無線電監測站物聯網平臺管理系統頂層架構設計

韓將星

（延邊朝鮮族自治州工信局無線電監測站，吉林 延吉 133000）

0 引 言

隨著5G、天基物聯網、大數據等新一代信息通信技術（ICT）的迅猛發展，全球范圍內將掀起新一輪科技革命和產業變革。物聯網作為繼計算機、互聯網之后信息產業發展的第三次浪潮，將是下一個推動世界高速發展的“重要生產力”，將產生通信網之后的另一個近百萬億級市場[1]。當今，物聯網平臺技術已經被廣泛應用于軍事、電力、鐵路、農業、水文監測、能源管理、車輛管理、設備庫管理、機房管理、安全管理、智慧家居等領域。在設備庫管理方面，軍事[2]、無線電監測站[3]等領域提出了物聯網統一平臺下基于RFID的設備庫管理系統。在物聯網平臺設備管控方面，電力[4-6]、鐵路[7-8]、農業[9]、水文監測[10]、無線電監測站[11]等領域提出利用大數據、云計算、人工智能等信息技術，在物聯網統一大平臺下實現對設備的狀態感知監測及控制、能源管理及數據管理。在車輛管理方面，針對目前公務用車監管存在的諸多漏洞，設計了基于JT808的北斗公務車物聯網平臺[12]、基于B/S結構的車輛管理系統等[13]，使車輛管理更為科學合理。在安防管理方面，基于物聯網的通信機房門禁監控管理系統[14]、基于多傳感器數據融合的火災報警系統[15]、基于OneNET物聯網平臺的車位鎖控制系統[16]等，均通過第三方物聯網云平臺管理實現對安防系統的管控。在智能家居方面，基于機智云平臺的智聯網家居控制系統[17]、基于物聯網的智慧家庭管理平臺系統[18]等均通過機智云平臺，統一管理平臺的智慧家庭系統與第三方物聯網云平臺的融合應用，實現對智能家居各功能模塊的有效智能化管控。可見，國內學者對相關領域已進行了大量技術研究與應用，物聯網技術的應用為我國無線電監測站物聯網平臺技術設施建設帶來美好的發展前景。然而，針對當前物聯網發展態勢，我國無線電監測站目前存在如下問題。

（1）物聯網設備監管、控制方面：缺乏科學智能化的物聯網設備狀態管理與控制平臺，導致對設備的高效使用、設備故障預防、生命周期管理、設備管理決策等監管效率低下；

（2）設備倉儲管理方面：缺乏科學智能化的物聯網設備庫管理，落后的人工管理方式相比先進的智能化倉儲物聯網管理手段，管理效率極其低下。

（3）智能物聯網應用方面：智慧能效、智能家居、車輛管理、安防管理等智能化物聯網系統尚未廣泛普及，導致不必要的人力、財力、物力的浪費。

為解決上述問題，本文結合業界物聯網平臺的研究現狀及應用，對無線電監測站物聯網平臺管理系統、功能模塊、平臺層、工程結構等進行架構設計，并介紹監測站室內、室外物聯網平臺的主要功能模塊。

1 物聯網平臺管理系統架構

系統設計理念是以物聯網技術為基礎，以新一代ICT（Information and Communications Technology, ICT）技術為載體，充分應用“大云物移智”等現代信息技術，實現智能感知與控制，構建綠色、節能、健康、安全的智慧無線電物聯網平臺。無線電監測站物聯網平臺管理系統主要由終端層、網絡層、平臺層及應用層組成，如圖1所示。

1.1 終端層

終端層主要通過射頻技術（RFID）、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術等完成信息的采集、獲取和識別。該層主要通過傳感器等器件采集環境、資產以及運營狀態信息，進行信息數據的適當處理之后，傳輸給網絡層。同時，接收控制指令信息，完成應用層對終端層的控制。無線電監測站的物聯網平臺終端層主要包括固定監測基站平臺、網格化監測網平臺、移動監測車輛平臺、無人機系統平臺、便攜式移動設備、網路設施機房、智能終端、室內智能家居、安防監控等。

