基于可配置協議的智慧管網物聯接入系統

劉紅義，董丹丹，王海燕，趙樹立

（航天海鷹機電技術研究院有限公司，北京 100070）

0 引言

近年來，隨著城市快速發展，地下管線建設規模不足、管理水平不高等問題凸顯，我國城市正在面臨著各種地下管線問題的挑戰，因此，國家也越來越重視地下管線的綜合治理；同時，互聯網+、物聯網的快速發展也為解決此問題提供很大契機，智慧管網應運而生[1]。

對于智慧管網產業而言，一個項目中總是包括多個業務應用系統，在傳統的解決方案中，各個系統獨立處理物聯感知設備的接入和數據包解析的工作[2]，一方面由于不同的應用系統可能使用同類的傳感設備數據，各系統自行設計接入邏輯，造成了開發工作的冗余性；另一方面，由于不同系統對傳感數據解析后封裝的數據格式可能不一致，給各個系統之間的數據共享帶來了問題[3]。

因此設計統一的智慧管網物聯感知接入系統來解決以上問題。平臺系統需要能夠以較為統一的方式接入大量異構的物聯感知終端設備，針對不同頻率發送來的傳感數據流進行解析和數據的封裝。并以標準的數據接口向各個業務應用系統提供數據推送服務[4]。

通過設計本系統達到以下目的：

（1）統一化的設備管理：

本系統可以實現各種設備的統一化管理，將各種設備（如RTU、傳感器、手持設備、精確定位標簽）進行廠家、安裝地點、安裝時間、狀態等基本信息的維護，各個設備間的關聯程度，設備的權屬單位、組織機構的維護，設備的在線狀態、完好程度等狀態信息的統計等。

（2）可配置的設備接入與數據解析：

本系統可以實現可配置的設備接入與數據解析功能。將各種不同的協議模式進行封裝處理，對需要新配置的協議可通過系統可視化的操作方式將各參數協議配置成功，以實現智能化的協議管理，簡化了協議解析程序的開發流程。

1 總體設計

1.1 網絡結構

平臺采用B/S架構，適用于互聯網條件，配置應用服務器、數據庫服務器和通信網關服務器。對性能、海量數據、容錯性以及擴展性有非常高的要求，所以在系統的架構上采用分布式[5-9]。具有如下特點：

（1）請求分布式調度[10]；

（2）多結點分布式部署；

（3）雙重備份，熱切換；

整個系統網絡架構如圖所示，包括四層，每一層可以由若干結點來對數據和請求分流：

終端連接到接入層通訊網關，通過訪問接口收發消息，消息經匯聚層轉發至核心交換機，核心交換機通過防火墻將數據儲存到數據中心和備份中心，應用服務器通過訪問數據中心數據對外提供應用服務。

此外，系統所涉及到的網絡節點有部署在各類管線上的傳感器、匯集傳感器數據的 RTU設備和PLC設備和集中器。構成局域網的各種路由設備和交換機以及服務器和客戶端機器。

傳感設備與匯集設備之間的通信方式可采用有線、和無線兩種類型。對于有線的通信方式，一般可采用RS-232或RS-485串口通信協議。對于無線的通信方式，一般可采用無線廣域網（3G、4G）、無線局域網（wifi）、和無線自組網等通信協議進行通信。

本系統中所有的匯集設備都會接入到互聯網中，匯集設備與接入系統之間的通信，在傳輸層只有UDP和TCP兩種選擇，而應用層的協議則依據匯集設備的類型和配置方式的不同而呈現出多種多樣的形式。由于ModBus系列協議在工業物聯網領域的廣泛應用，系統中所采用的應用層協議主要有ModBus TCP、ModBus RTU、直接TCP、直接UDP等幾種。

1.2 系統架構

接入系統分為基于B/S架構的web管理系統和后臺接收網關兩個部分，系統的架構圖1所示。

圖1 系統架構圖Fig.1 System architecture

與系統直接通信的設備有傳感數據匯集設備RTU、PLC等，以及直傳式傳感設備，這些設備經過互聯網的傳輸層與接收網關進行通信。系統提供網關管理模型對各個專業設備的接收網關進行管理。接收網關運行時的配置數據來自協議模型，協議模型以及設備的原始協議由協議管理模塊進行管理。同時系統提供 web管理界面對設備進行管理。

