基于端邊云協同的煙草企業物聯網平臺的設計與實現

摘要：物聯網、云計算等新技術的發展推動了其在工業生產領域的深度應用，由此帶來相應的工業生產方式發生了較大變化。煙草企業終端需要進行采集的數據量與類型越來越多，業務的遠程控制需要快速進行響應。在此背景下，迫切需要對整個煙草企業物聯網平臺進行設計與實現。系統采用端邊云協同處理技術完成整個數據采集、傳輸與云處理，以此推動生產方式、生產模式等創新，實現工業生產效率的提升和資源的優化。

關鍵詞：物聯網云平臺；煙草企業；端邊云；云計算

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.081

中圖分類號：TM 92；TP 3 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）09-0-04

Design and Implementation of an Internet of Things Platform for Tobacco Enterprises Based on End-to-end Cloud Collaboration

JI Miao， YANG Hai， ZENG Qiang， LIN Yang

（Wuhan Cigarette Factory， Hubei Zhongyan Industry Co. ， Ltd. ， Wuhan 430048， China）

Abstract： The development of new technologies such as the Internet of Things （IoT） and cloud computing has driven their deep application in industrial production， leading to significant changes in industrial production methods. The amount and type of data that needs to be collected at the end of the tobacco industry's production process is increasing， and remote control of business operations needs to be responded to quickly. In this context， there is an urgent need to design and implement an IoT platform for the entire tobacco industry. The system uses end-edge-cloud collaborative processing technology to complete the entire data collection， transmission， and cloud processing， thereby driving innovations in production methods and modes and achieving efficiency improvements and resource optimization in industrial production.

Keywords： Internet of Things cloud platform; tobacco enterprise; end cloud; cloud computing

1 研究背景

數字經濟已成為全球范圍內產業轉型升級的重要驅動力，也是我國“十四五”時期提升產業核心競爭力、實現經濟高質量發展的必由之路。為抓住推進煙葉數字化轉型的重要戰略機遇期[1]，武漢卷煙廠逐步上線了一批數字化應用系統，由此帶來多個方面的問題，主要包括：不同類型的數字化應用終端采集設備缺乏統一的接入規范和標準；數字化應用上線對基礎設施資源建設提出了新需求；數字化應用的資源分散，缺乏統一的管理。在此背景下，需要對整個煙草企業物聯網平臺進行設計與開發，以此對整個數字化應用的全生命周期進行統一集中管理[2]。

2 關鍵技術

2.1 物聯網

在煙草企業物聯網平臺的設計與實現中，通過網絡技術協議將不同類型的設備與網絡進行連接，以此完成數據信息的交互處理，實現不同物聯網設備的追蹤、定位識別與管理[3]。整個煙草企業物聯網平臺中，核心技術有三個部分，依次是傳感器技術、嵌入式系統技術與RFID標簽技術。傳感器技術主要將終端采集的模擬信號進行轉化，以此獲取相應的數字信號；嵌入式系統技術主要是對各類終端采集信號進行預處理；RFID標簽負責對各類不同的終端進行唯一化標識，方便其在物聯網系統之中進行識別確認[4]。

2.2 云計算

在整個煙草企業物聯網平臺中，采集的數據信息主要通過云計算技術進行處理。云計算主要通過任務分發處理，來完成整個并行計算，因此云計算又被稱為網格計算，能夠在短時間之內完成數以萬計的數據處理工作[5]。通過網絡云將整個程序分解成無數小程序進行處理，之后這些處理結果返回給用戶。整個云計算技術包括負載均衡、網絡存儲、并行計算等多種網絡技術，為用戶提供強大的數據服務[6]。

3 需求分析

3.1 系統業務分析

在系統需求分析階段，首先需要完成系統的業務分析，通過不同類型用戶的使用，確定整個系統需要開發的功能。整個業務功能覆蓋煙草生產的全環節、全過程，方便后期對整個煙草生產數據信息進行分析與決策，降低總體管理成本，整個系統的具體業務功能包括：

（1）整個煙草生產的全過程數據信息通過各類終端進行采集，這些采集的數據信息主要是煙草各個生產階段的關鍵數據信息，有異常及時進行報警，后期能夠對這些數據進行溯源操作。