圖1 無線電監測站物聯網平臺管理系統架構

1.2 網絡層

網絡層作為連接感知層、平臺層、應用層的中間信息承載層，主要負責信息的接入與傳輸，通過豐富的接口資源、邊緣計算平臺等物聯網網關，實現監測站多業務場景不同協議類型的物聯接入和業務處理。網絡傳輸方式包括有線和無線接入網、天基物聯網、低功耗廣域網、局域網、蜂窩網等，可及時將信息進行處理分析。比如，機房設備健康狀態監控系統、車輛管理系統、智能家居系統、安防系統等，可以根據室內、室外地理位置情況使用有線、無線網絡，也可以使用衛星導航、天基物聯網、低功耗廣域網、蜂窩網、局域網等傳輸數據，最終將數據匯集到無線電監測站物聯網云管理平臺，進行統一集中管理。

1.3 平臺層

平臺層基于云架構、AI、大數據、邊緣計算、第三方服務等技術平臺搭建一體化物聯網運維平臺，實現數據信息的智能管控、智能算法分析，統一建模、統一存儲，統一為應用層服務提供接口服務，并利用可視化顯示平臺展現各類數據模型，便于決策與判斷。平臺層作為依托網絡，連接應用的橋梁，實現對終端設備和資產的“管、控、營”一體化管理，面向第三方應用服務提供商提供應用開發能力和統一接口，并為第三方服務商提供通用的服務能力，如數據路由、通信管理、應用開發、設備維護服務等[19]。

1.4 應用層

應用層在提供統一運維門戶的基礎上，經平臺層分析處理數據后，針對各類業務需求，通過移動手機、移動辦公、可視化顯示平臺等智能終端手段，以軟件即服務（SaaS）方式將其提供給用戶。用戶通過應用層的軟件功能模塊將相關內容與控制指令反饋至平臺層與終端層。隨著科技的進步，將衍生出越來越豐富的物聯網應用服務，創造巨大的社會價值。應用層主要提供安防管理、視頻監控、運維服務管理、服務流程管理、信息服務等相關功能。

系統總體技術架構充分應用當今物聯網領域各項先進技術，如5G、大數據、人工智能、衛星互聯網等新一代信息通信技術，針對現階段及未來無線電監測站車聯網、監測網、無人機平臺等各項先進技術設施建設需求，提供強有力的物聯網技術保障，可大幅提高工作效率，減少人力、物力成本。通過與第三方物聯網平臺系統進行數據存儲、共享等融合對接，不僅可以彌補監測站物聯網云管理系統的技術缺陷，更擴大了物聯網領域應用范圍，如靈活應用不同廠商的物聯網終端設備進行有效管理等，提高服務效率，縮短建設周期，降低成本。

2 系統功能架構

系統功能架構包括設備健康狀態監控、RFID設備庫管理、智慧能效管控、智能家居、車輛管理、安防等子系統，系統功能架構如圖2所示。

圖2 無線電監測站物聯網平臺管理系統功能架構

2.1 設備健康狀態監控系統

設備健康狀態監控系統是基于大數據、設備檢測傳感器、采集電路、物聯網等技術實現監測站室外、室內設備的工作狀態、運行質量和工況信息并進行采集、整合、處理、分析后，構建的安全、高效、智能的故障診斷預測和自身健康狀態實時監控和預警管理平臺[20]。隨著云計算、人工智能等技術的快速發展，設備狀態監控技術朝著智能化方向發展，進一步對設備運作狀態進行有效的智能故障原因回溯分析，可保障設備運作檢測系統的正常運行[21]。在系統運行效率方面，例如針對物聯網設備數據量大且復雜的特性，文獻[22]提出了一種針對物聯網設備的海量數據處理架構，同時結合Dask分布式計算框架，設計了基于Hadoop環境的分布式物聯網設備狀態分析處理系統，能夠快速準確地進行設備狀態預測。相關功能模塊包括設備狀態監測、能效管控、維修管理、報廢管理、智能報警、智能決策等。

