通用物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn)

張聃 鄭之光 傅均承

【摘? 要】我國(guó)從2009年“感知中國(guó)”行動(dòng)啟動(dòng)以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展，大量物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)、新產(chǎn)品應(yīng)用到各行各業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)作為將傳統(tǒng)和下一代設(shè)備引入物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵要素，把分散在不同位置、不同應(yīng)用感知設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，實(shí)現(xiàn)不同制造商設(shè)備間的通信。論文分析了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)接入的主要技術(shù)、業(yè)務(wù)場(chǎng)景，旨在研究一種能同時(shí)支持不同感知設(shè)備、多種接入?yún)f(xié)議，具備高并發(fā)、高可用能力的通用物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法。

【Abstract】Since China launched the action of "Experience China" in 2009， the internet of things industry has developed rapidly， and a large number of new technologies and products of the internet of things have been applied to all walks of life. As the key element of introducing traditional and next-generation devices into the internet of things， internet of things soft gateway connects devices scattered in different locations and with different application sensing through the network to realize the communication between devices of different manufacturers. This paper analyzes the main technologies and business scenarios for realizing the access of the internet of things soft gateway， aiming to study a realization method of general internet of things soft gateway which can support different sensing devices and multiple access protocols at the same time， and has high concurrency and high availability capabilities.

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);軟網(wǎng)關(guān);感知設(shè)備

【Keywords】internet of things; soft gateway; sensing device

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）01-0164-02

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)際是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，而物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和延伸出的一種新技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)是將標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）、激光掃描器、紅外感應(yīng)器、攝像頭、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按約定協(xié)議進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、數(shù)據(jù)采集、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。而構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的核心就是物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)，就像駕車(chē)經(jīng)過(guò)停車(chē)場(chǎng)出入口道閘，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)與另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信，也必須經(jīng)過(guò)一個(gè)關(guān)口，這個(gè)關(guān)口就是網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)又稱(chēng)協(xié)定轉(zhuǎn)換器或網(wǎng)間連接器，按特定需求設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)大多僅作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換器，在應(yīng)用需求變動(dòng)時(shí)需對(duì)網(wǎng)關(guān)做很大的變動(dòng)才能適應(yīng)新的應(yīng)用場(chǎng)景，這使得物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用困難重重。鑒于此，本文提出了一種物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)思路，具有一定的通用性與適應(yīng)性。

2 總體方案

2.1 業(yè)務(wù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)一般分為設(shè)備側(cè)、網(wǎng)關(guān)側(cè)、應(yīng)用側(cè)三個(gè)層面，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備側(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)端，一般情況下在設(shè)備側(cè)和網(wǎng)關(guān)側(cè)之間通過(guò)一個(gè)接入網(wǎng)關(guān)來(lái)完成數(shù)據(jù)無(wú)縫傳輸（見(jiàn)圖1）。目前的物聯(lián)網(wǎng)解決方案供應(yīng)商大多針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)特定需求設(shè)計(jì)軟網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、應(yīng)用需求變動(dòng)時(shí)需對(duì)網(wǎng)關(guān)做很大的變動(dòng)才能適應(yīng)新的應(yīng)用場(chǎng)景。目前還沒(méi)有一個(gè)與軟硬件無(wú)關(guān)、能適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景、快速實(shí)施、易擴(kuò)展的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，這是物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)障礙。因此，本文提出了一個(gè)通用的物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)平臺(tái)IPIG，IPIG是基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)的松耦合系統(tǒng)，具有很好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

從系統(tǒng)整體架構(gòu)來(lái)看，軟網(wǎng)關(guān)基于SpringCloud分布式集群云架構(gòu)構(gòu)建，所有的微服務(wù)結(jié)點(diǎn)都支持橫向擴(kuò)展，滿(mǎn)足系統(tǒng)高并發(fā)、高可用性的需要（見(jiàn)圖2）。通過(guò)SpringCloud Gateway訪問(wèn)控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)外部訪問(wèn)的身份識(shí)別與訪問(wèn)控制。基于Jenkins進(jìn)行持續(xù)集成并采用Apollo支持分布式配置文件的可視化管理，可以很方便地將最新的系統(tǒng)發(fā)布到K8S/Docker容器編排環(huán)境中，通過(guò)K8S達(dá)到最佳的運(yùn)營(yíng)監(jiān)控效果。表1為軟網(wǎng)關(guān)包含的所有微服務(wù)詳細(xì)列表。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多協(xié)議適配

ipig-gateway模塊通過(guò)設(shè)備類(lèi)型自動(dòng)適配OPC UA、ModBus TCP、MQTT等標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議以及TCP Socket、HTTP和Websocket-flv等互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并支持自定義消息格式以滿(mǎn)足特殊設(shè)備的接入需求，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)統(tǒng)一化：軟網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用程序之間的上行接口統(tǒng)一，無(wú)論是哪種信號(hào)或指令，都通過(guò)統(tǒng)一的接口規(guī)格，指定接口參數(shù)、命令組成、指令釋義，便于應(yīng)用程序統(tǒng)一接收、集中處理、分開(kāi)響應(yīng)。

3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

ipig-meta-data模塊通過(guò)將預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn)化物模型元數(shù)據(jù)和不同類(lèi)型設(shè)備的采集數(shù)據(jù)建立映射關(guān)系，在收到原始數(shù)據(jù)時(shí)按映射關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)并分發(fā)到內(nèi)部消息總線中，按元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)有利于后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與統(tǒng)計(jì)分析，并且對(duì)外提供了統(tǒng)一的Restfull接口，方便查詢(xún)和管理元數(shù)據(jù)信息。

3.3 規(guī)則引擎

ipig-rule-engine模塊支持對(duì)規(guī)則引擎的可視化編輯，在規(guī)則引擎中可訂閱消息網(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到指定的地方。

規(guī)則引擎使用的是Rete算法：其核心思想是將分離的匹配項(xiàng)根據(jù)內(nèi)容動(dòng)態(tài)構(gòu)造匹配樹(shù)（其實(shí)是構(gòu)造一個(gè)DAG，有向無(wú)環(huán)圖），以達(dá)到顯著降低計(jì)算量的效果。Rete算法可以被分為兩個(gè)部分：規(guī)則編譯和規(guī)則執(zhí)行。當(dāng)Rete算法進(jìn)行事實(shí)的斷言時(shí)，包含三個(gè)階段：匹配、選擇和執(zhí)行，同時(shí)也被稱(chēng)作match-select-act cycle，本質(zhì)上是利用空間換時(shí)間。

3.4 推/關(guān)視頻流方案

軟網(wǎng)關(guān)支持視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，為統(tǒng)一兼容不同廠商視頻監(jiān)控設(shè)備，采用了視頻推流的方案，方案中將所有視頻相關(guān)實(shí)時(shí)播放和回放的設(shè)備，統(tǒng)一通過(guò)NVR進(jìn)行連接和管理，然后在軟網(wǎng)關(guān)服務(wù)器上，使用流媒體服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃推流和及時(shí)回收釋放資源的管理。

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展誕生了一批如ACU（智能區(qū)域控制單元）、無(wú)線傳感器、邊緣計(jì)算之類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。而物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中和這些設(shè)備間最基本的互聯(lián)互通問(wèn)題，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中極其重要的組成部分。IPIG旨在提供一種通用的物聯(lián)網(wǎng)軟網(wǎng)關(guān)解決方案，滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求，最大限度地滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)軟件的實(shí)施快、高可用、易部署的要求。

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