2 物聯接入系統

系統包括 M2M 中間件和終端信息管理兩大核心組件。M2M中間件提供不同類型和廠家設備的協議適配、統一接入、數據解析和轉發服務，具有跨平臺、分布部署、高并發處理等特點；終端信息管理提供接入設備的基礎信息管理、設備狀態監控、網關狀態監控和系統管理等服務，實現設備全生命周期過程可視化管理。物聯接入系統架構如圖2所示[11-15]。

圖2 物聯感知中心架構Fig.2 IOT center architecture

（1）上行網關

上行網關主要功能是提供專業設備、中控設備和手持設備的自有協議適配服務和采集狀態、位置、監測指標、圖片、流媒體等數據的實時通信服務，實現數據采集和指令下發。

①通信鏈路管理

TCP/UDP通信：實現TCP/IP協議或UDP/IP通信連接，與支持 2G/3G/4G設備進行通信，根據設備的接入請求分配臨時IP地址，建立TCP/IP連接，接收設備的采集數據和發送控制指令[16]。

SMS通信：實現SMS方式支持與聯通、移動、電信三大運營商設備進行通信，根據設備請求建立通信信道，接收設備上報數據和發送控制指令。

②認證鑒權管理

在接收到設備上發的信息后，對于本身具備鑒權碼的設備，分析其鑒權碼，根據鑒權碼和設備的對應關系，確定該設備是否為合法設備，只向合法設備提供接入服務，對非法連接設備予以丟棄，以避免應用系統接收非法信息。

③協議適配

建立終端設備協議庫，通過配置接入系統的終端通訊協議，實現協議適配，并根據協議規則將采集數據進行解析，分析報文內容；對下傳的指令按照終端自有協議進行封裝。

（2）下行網關

下行網關提供信息路由服務和統一數據訪問接口，主要功能是將解析后的數據內容向數據中心和應用系統進行轉發。包括數據預處理、數據訪問控制和數據轉發功能。

下行網關采用兩級緩存的設計實現實時數據和非實時數據的處理。終端設備將采集數據上傳至通信網關，經解析后生產原始數據存儲到一級緩存中，實時數據通過一級緩存，由數據轉發服務直接向上層提供實時數據；所有解析后的原始數據（實時和非實時），存儲至二級緩存。二級緩存一方面保證數據安全性，另一方面原始數據達到一定容量后，再進行存儲和轉發，提供數據訪問性能。其中：

◆ 數據預處理：對數據進行過濾、校驗、修正、合并等處理。

◆ 數據訪問控制：主要是對實時和非實時兩類數據的存儲和訪問控制。

◆ 數據轉發服務[17]：通過 WebService服務方式提供數據訪問接口，供數據中心和應用系統調用。

（3）管理平臺

管理平臺包括終端信息管理、協議信息管理、終端注冊管理、終端參數配置、終端狀態管理、網關狀態管理、終端告警管理、終端控制管理、終端升級管理幾部分。

系統的整體功能結構圖如圖3所示。

3 可配置協議

在物聯接入系統的基礎上，進行協議的可配置改進，將各種不同的協議模式進行封裝處理，對需要新配置的協議可通過產品前臺的配置管理將各參數協議配置成功，以實現智能的網關管理，不再需要專業人員進行后臺協議解析程序的開發。

首先對協議進行可配置模板提取，通過可配置頁面對可配置參數進行配置，將此配置參數進行封裝處理，自動化的解析處理，達到一鍵可配置填充，協議自動化解析的目的。

圖3 系統功能結構圖Fig.3 System function structure diagram

可配置頁面如下所示：

圖4 下行網關配置頁面Fig.4 Downlink gateway configuration page

圖5 解析邏輯配置頁面Fig.5 Parse logic configuration page

圖6 上行網關配置Fig.6 Uplink gateway configuration

4 結論

本文給出了基于可配置協議的智慧管網的物聯接入系統的總體設計、功能特點、實現方式等。在智慧管網領域里，設備量眾多、專業分類較多（包含八大類管線：給水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視、工業），因此本系統（對大量設備、各類管線協議的管理）為智慧管網項目中的一個必不可少的環節。前端感知設備將數據進行采集、數據上傳，進入此系統，通過協議配置，達到協議解析、數據推送應用系統展示的作用，可以說此系統是應用層和感知設備層的通信環節，至關重要，此環節的提升對于整個智慧管網的系統開發具有十分可觀的價值。而基于可配置協議的智慧管網的物聯接入系統的研發，通過可配置頁面的操作即可快速實現協議配置、數據解析功能，縮短了開發周期，提升了代碼的復用性，減少人力開發成本，具有一定的現實意義。

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