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【正達信通 】工(gōng)業物聯網平台核心技術之一:數據集成與邊緣處理(lǐ)

時(shí)間:2021-05-28

從(cóng)本文(wén)開(kāi)始,将着重探讨關于工(gōng)業物聯網平台的關鍵技術。工(gōng)業物聯網平台需要解決多類工(gōng)業設備接入、多源工(gōng)業數據集成、海量數據管理(lǐ)與處理(lǐ)、工(gōng)業數據建模分析、工(gōng)業應用(yòng)創新與集成、工(gōng)業知(zhī)識積累叠代實現(xiàn)等一系列問題,涉及七大(dà)類關鍵技術,分别爲數據集成和(hé)邊緣處理(lǐ)技術、IaaS 技術、平台使能(néng)技術、數據管理(lǐ)技術、應用(yòng)開(kāi)發和(hé)微服務技術、工(gōng)業數據建模與分析技術、安全技術。

工(gōng)業物聯網平台按層級分第一層是邊緣,此層是通過大(dà)範圍、深層次的數據采集,以及異構數據的協議(yì)轉換與邊緣處理(lǐ),構建工(gōng)業物聯網平台的數據基礎。

一是通過各類通信手段接入不同設備、系統和(hé)産品,采集海量數據;

二是依托協議(yì)轉換技術實現(xiàn)多源異構數據的歸一化和(hé)邊緣集成;

三是利用(yòng)邊緣計(jì)算(suàn)設備實現(xiàn)底層數據的彙聚處理(lǐ),并實現(xiàn)數據向雲端平台的集成。

一、設備接入方式

我們經常看(kàn)到(dào)通過物聯網實現(xiàn)設備聯網。但(dàn)設備究竟是如何聯網的卻語焉不詳。今天我們來(lái)探讨下(xià)設備究竟是如何聯網的。

設備接入是基于工(gōng)業以太網、工(gōng)業總線等工(gōng)業通訊協議(yì),以太網、光纖等通用(yòng)協議(yì),3G/4G/5G、NB-IOT等無線協議(yì)将工(gōng)業現(xiàn)場設備接入到(dào)平台的邊緣層。

設備聯網有兩種方式:

第一種方式:直接接入

直接接入網絡需要滿足一個要求,即設備本身具備聯網的能(néng)力或者在設備端加入2G、3G、NB-IOT等通訊模組。具備通訊功能(néng)的設備,可以直接接入網絡。

第二種方式:網關接入

設備或終端本身不具有聯網能(néng)力,這(zhè)就需要本地組網後,再統一通過網關再接入網絡。如終端通過ZigbeeLORA等無線組網,然後設備再通過網關統一接入到(dào)網絡上(shàng)。常用(yòng)到(dào)的本地無線組網技術有ZigbeeloraBleMeoHsub-1GHZ等等。

二、網關

1、什(shén)麽是網關

網關既然如此厲害,那麽什(shén)麽是網關呢(ne)?網關(Gateway)又稱網間連接器、協議(yì)轉換器。網關在網絡層以上(shàng)實現(xiàn)網絡互連,是最複雜(zá)的網絡互連設備,僅用(yòng)于兩個高(gāo)層協議(yì)不同的網絡互連。網關既可以用(yòng)于廣域網互連,也(yě)可以用(yòng)于局域網互連。網關是一種充當轉換重任的計(jì)算(suàn)機系統或設備。使用(yòng)在不同的通信協議(yì)、數據格式或語言,甚至體系結構完全不同的兩種系統之間,網關是一個翻譯器。與網橋隻是簡單地傳達信息不同,網關對(duì)收到(dào)的信息要重新打包,以适應系統的需求。

2、網關的功能(néng)

簡單地來(lái)說,網關就是一個處于本地局域網與外(wài)部接入網絡之間的智能(néng)設備。網關的主要功能(néng)是網絡隔離、協議(yì)轉換和(hé)适配、數據内外(wài)傳輸,還有一項功能(néng)在工(gōng)業互聯網平台中很(hěn)重要,就是邊緣計(jì)算(suàn),它占據了(le)50%左右的計(jì)算(suàn)。而邊緣計(jì)算(suàn)大(dà)部分是通過網關或網關服務器來(lái)完成的。具體來(lái)說,網關主要功能(néng)包括:

(1)廣泛的接入能(néng)力

(2)網絡隔離

(3)協議(yì)轉換能(néng)力

(4)邊緣計(jì)算(suàn)

