基于云平臺與邊緣計算的物聯網數據采集系統設計

一、引言

目前，工業物聯網數據采集作為智能制造和工業4.0的基礎，確保了前端感知的有效性，并為后續的數據處理與分析提供了必要輸入。然而，在實際操作中，工業物聯網數據采集面臨著一系列挑戰：數據量龐大，隨著傳感器數量的增加，產生的數據量呈指數級增長；數據質量問題，工業環境中收集的數據往往是“臟”數據，需要在存儲前進行規范化和清洗，以便能夠用于有效的分析；網絡標準不統一，多種工業協議并存，如ModBus、OPC、CAN、MQTT等，以及一些設備制造商開發的私有協議。

設計云平臺結合邊緣計算模式為這些問題提供方案，云平臺提供了集中式的數據處理和管理中心，可遠程部署和多協議接入通道應用于各地的物聯網設備。邊緣計算支持大規模數據的存儲與分析，并可提供統一的接口供不同設備接入。

二、總體架構

工業物聯網設備通過各種通信技術如4G、Wi-Fi、LoRa等無線方式連接到云端平臺。當這些工業物聯網設備將數據傳輸到云平臺時，不同設備存在不同的數據協議，例如Modbus、OPC UA、MQTT等。數據到達云平臺之后，在邊緣側進行異步處理，邊緣計算對原始數據進行過濾、壓縮和聚合。圖1為云平臺加邊緣計算的方式進行物聯網數據接入的總體架構圖。

三、系統實現的技術路線

（一）設備接入云平臺

為了提供安全、可控的數據存儲和處理空間，系統采用搭建云平臺的私有化網絡環境。為了確保各類設備能夠順暢地與私有云平臺進行通信，平臺支持多種接入方式。設備端安置數據傳輸模塊，通過4G或Wi-Fi提供穩定的數據連接，完成電信號到數字信號成為數字報文通過協議轉發到云平臺，云平臺在接收到設備端的數字信號后通過協議將其轉化為業務數據并儲存到數據庫中。

（二）設備數據采集方式

在數據采集方面，物聯網系統通常面臨三種主要的設備通信方式，每種都需要不同的處理和集成策略：

1.設備通信模塊直接通信：設備已經嵌入了能夠進行網絡通信的硬件模塊，例如Wi-Fi、藍牙、4G、LoRa等。這些設備直接連接到互聯網，實現數據的實時上傳和遠程控制。設備自帶工業局域網通信接口，支持TCP/IP協議通信。在通信模塊里進行數據的讀取后發送至云平臺服務器。

2.接入第三方通信模塊通信：舊式或低成本的設備沒有內置的網絡連接功能，通過添加外部通信模塊來來橋接這些設備與互聯網之間的連接。例如，通過RS-232、RS-485等傳統串行通信方式，或通過Zigbee、Z-Wave等無線技術將數據傳輸到具有網絡功能的網關，再由網關轉發到云服務器。

（三）云平臺集群化

云平臺包括管理控制節點和采集節點，系統通過靈活擴展管理控制機、采集節點數量或擴容機器硬件配置實現采集處理能力靈活擴展，目錄支持采用集群化部署，避免單點故障。 云平臺集群化總架構圖如圖2所示。

（1）控制服務集群

管理控制服務在云平臺中通過多機負載分擔機制來確保任務的高效生成與調度。在這種架構下，不同的管理控制節點共同承擔工作負荷，協同完成作業的生成和調度等關鍵任務。

（2）采集執行服務集群

采集節點在云平臺中構建起一個采集資源池，允許系統根據需要進行動態的資源分配和管理。通過采用先進的負載均衡策略，采集任務可以在多個采集節點之間進行智能分配，確保了任務的高效執行和系統的最優性能，服務端內部采用中間件集群，其中包括Zookeeper、MySQL、Redis、Kafka等。

四、云端數據采集方式

云端數據采集方式主要包含云平臺主動采集和設備主動上報兩種場景。

（一）云平臺主動采集

云平臺作為客戶端，主動與連接的設備進行交互。這種交互通常包括兩個方面：

請求設備數據：云平臺向設備發送指令，要求設備上報其運行狀態、傳感器數據或其他相關信息。

控制設備行為：云平臺向設備發送控制指令，以改變設備的行為或配置。這種控制是簡單的開關操作，也可以是復雜的參數調整。

（二）設備主動上報

設備主動上報數據到云平臺過程涉及以下幾個關鍵步驟：

1.設備初始化：設備在啟動時會根據預設的配置信息（如網絡地址、端口、協議等）準備與云平臺建立連接。

2.建立連接：設備根據配置信息通過各種網絡協議進行與云平臺建立網絡連接，如Wi-Fi、4G、LoRa等。

3.數據上報：設備按照預定的間隔或者在特定條件下，將收集的數據（如傳感器讀數、狀態信息等）上報給云平臺。

4.數據傳輸：數據通過網絡安全地傳輸到云平臺。這個過程中會使用加密技術保護數據。

5.數據接收：云平臺上的服務接收到設備上報的數據，并進行初步處理。

6.數據解析：云平臺對收到的數據進行解析，將原始數據轉換為結構化的信息。

7.數據存儲：解析后的數據被存儲在云平臺的數據庫中，以便對其進行進一步處理和分析。

8.數據處理與分析：對存儲的數據進行處理和分析，提取有價值的信息，支持決策制定，或者觸發相應的業務邏輯。

五、結語

本文聚焦在工業物聯網領域，特別是針對建筑行業中海量且多樣化的設備快速接入問題進行研究。核心解決方案采用了結合云平臺和邊緣計算的模式，以適應物聯網在建筑領域中的特殊需求，如設備類型繁多、通信協議復雜、項目周期短暫、工地地理位置分散及人員流動性大等挑戰。本研究的目的在于搭建一個靈活的接入系統，能夠同時支持多種設備類型或使用不同協議的設備快速接入網絡，確保數據傳輸的高效性和安全性，為建筑行業的物聯網應用提供一個全面的設備接入解決方案，推動工業物聯網技術的應用普及。

作者單位： 中鐵四局集團有限公司、安徽數智建造研究院有限公司

基金項目：建筑物聯網應用關鍵技術研究-B（編號：2022-重大專項-08）。