基于Nod-Red的邊緣計算網關在多系統中的通信連接

鄭劍 唐俊杰 洪峰

隨著物聯網通信技術的不斷提高，在建筑內部各種機電類設施設備通過直接或者間接的方式被接入智能樓宇監控系統中。傳統意義上的智能樓宇中的設施設備類信息孤島在不斷的被消滅，智能樓宇監控系統基本能夠監視和控制建筑內的各類設備。

近十年來隨著計算機硬件、軟件、網絡連接等技術能力的快速提升，企業內部基于IT技術的應用伴隨著技術的發展而迅速的滲透到企業的各個業務模塊之中，與企業的各種IT應用發展速度相比，智能樓宇監控系統發展明顯較慢。這種速度差使得智能樓宇監控系統發展與“更高級”的企業的各種IT應用不兼容。原本的智能樓宇監控系統發展成了一個系統級的信息孤島，阻礙了智能樓宇監控系統為業主提供更加快速、更人性化的服務。

在這種情況下我們應當利用基于Nod-Red的邊緣計算網關所具有靈活配置、多種接口和圖形操作方便等優勢，在不需要改變原有智能樓宇監控系統的同時，通過邊緣計算網關的各種軟件接口使智能樓宇系統能快速和其他各個系統進行信息的交互。打破系統級的信息孤島，從而讓好智能樓宇系統為各個相關方面的使用人員服務，從而達到提升智能建筑以人為本的使用目的。

一、 單一設備的信息孤島到單一系統的信息孤島

信息孤島是指相互之間在功能上不關聯互助、信息不共享互換以及信息與業務流程和應用相互脫節的設備或者計算機應用系統[1]。

信息孤島分為：

1、設備通訊孤島，在智能建筑系統中指不能被直接連接的設備。

2、系統信息交互孤島，系統信息交互孤島指多個系統之間，某個系統不能與其他的系統進行信息交互相互，從而使該系統孤立與其他系統的現象。

3、業務孤島，因為系統信息交互孤島的存在，各個業務流程無法跨系統自由流轉，所以產生了業務孤島。

4、管控孤島，因為業務孤島的存在，各個在管控命令只能在本系統之間有效，無法跨系統控制，所以產生了管控孤島。

我們以建筑中的常用的排水井設備為例，該設備利用井中的浮球位置的高低控制電機啟動排水動作。這套設備能夠獨立運轉，不需要接入任何系統，但是智能樓宇監控系統無法知道排水井水位和電機運行狀態，這就是設備數據信息孤島。這一套設備如果出現浮球被卡住不能及時的啟動電機，就會出現排水井溢出造成水漫金山的后果。所以排水井的水位信息和電機的控制信息應該傳送給智能樓宇系統，從而為設備正常運轉做監控保證。

現在我們使用通訊技術和傳感器技術將排水井的水位信息和排水井電機控制信息接入智能樓宇監控系統，系統能夠實時監控水位信息，在水位異常的狀態下能夠及時發出警報使得人員能過快速的去處理這一事件避免產生進一步的災害。這個就是設備打破信息孤島的意義。

雖然設備的信息孤島打破了，但是如果我們將視角拉遠我會就會發現新的問題。天氣因素是排水井控制邏輯的一個重要參數，有了這個參數能夠使迅速的對未來產生排水量做出判斷，提前啟動排水井的排水井功能流出足夠多的余量應對暴雨的沖擊。可是天氣因素這個參數對于智能樓宇監控系統是外部參數，一般是由地方氣象臺進行實時發布。這個信息發布的格式、內容和參數是在隨著科技的發展在不斷的更新中。這樣我們就產生系統孤島智能樓宇監控系統無法與氣象系統對接獲得氣象信息。管理人員意識到去操控排水電機，可是在業務上需要上報和批準。在授權后通過智能樓宇監控系統去運轉排水井中的電機。這樣就是業務孤島和管控孤島的出現。

自控設備和控制系統通信的隔斷與各個系統之間信息交互的隔斷會影響多系統聯動的效率。業務流程單系統需要向其上級主管部門上報情況、接收上級的各種指令和計劃、由上級部門在進行跨系統數據的交換。這種方式嚴重的降低了數據交互的效率，也降低了突發事件的響應速度，信息孤島的問題已經嚴重地阻礙了企業信息化建設的整體進程。所以我們要利用信息化的手段打破了這種系統孤島、業務孤島和管控孤島，使得系統反應更加精確與快速。

二、 利用基于Nod-Red的邊緣計算網關打破信息孤島

上面例子說明了打破系統信息交互孤島的必要性。我們也知道系統信息交互孤島生成的原因。消除系統信息交互孤島是提升樓宇智能化的必經之路。

從日常操作經驗來看智能樓宇監控系統被我們當成是一個孤立的系統，這個系統自成體系不和其他系統產生任何的數據交換。這雖然保證了智能樓宇系統運行的穩定性，但是也阻止了智能樓宇系統的發展。在其他系統不斷發展的背景下，智能樓宇監控系統失去了和其他系統的交流信息的功能。智能樓宇監控系統逐漸成為了系統孤島、業務孤島和管控孤島。

