行該流程，否則完成本次所有請求業務。中間件的業務處理流程如圖3 所示。

圖3 中間件業務處理流程Fig.3 The business process flow of middleware

2.2 數據庫描述

中間件的業務處理過程需要與數據庫進行交互，包括請求命令生成和響應命令處理兩個過程。其中，請求命令生成過程為:請求命令生成模塊調用數據庫訪問接口模塊與數據庫建立連接，并讀取數據庫中的預配置命令，之后再執行讀取的預配置命令，進行命令請求的創建過程。響應命令處理過程為:響應命令處理模塊解析完成響應數據后，通過調用數據庫訪問接口模塊與數據庫建立連接，并將響應數據寫入數據庫的表中。

數據庫中表的類型以及內容按照ISA100.11a 協議中網關的GSAP 接口信息來設計，為Web 服務器應用提供實時準確的網絡信息。數據庫的實現采用MySQL 數據庫，數據庫訪問接口模塊通過MySQL 命令來訪問。數據庫的表與網關服務原語的信息映射，把通過網關服務原語的關于網絡設備的信息存儲到數據庫不同的表中，最終為Web 用戶提供實時可靠的網絡信息。

數據庫中的表按照功能分為三類:命令類表、設備信息表和網絡信息表。命令類表主要存儲Web 應用的請求和配置命令，并記錄命令的執行結果。設備信息表主要存儲ISA100.11a 網絡中各設備的信息，包括設備屬性、設備信道、設備連接狀態、設備調度信息和設備采集信息。網絡信息表主要存儲ISA100.11a 網絡的屬性和信息，包括網絡分配的所有Contract 信息、網絡健康報告信息、網絡路由信息和網絡拓撲信息。數據庫中表的條目及內容的描述如表1 所示。

表1 數據庫表條目及內容描述Tab.1 Database table entries and content description

2.3 與網關設備通信

根據ISA100.11a 標準的描述，網關要具備為外部Host-Level 應用提供GSAP 接口的功能。中間件通過與網關的GSAP 模塊進行通信來提供數據服務和管理服務，包括請求命令處理和響應命令處理兩個過程。請求命令處理過程:請求命令生成模塊創建命令請求后調用網關側接口模塊，網關側接口模塊將命令請求按照固定數據包格式封裝后發送給網關。響應命令處理過程:網關側接口模塊接收數據包后并完成響應命令數據的拷貝，再由響應命令處理模塊對響應數據進行解析處理。表2 詳細描述了請求命令及響應命令的內容。

網關接收到命令請求后會根據命令類型執行相應的操作，最后返回響應數據。一部分響應數據攜帶有設備信息或網絡信息;另外一部分響應數據攜帶有網關對命令請求的執行是否成功的標志或對命令請求執行的時間等信息。中間件解析網關返回的響應數據并訪問數據庫，更新數據庫中的對應表。

表2 命令請求及對應的響應內容Tab.2 Command requests and corresponding response contents

下面就表2 中的部分關鍵命令做詳細的介紹，包括命令的描述以及相關參數等。

(1)會話及Lease 的創建:建立會話的主要目的是方便中間件和網關設備進行資源的分配與回收，以及通信資源的管理。因此，中間件在運行時首先需要與網關之間建立會話連接，該會話保持直到連接斷開或會話終止。Lease 的創建主要服務于各種命令的執行，保證不同管理服務的通信可靠和資源保障。

中間件發起會話創建的請求命令到網關，網關接收到請求后會回復響應命令。該響應命令攜帶會話ID、會話周期及會話狀態等信息。解析完會話響應后，中間件從數據庫的Commands 表中獲取所有的命令并添加到請求命令生成模塊的周期業務列表中。中間件查找周期業務列表執行各種命令之前，首先要判斷該服務請求和網關是否建立Lease，如果沒有建立，則需要執行創建Lease 過程。中間件發起Lease 請求命令到網關，網關回復響應命令，中間件進行響應數據的解析，完成Lease 建立過程。Lease 創建成功后，中間件和網關之間才能進行正常的數據交互。會話及Lease創建的命令執行過程如圖4 所示。

圖4 會話及Lease 創建命令的執行過程Fig.4 Execution process of session and Lease creating command

(2)網絡拓撲報告:當執行周期性的網絡拓撲報告請求時，中間件通過查找請求命令生成模塊的周期業務列表創建命令并添加命令參數后，將消息發送給網關;網關處理后將收集的網絡拓撲信息返回給中間件，中間件把網絡拓撲信息寫入數據庫的NetworkTopologyGraph 表中。拓撲結構報告的執行過程如圖5 所示。