3、網關工(gōng)作(zuò)過程

以ZigBee爲例來(lái)探讨下(xià)網關。ZigBee 因其低(dī)成本、低(dī)功耗、組網靈活等衆多優勢,成爲工(gōng)業無線通信技術中備受關注的技術之一。ZigBee 是一種低(dī)速網絡,傳輸速度爲10KB/S~250KB/S,多樣的互聯方式使得組網方式靈活而穩健。采用(yòng)ZigBee 協議(yì),應用(yòng)于工(gōng)業現(xiàn)場短距離的無線控制、監測、數據傳輸等的以太網協議(yì)轉換,實現(xiàn)遠程監控、遠程數據交互等。

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可通過ZigBee 以太網網關直接訪問或修改儀表數據,實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程監控、遠程診斷等當網關接入GPRS 或因特網後,無論你(nǐ)身處何地都可随時(shí)訪問工(gōng)業現(xiàn)場儀表數據,實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程組态、遠程診斷以及遠程操作(zuò)等功能(néng),使世界範圍内的不同傳感監測網絡可以信息共享。

一個典型的網關架構圖:

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當網關接收到(dào)一個正常發往本地IP 的以太網數據包後,經過協議(yì)判斷送往上(shàng)層UDP(TCP)處理(lǐ),最後到(dào)網關的應用(yòng)程序處理(lǐ)網關應用(yòng)程序經過分析判斷,确定需要轉發給ZigBee 網絡中的哪個節點,經過ZigBee 端的ARP 地址解析出對(duì)應的ZigBee 中的節點MAC地址,将相應的數據包送至該節點,完成一次數據通訊。同理(lǐ),當ZigBee 端收到(dào)數據包後,通過同樣的解析将數據包送至對(duì)應節點或設備實現(xiàn)ZigBee 節點的實時(shí)訪問、修改、組态等。

三、數據傳輸方式

物聯網的傳輸層主要負責傳遞和(hé)處理(lǐ)感知(zhī)層獲取的信息,分爲有線傳輸和(hé)無線傳輸兩大(dà)類,其中無線傳輸是物聯網的主要應用(yòng)。無線傳輸技術按傳輸距離可劃分爲兩類:一類是以Zigbee、WiFi、藍牙等爲代表的短距離傳輸技術,即局域網通信技術;另一類則是LPWAN(low-power Wide-Area Network,低(dī)功耗廣域網),即廣域網通信技術。LPWAN又可分爲兩類:

一類是工(gōng)作(zuò)于未授權頻譜的LoRa、Sigfox等技術;

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另一類是工(gōng)作(zuò)于授權頻譜下(xià),3GPP支持的2G、3G、4G、5G蜂窩通信技術,比如eMTC、NB-IoT。*局域網傳輸設備,應用(yòng)于本地的連接技術,主要有BLE、Zigbee、Z-ware、NFC、Wifi/藍牙等。

 *廣域網傳輸設備,應用(yòng)于廣域和(hé)遠程數據的連接技術,主要有3G/4G/5G、Ethernet、LTE、eMTC、NB-IOT等。

根據傳輸速率的不同,物聯網業務可分爲高(gāo)速率、中速率及低(dī)速率業務。其中,高(gāo)速率業務主要使用(yòng)3G、4G 及WiFi技術,可應用(yòng)于視(shì)頻監控、車載導航等場景;中速率業務主要使用(yòng)藍牙、eMTC等技術,可應用(yòng)于智能(néng)家居、儲物櫃等高(gāo)頻使用(yòng)場景;低(dī)速率業務,即LPWAN(低(dī)功耗廣域網),主要使用(yòng)NB-IoT、LoRa、Sigfox及ZigBee等技術,可應用(yòng)于智慧停車、遠程抄表等使用(yòng)頻次低(dī)的應用(yòng)場景。

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根據麥肯錫咨詢所調研的數據來(lái)看(kàn),全球物聯網市場有大(dà)約60%以上(shàng)都屬于低(dī)速率業務,這(zhè)類應用(yòng)需要具有支持海量連接數、低(dī)終端成本、低(dī)終端功耗和(hé)超強覆蓋等能(néng)力。由于自(zì)身的發展以及成本等問題,各個企業都在向低(dī)成本、低(dī)功耗等方向發展。而在低(dī)速率領域,中國電信企業如中國移動、中國電信等都主要以發展NB-IoT(窄帶物聯網)爲主,而LoRa在中國電信類企業之外(wài)也(yě)是發展的重點。