2.2 RFID設備庫管理系統

隨著新技術的不斷更新換代，無線電監測站設備庫設備種類變得日益復雜、數量逐年增多，因此對設備庫的科學智能化管理變得日益迫切。面對當前設備庫管理需求，文獻[3]針對無線電監測站存在的問題，提出了基于物聯網RFID的無線電監測站設備庫智能化管理系統方案，該方案對設備的出入庫管理、設備資產管理、設備位置管理、狀態管理、維修管理、使用率管理等進行了統一集中化科學管控。

2.3 智慧能效管控系統

新能源發電、智能電網、智能家居等技術的逐步成熟，使企業及家庭生活用電結構逐漸發生改變，并隨之產生了相應的智能化能效管控系統。傳統的用電結構存在人走忘記斷電、亂用電等不合理用電現象，加劇了能源供需不平衡的矛盾，更存在安全隱患[23]。智慧能效管控系統通過物聯網（如WiFi、ZigBee等）信號接收電路對智能電表、水表、燃氣表、熱量表、智能家居等終端層的信息進行自動采集與分析，在了解各終端層的能源消耗情況后，結合周圍的電網系統、儲電系統、新能源發電系統等實際狀況，科學控制能源終端智能插座、智能開關等控制終端，實現節能環保、綠色低碳以及高效安全的目標。

2.4 智能家居系統

隨著傳感器技術、自動化技術、嵌入式技術、大數據、云平臺、移動互聯等基礎應用的迅速發展，智能家居的功能組成將變得更加多樣化。目前，市面上的智能家居產品主要利用無線通信技術將智能家居設備與多功能網關連接，多功能網關接收的數據存儲在本地自建服務器或第三方云平臺服務器端，最后通過安裝特定的手機APP對各智能家居設備進行監控。例如文獻[24]為克服智能家居系統受第三方云平臺的限制，以及智能手機操作系統帶來的APP開發與安裝問題，將內置WiFi模塊的CC3200作為數據采集與處理核心、自建服務器作為數據存儲轉發中心、微信公眾號作為控制程序，設計并實現WiFi+微信公眾號+自建服務器的智能家居系統。智能家居控制系統可通過有線、無線、紅外、KNX總線、RF（射頻）等方式實現物聯網通信，主流通信手段的無線通信方式主要采用近距離局域網（WiFi，藍牙，ZigBee等）或遠距離低功耗廣域網（NB-IoT，LoRa等）通信，例如NB-IoT無線通信技術的智能家居系統[25]，華為云服務器平臺下基于NBIoT的小型遠程測控智能家居系統[26]等。

綜上所述，本地自建云服務器平臺與第三方云服務器平臺融合建立云管理平臺，并以WiFi、ZigBee近距離局域網與NB-IoT遠距離廣域網相結合的方式進行物聯網連接，實現智能家居系統的靈活多樣化服務。

2.5 車輛管理系統

當今網絡時代，車輛管理系統已普遍應用于企業及政府機關，然而大部分地區的無線電監測站還在用傳統的人工操作方式管理車輛與人員。各地區無線電監測站車輛少則幾臺，多則十幾臺，甚至幾十臺，而且，車輛數量還在逐年增多。因此，進一步規范監測站用車的規范性與效率，對車輛進行科學監控管理乃大勢所趨。例如，文獻[27]介紹了一套基于人臉識別的車輛管理系統以及相應的軟硬件構成，該系統真正實現了對車、庫、柜、卡、人的綜合管理，大大節約了人工成本。無線電監測站車輛管理系統應結合先進的物聯網、自動駕駛、車載健康監測[28]等技術，提高車輛管理、行駛監控等平臺綜合服務效率。

2.6 安防系統

室內安防系統一般主要基于現代網絡通信與物聯網技術，通過安裝攝像頭、門窗磁、智能門禁和紅外入侵檢測儀器等安防設備實現防盜、防水、防火等功能。無線電監測站安防系統可以借助第三方物聯網云平臺、大數據、人工智能算法等，設計出符合監測站平臺的安防系統。