圖5 拓撲結構報告的執行過程Fig.5 Execution process of topological structure reporting

(3)設備采集數據上報:中間件系統在運行之前需要將終端設備采集的數據類型參數配置到數據庫表中，以保證數據能夠正確存儲，如圖6 所示。

圖6 Publish 數據上報過程Fig.6 Publish data reporting process

首先，中間件向網關發送Subscription 請求，接收到Subscription 確認后，開始等待接收Publish 數據包。網關將收集到的終端設備的采集數據(溫濕度、壓力等)發送給中間件，中間件將數據包按照預配置的數據格式進行轉換，再將數據寫入DeviceReadings 表中。

3 關鍵技術描述

3.1 可靠傳輸描述

中間件在執行請求處理業務時，考慮到系統間的可靠通信，采用定時重傳的通信機制。發起請求命令并同時啟動一個該命令對應的定時器，如果在定時器超時之前接收到了響應命令，則停止該定時器，并刪除緩沖區中的對應請求命令，進入解析處理過程;若定時器超時后還未接收到對應的響應命令，則將緩沖區中的請求命令重新發送給網關，再次啟動定時器，直到達到最大重發次數。

圖7 描述了定時器在正常情況下和超時情況下的管理示意流程。

圖7 定時器管理流程示意圖Fig.7 Flowchart of timer management

3.2 接收過濾描述

為減少異常數據包的處理，網關側接口模塊增加接收過濾功能，對不符合約定協議和格式的數據進行丟棄。當接收到響應數據時先讀取響應數據的版本號、首部以及數據部分，進行異常檢測過程的狀態跳轉，最終將正確的數據包發送給響應處理模塊。狀態機的當前狀態、下一個狀態以及當前所發生的事件如表3 所示。

表3 狀態機描述列表Tab.3 Descriptions of state machine

4 測試與驗證

中間件系統運行在Linux 環境中，和網關運行在一個設備上，Web 服務器完全采用本公司自主設計的系統。終端設備采用Freescale 公司的MC13224［5］芯片作為無線模塊，搭載符合ISA100.11a 標準的協議棧軟件和采集控制軟件。測試操作流程:配置終端設備的采集周期和模式;分別運行網關、中間件系統和終端設備;中間件發起Subscribe/Publish 操作，將采集數據寫入數據庫中;訪問Web 服務器，查看網絡設備運行狀態和周期上報的采集數據。

經過測試，中間件系統可以實時準確地與網關設備進行通信，將符合協議要求的內容寫入數據庫，數據庫表項的內容能夠滿足Web 服務器的訪問讀取顯示。

通過訪問Web 服務器，用戶可以查看實時運行的網絡拓撲結構、終端設備的采集上報信息和運行狀態。這說明系統基本滿足工業現場的無線采集、監控管理應用需求。

5 結束語

本文在現有無線網絡和網關設備的基礎上，設計與實現了工業物聯網應用中間件系統，為Web 服務提供了標準化數據庫和接口，降低了ISA100.11a 工業物聯網的Web 應用開發難度，并縮減了開發周期。一方面，中間件的網關測接口能夠與符合ISA100.11a 標準的任意網關設備連接，具有較好的通用性，可應用在不同的物聯網系統中，避免二次開發，有效節省了開發成本和時間;另一方面，該中間件能夠協助Web 服務器存儲網絡數據，使得用戶通過瀏覽器網頁界面遠程查看網絡的終端設備數據和運行狀態信息，并且能夠對網絡進行控制和管理。該中間件系統的設計，可以加快ISA100.11a 標準網絡在工業現場的的部署和應用，對工業物聯網的發展起著積極的促進作用。

［1］ 康世龍，杜中一，雷詠梅，等. 工業物聯網研究概述［J］. 物聯網技術，2013(6):80 -82.

［2］ ISA Std.100.11a.2011 Wireless systems for industrial automation:process control and related applications［S］.2011.

［3］ 黃曼雪，李彥峰，詹煒，等.工業無線技術ISA100 標準及認證發展現狀［J］.電子質量，2014(4):58 -66.

［4］王恒，趙曉瑞，王平.無線傳感網網關Web 服務中間件的設計與實現［J］.計算機工程與設計，2014(6):1978 -1980.

［5］ Freescale. MC13224V MC1322x platform in a package［EB/OL］.［2014-11-28］.http //www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MC13224V＆nodeId=0106B9869925657103009.