四、數據解析方式

傳感器和(hé)設備信息需要通過各種不同的協議(yì)實現(xiàn)數據接入的。協議(yì)轉換分爲兩個方面:

一方面運用(yòng)協議(yì)解析、中間件等技術兼容ModBus、OPC、CAN、Profibus等各類工(gōng)業通信協議(yì)和(hé)軟件通訊接口,實現(xiàn)數字格式轉換和(hé)統一。

另一方面利用(yòng)HTTP、MQTT等方式從(cóng)邊緣層将采集的數據傳輸到(dào)雲端,實現(xiàn)數據的遠程接入。

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在轉換協議(yì)中,主要有協議(yì)即用(yòng)于短距離設備連接的本地協議(yì) Modbus 以及支持物聯網進行遠程全局通信的可擴展互聯網協議(yì)MQTT。

ModBus

ModBus首次出現(xiàn)于 1979 年,是連接行業設備實際使用(yòng)的标準協議(yì)。是一種純粹的“軟”協議(yì),不依賴于任何通訊介質和(hé)通訊設備。ModBus 的核心是一個串行通信協議(yì),采用(yòng)主從(cóng)模式,借助 RS-485,主從(cóng)機之間的通信發生在指示功能(néng)碼的幀中。該功能(néng)碼可識别要操作(zuò)的功能(néng),如讀取獨立輸入;讀取先進先出隊列;或執行診斷函數。然後,從(cóng)機根據收到(dào)的功能(néng)碼進行響應,該響應較爲簡單,由一組字節指示。因此,從(cóng)機可以是智能(néng)設備,也(yě)可以是隻有一個傳感器的簡單設備。 

MQTT

MQTT 是一個開(kāi)放(fàng)的輕量級機器對(duì)機器協議(yì),專爲物聯網交互設計(jì)。MQTT 網絡包含一個 MQTT 經紀人 (broker),負責協調 MQTT 代理(lǐ)之間的交互。代理(lǐ)是發布器,負責發布供用(yòng)戶使用(yòng)的信息。MQTT支持傳感器、設備和(hé)雲之間安全交互。 

五、數據接入架構

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上(shàng)圖爲數據接入架構圖。設備或傳感器的信息通過ModBus等協議(yì)将數據傳輸到(dào)網關,再通過MQTT等協議(yì)将數據傳輸到(dào)雲平台,在雲平台上(shàng)進行數據解析與存儲,再通過雲計(jì)算(suàn)成爲管理(lǐ)和(hé)決策的重要依據。

六、結語

工(gōng)業物聯網平台,數據連接是第一步,是基礎。基于海量工(gōng)業數據的全面感知(zhī),通過端到(dào)端的數據深度集成構成網絡的邊緣層,再通過建模分析,實現(xiàn)智能(néng)化的決策與控制指令,形成智能(néng)化生産、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸等新型制造模式。

作(zuò)者:物聯研究 

來(lái)源:CSDN

原文(wén)地址:https://blog.csdn.net/iot_research/article/details/82662797

關于正達信通

北京中科恒信通科技有限公司(以下(xià)簡稱正達信通)是國家級高(gāo)新技術企業,主要爲數據中心和(hé)物聯網領域提供基礎設備和(hé)解決方案服務。同時(shí),也(yě)是ABB公司網絡能(néng)源産品的核心代理(lǐ)商,爲廣大(dà)用(yòng)戶提供優質的産品和(hé)高(gāo)效的服務。

在數據中心領域,主要提供動環監控、DCIM、UPS、精密空(kōng)調、智能(néng)配電、微模塊、機房節能(néng)等相關産品及解決方案。其中ZedaView機房綜合管控平台爲我公司自(zì)主知(zhī)識産權産品,可爲各級客戶定制開(kāi)發數據中心的監控管理(lǐ)平台。

在物聯網領域,打造了(le)ZedaSmart全系列物聯網産品,形成以ZedaCloud物聯網雲平台,ZedaEdge邊緣計(jì)算(suàn)平台,ZedaDataLink邊緣計(jì)算(suàn)網關設備,ZedaDataHMI邊緣計(jì)算(suàn)人機交互設備,ZedaDataRTU邊緣采集終端爲核心的物聯網雲,邊,端的全産業鏈産品,通過智能(néng)終端設備與物聯網雲平台的融合,提供泛物聯網應用(yòng)的整體解決方案,在工(gōng)業物聯網,建築物聯網,鐵(tiě)路物聯網應用(yòng),結構體監測物聯網應用(yòng)等行業和(hé)領域已經有成熟的案例和(hé)技術方案。



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