（2）對于采集的數據信息，云端主要采用云計算技術進行總體分析與決策，完成不同類型業務的處理，滿足煙草企業物聯網平臺的功能處理需求。

3.2 系統功能需求分析

煙草生產的全過程數據信息通過物聯網終端采集之后，首先傳輸到邊側的服務器端，之后服務器中的數據信息傳輸到云端，即省級部署的節點之中。整個系統的具體相應功能包括：

（1）數據采集：物聯網終端負責對各類數據信息進行采集，之后傳輸到邊緣計算終端，之后邊端將數據信息傳輸到平臺端。

（2）傳輸過程加密：整個數據傳輸采用加密與解密技術進行，有效保障整個煙草物聯網平臺數據信息的安全性。

（3）數據緩存機制：煙草企業生產數據采集的時候如果無網絡信號或者網絡較差，需要將這部分采集的數據信息進行緩存處理，后期在網絡信號恢復時候進行傳輸，保障數據信息的完整性，滿足終端、邊端與云端之數據交互的需要。

（4）采集數據傳輸鏈路采用華為5G通信平臺進行管理，整個傳輸鏈路呈現低時延、多接口、高性能與大鏈接的特點，能夠支持4G/5G、雙頻Wi-Fi、千兆/萬兆以太網等設備同時接入。雙頻Wi-Fi是一種無線網絡技術，它使用兩個不同的頻段來傳輸數據，傳統的Wi-Fi網絡通常使用2.4 GHz頻段，而雙頻Wi-Fi則同時使用2.4 GHz和5 GHz頻段。

4 系統設計

4.1 系統設計原則

整個煙草企業物聯網平臺設計開發之中，需要遵循多方面系統設計原則，以此提升整個系統的安全性、可維護性及友好性，具體系統設計原則內容如下：

（1）系統可維護性：在進行系統功能設計的時候，良好的系統維護性是重要的設計原則。不同系統功能之間的耦合度需要降低，后續相關的升級與擴展也需要嚴格遵循此原則，根據用戶的使用體驗進行優化，有效降低系統升級維護的成本。

（2）系統安全性：在整個系統日常開發中，需要在代碼層與應用層加入保護措施使得整體系統的安全性得到保障，一旦數據或應用程序出現任何問題時能夠實時進行預警，及時進行整改，保障系統相關數據的快速恢復。

（3）系統使用友好性：在不同用戶功能的操作之中，系統使用的友好程度是重要的衡量指標。用戶操作完成的時候，系統需要給出各類操作提示信息，方便用戶能夠對整個功能模塊進行響應與處理，順利完成系統各項功能的操作。

4.2 體系架構設計

圍繞整個煙草物聯網平臺管理的需求，整體體系架構按照四層的模式來進行設計，此分層設計模式能夠有效的降低功能間的耦合度，提升整個物聯網平臺后續的可擴展性。煙草企業物聯網平臺采用的四層分別是基礎設施、應用整合層、平臺應用層與終端接入層，每一層的重點關注的內容有些不同。具體系統體系架構圖如圖1所示。

詳細各個架構內容如下：

（1）可視終端接入層：系統對外提供不同的展現方式，用戶能夠通過移動終端、PC、PDA等方式完成系統的瀏覽與操作，有效提升用戶的使用體驗。

（2）平臺應用層：此層的主要目標是為系統使用的各個用戶提供不同的操作功能，具體包括煙草生產設備啟動引導、身份鑒權、設備重置、全自動倉儲智能控制與實時監控、故障報警、多協議接入管理等功能；用戶結合煙草業務的不同，基于端邊云協同的技術完成相應模塊的操作處理。

（3）平臺應用整合層：此層的主要工作是不同用戶完成功能操作之后，主要在業務邏輯層進行總體的響應與處理，具體包括應用整合、數據整合、業務整合等內容，相應底層數據層與之對應的業務數據被功能模塊所調用，以便能夠更好地對用戶的操作需求進行響應。

（4）基礎設施層：此層主要為整個邊側提供基礎設施，包括操作系統、數據庫系統、主機服務器及存儲系統、網絡及通信系統、智能終端控制設備、網關控制、物聯網采集終端等。

4.3 網絡架構設計

在煙草企業物聯網平臺中，主要的業務處理功能分為數據采集、傳輸與處理。物聯網平臺采用B/S網絡模式進行設計，整個業務在完成處理之后進行反饋。用戶操作命令通過網絡發送到物聯網終端，之后在終端瀏覽相應的處理結果，整個煙草生產業務處理過程的數據信息存儲在數據庫中。整個網絡設計依次分為云端、網絡端及終端三個部分，詳細內容如下：