我們不應升級智能樓宇監控系統達到消除信息孤島的目的，原因有三條：

1、 從系統內部觀察原有系統還是十分健壯的。如果我們盲目的升級就會失去原有系統的健壯性，帶來不可預知的后果。

2、 外部更新迅速。企業投入資金將某一系統進行升級，在升級完成后此系統完成了和企業中其余系統信息的對接，該系統所涉及的業務流程可以跨系統進行流程設計并按設計流程進行跨系統執行。但是也會發生因為某一系統升級導致原本未升級的系統不能與新升級的系統通信。如此循環往復，不斷出現信息孤島，造成企業費用升高。

3、 投入費用巨大。新的智能樓宇監控系統的費用不僅包括新系統的研發費用，還包括新的接口的開發費用，這些費用一般由單個項目中消化，其成本是可以想象的。

既然我們不盲目的升級智能樓宇監控系統，那么如何迅速、低成本的打破系統級信息孤島？我認為就是彌合智能樓宇監控系統和外部系統的信息交互差。

首先，我們先總結信息交互差的種類：

1、 接口不匹配的信息交互差。這種信息交互差指兩個系統之間都有同一個功能數據出入口，但是這種數據出入口所需要的軟件數據格式各不相同。十年前我們的系統數據最多數的格式是XML型，但是現在的主流數據格式是JASON型。這個接口型信息交互差也成為數據異構。

2、 內容不匹配的信息交互差。這種信息交互差指兩個系統之間對同一個數據內容理解不一樣。例如氣象系統同發布的暴雨預警，如何在智能樓宇監控系統進行理解成為暴雨信號。

3、 業務流程的信息交互差。這種信息交互差指兩個系統之間對同一個數據所要觸發的業務流程不一樣。例如氣象系統同發布的暴雨預警，如何能在智能樓宇監控系統進行觸發排水井排水的一個信號，并執行相應的動作。

針對信息交互差的特點，我們認為基于Nod-Red的邊緣計算網關是一種快速、有效的彌合信息交互差的手段。利用基于Nod-Red的邊緣計算網關有以下幾個優勢：

1、 開發成本低廉。使用邊緣計算網關不涉及兩個系統的升級工作，只涉及兩個系統接口工作。

2、 載體多樣性。基于Nod-Red的邊緣計算網關可以是一個獨立的硬件，也可以將Nod-Red的邊緣計算網關的軟件抽出部署在一個現有系統所在的服務器上。

3、 開發迅速且功能不斷累積。對于系統信息差的開發目標十分明確，且兩邊系統的參數、功能十分明確，這樣為開發的速度提供了前期的保證。此外開發時兩個系統的接口是分開開發的，降低了開發的耦合度。在新的需求產生時，如存在這種系統接口我們就不必重復的開發。

4、 邏輯功能的自由定義。由于使用者的數量較多且要求不一樣，所以產生的邏輯需求是不一樣的。比如暴雨信號和排水井控制邏輯：這個邏輯所牽涉的系統是兩個氣象發布系統和智能樓宇控制系統，但是具體到某一建筑、園區和酒店他們的具體的流程和邏輯不盡相同。有的要求在接到信息后立即運行，有的因為流程需要二次確認后運行等等不盡相同。我們可以利用邊緣計算網關進行邏輯上的編輯，滿足不同的需求。

三、基于Nod-Red的邊緣計算網關介紹

Node-RED是今年來出現的一個基于物聯網應用的多系統接入編程的新型工具，其重點是拋開復雜的代碼級編程，它以可視化編程方法降低中間系統連接程序開發者的使用難度，允許開發人員將包含特定功能及代碼的節點進行業務流程的連接，從而使系統按照節點連接順序執行任務。連接的節點，通常是輸入節點、處理節點和輸出節點的組合，當它們連接在一起時就能夠完成整個程序的設計，不需要設計人員進行程序編輯。

Node-RED使用節點作為開發應用的基礎，以降低應用的開發難度。Node-RED現有將近3000個節點，這些節點包含了十分豐富的應用功能，比如Modbus節點就包含了和Modbus相關的各種讀寫功能，這個節點可以幫助使用者很容易地對Modbus-RTU和Modbus IP等設備進行鏈接和讀寫操作。

上海上實龍創智能科技股份有限公司是一家立足于樓宇智能控制20余年的企業。在過去的五年中立足與研發基于Node-RED的邊緣計算網關。不僅有可靠基于Node-RED的硬件類網關，還有可部署在linux服務器系統上基于Node-RED的軟網關。并且在云端有一套類似于安卓應用商店節點應用管理中心的服務器，方便用戶根據業務需求找尋相應用節點并下載使用和圖形化的便面對邏輯運算模塊進行類圖形化的編程工作。

綜上所述于Node-RED的邊緣計算網關是一個能夠迅速彌合多個系統因為各種因素所產生的各種信息差的工具。在降低開發成本的同時能夠有效的提升智能樓宇監控系統和其他系統的融合度，使智能化樓宇的智能化水平更高。