3 物聯網平臺架構

無線電監測站物聯網平臺由監測站云管理平臺與第三方云管理平臺組成。監測站云與第三方云之間深度融合，具有相似的邏輯功能。平臺可分為四部分，連接管理平臺、應用支撐平臺、設備管理平臺、業務分析平臺，如圖3所示。

圖3 無線電監測站物聯網平臺架構

3.1 連接管理平臺

連接管理平臺（Connectivity Management Platform,CMP）將不同類型的硬件設備通過不同網絡連接起來，將數據傳送到業務分析平臺進行處理。國內連接管理平臺的典型代表包括中國移動OneLink平臺、中國電信的物聯網開放平臺、華為OceanConnect平臺、中興ThingxCloud平臺等，其實現功能包含賬戶管理、SIM卡生命周期管理、資費和賬單管理、資源庫存管理、SIM訂購、報表和統計、連接診斷、規則管理和安全管控等[29]。監測站物聯網平臺終端設備根據設備特征，可通過第三方協議與監測站協議進行終端連接，將數據傳送到各自的云管理平臺進行處理后，最終在監測站物聯網云管理平臺上進行數據整合。

3.2 設備管理平臺

設備管理平臺（Device Management Platform, DMP）的主要功能是對物聯網終端進行遠程監控、系統設置、系統升級、故障排查、生命周期管理等，同時也對網關和應用狀態進行實時監控，從而實現設備故障預處理。目前國內外發展設備管理平臺的商家較多，既有自建平臺為已有業務提供支持的阿里物聯、微信硬件平臺、京東機智云等，也有建立平臺與其他廠商合作以提供物聯網服務的艾拉物聯、Fogcloud等。監測站設備管理平臺可與第三方平臺建立協作關系，靈活管理各種不同協議的設備終端。

3.3 應用支撐平臺

應用支撐平臺（Application Enablement Platform, AEP）可為成千上萬的上層應用提供成套應用開發工具、中間件、數據存儲功能、業務邏輯引擎、對接第三方系統API等，以降低開發成本、縮短開發時間。

3.4 業務分析平臺

業務分析平臺（Business Analytics Platform, BAP）通過機器學習、大數據、AI等方式對數據進行分析、建模、存儲、處理，為用戶提供業務預警、預測等服務。目前國內外BAP有GE、IBM、阿里物聯、艾拉物聯等。

綜上所述，無線電監測站物聯網平臺架構充分體現出監測站物聯網云管理平臺與第三方物聯網云管理平臺的技術融合，符合當今物聯網平臺建設與發展規律，大幅縮短了研發與建設周期，降低了管理成本，提高了物聯網運維效率。參考第三方物聯網管理平臺技術，開發設計出符合監測站室內、室外物聯網平臺的設備管理系統，可有效減少不必要的人力、物力、財力浪費。無線電監測站物聯網平臺總體工程技術架構如圖4所示。

4 結 語

建立物聯網綜合平臺，解決服務差異化和互不兼容的問題，采用“模塊化分割”使服務模式從被動的“碎片化”向主動的“集成式”發展，打破“信息孤島、數據煙囪”是大勢所趨[30]。隨著業務量的增加，平臺跨界服務需求日益增多，監測站平臺與第三方服務平臺的數據交流將變得日益頻繁，通過集成與融合大數據分析、邊緣計算、人工智能、區塊鏈等新型技術，全方位感知、歸一化管理、共享資源和數據將是物聯網平臺未來發展趨勢。

物聯網技術逐步走向成熟，而對物聯網終端的科學管控是一項復雜而又龐大的系統工程，涉及通信、家電、建筑、網絡服務等領域，整個系統的功能以及具體實現還需要進一步完善和加強。本文從系統架構、功能架構、物聯網平臺架構和總體工程技術架構等方面對監測站物聯網平臺進行了技術分析與展望，為我國無線電監測站物聯網平臺建設提供了參考。下一步將繼續深入研究無線電監測站物聯網平臺系統各項潛在性功能模塊與技術應用，進一步推動和豐富云端系統的應變能力，努力構建高效的物聯網云平臺建設目標，提高工作效率，減少不必要的人力、物力、財力的浪費。

圖4 無線電監測站物聯網平臺總體工程技術架構