（1）云端：云端主要是省級部署的節點，其主要與不同的邊側進行數據信息交互，將日常煙草生產過程的關鍵數據信息進行上報。

（2）網絡端：在整個平臺網絡設計中，網絡端負責云端與終端之間的數據信息傳輸。整個系統主要功能是完成煙草生產全過程的數據信息采集、處理與分析，記錄每一個生產過程的數據信息，方便后期出現質量問題進行溯源。整個煙草生產過程中產生的各類不同數據信息存儲在系統數據庫中，整個系統按照不同部門的用戶類型區分不同的操作功能，用戶進入系統完成這些功能模塊的操作，以此滿足煙草生產線不同業務的操作需要。

（3）終端：主要包括各類智能處理設備，包括工控機、攝像頭、傳感器、智能終端等，以此完成各類數據信息的采集與處理。不同種類的數據信息完成采集之后，結合具體的場景通過NB-IoT、Wi-Fi、4G、5G等不同網絡模式完成數據信息的傳輸。

5 系統實現與應用效果分析

在煙草行業“十四五”網絡安全和信息化發展規劃中，具體提出構建“平臺賦能、數據驅動、融合創新、安全可控”的網信發展新格局。按照工業互聯網體系技術架構，結合武漢卷煙廠實際運行情況，以邊緣計算、超融合技術為切入點，設計工廠數字化應用基礎架構。通過該項目研究制定物聯網終端接入和數采規范，實現工業互聯網絡接入IP化和標準化，提高接入效率，實現武漢卷煙廠智能應用的統一管理，使用工業互聯網平臺省級和邊側節點實現對應用的上架、申請、部署、運行、運維以及設備數據協同等全生命周期管理，有效沉淀不同業務場景的應用效果，形成協同管理規范，為后繼相關、相似場景的進一步推廣打下良好基礎?；诠I互聯網平臺的煙草企業物聯網平臺的應用效果如下所示：

（1）三維可視化管理：整個平臺中完成煙草生產線、廠房等三維建模，提升可視化的便利性，主要采用VR、BIM與GIS相關技術進行實現。

（2）數據全面感知，設計優于標準規范：整個煙草企業物聯網平臺基于國家與行業相關標準規范，采用系統工程的設計理念，能夠將各個子系統進行充分融合；平臺能夠全面采集煙草生產各個環節的數據信息，采用微服務的設計理念，整個數據信息傳輸支持不同網絡模式。

（3）智慧化分析與決策：整個系統采用云計算技術進行分布式計算與分析，快速完成各類異常與隱患分析，提升數據分析效率。

（4）一體化運維：通過移動端、平臺端等跨平臺的設計開發應用模式，提升各個部門的數據信息共享效率，對整個煙草生產全過程進行一體化監控與運維管理。

6 結束語

目前設計開發的煙草企業物聯網平臺能夠及時對各類工業數據信息進行采集與傳輸，平臺端對采集的數據信息進行實時監測，同時能夠完成設備遠程控制、統計分析等模塊操作，為煙草企業物聯網平臺的運維提供信息化的高效率管理方式，降低各類安全隱患與風險發生的概率。

參考文獻

[1] 王帆．煙草物流的數字化賦能影響因素研究[J]．中國儲運，2023（11）：8-9．

[2] 陳浩，楊明，黃丹．我國煙草物流協同發展現狀與趨勢[J]．中國市場，2023（07）：11-12．

[3] 周杰，王申，田敏．基于無線傳感器網絡的遠程醫療監護系統設計[J]．科技與創新，2019（13）：59-60．

[4] 胡偉，李博為，孟建明，尹志良．物聯網技術在煙草機械設備中的應用[J]．內燃機與配件，2020（03）：2-3．

[5] 尚晏瑩．“互聯網+”商業模式創新影響因素及路徑研究-以制造企業為例[D]．西安：西安理工大學，2019（05）：21-22．

[6] 潘博．“雙碳”目標下煙草物流碳排放管理機制研究與探索[J]．物流技術與應用，2022（05）：33-34