工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)自適應(yīng)接入的方法

林詩(shī)美　段茹茹　陳超　陳志列

摘? 要：當(dāng)前，接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)種類(lèi)復(fù)雜，涉及多種工業(yè)協(xié)議類(lèi)型，為平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理分析過(guò)程帶來(lái)了挑戰(zhàn)性。因此，如何利用邊緣網(wǎng)關(guān)提高設(shè)備端的數(shù)據(jù)規(guī)約能力，解決不同設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)異構(gòu)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)關(guān)的集中式統(tǒng)一管理是當(dāng)務(wù)之急。文章針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)異構(gòu)問(wèn)題，提出一種實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)自適應(yīng)接入的方法，構(gòu)建邊緣網(wǎng)關(guān)管理架構(gòu)，提出數(shù)據(jù)模板轉(zhuǎn)換機(jī)制，通過(guò)MQTT協(xié)議傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，文章提出的方法可以及時(shí)響應(yīng)上百臺(tái)底層網(wǎng)關(guān)并發(fā)訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)邊緣異構(gòu)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的集中式管理。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；異構(gòu)數(shù)據(jù)；模板轉(zhuǎn)換機(jī)制；網(wǎng)關(guān)管理；MQTT協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）20-0032-06

Adaptive Access Method for Edge Gateway of Industrial Internet Platform

LIN Shimei1，2， DUAN Ruru1，2， CHEN Chao1，2， CHEN Zhilie1，2

（1.Guangdong Province Industrial Edge Intelligent Innovation Center， Shenzhen? 518057， China;

2.EVOC Intelligent technology Co.， Ltd.， Shenzhen? 518057， China）

Abstract： At present， the types of industrial equipment and systems connected to the Industrial Internet platform are complex， involving a variety of industrial protocol types， which brings challenges to the data processing and analysis process of the platform. Therefore， how to use the edge gateway to improve the data protocol capability of the device end， solve the data heterogeneity problem of different devices and systems， and realize the centralized and unified management of the underlying gateway is an urgent matter. Aiming at the data heterogeneity problem of the edge gateway of the Industrial Internet platform， this paper proposes a method to realize the adaptive access method of the edge gateway of the Industrial Internet platform， constructs the edge gateway management architecture， proposes the data template conversion mechanism， and transmits industrial data through the MOTT protocol. After testing and verification， the method proposed in this paper can respond to the concurrent access of hundreds of underlying gateways in time， realize the centralized management of heterogeneous data gateways at the edge of the Industrial Internet platform.

Keywords： Industrial Internet; heterogeneous data; template conversion mechanism; gateway management; MQTT protocol

0? 引? 言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)對(duì)人、機(jī)、物、系統(tǒng)等的全面連接，構(gòu)建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全新制造和服務(wù)體系，為工業(yè)乃至產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展提供了實(shí)現(xiàn)途徑[1]。國(guó)內(nèi)高度重視并積極推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，2021年1月，工業(yè)和信息化部明確指出將推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展作為近期發(fā)展目標(biāo)，逐一完善國(guó)內(nèi)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，健全產(chǎn)業(yè)發(fā)展生態(tài)和增強(qiáng)安全保障能力[2]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)目前在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3]，工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集是其中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，所采集到的數(shù)據(jù)是各工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上應(yīng)用的重要支撐，目前主要通過(guò)部署的邊緣網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用大部分通過(guò)邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，對(duì)于不同的終端設(shè)備，邊緣網(wǎng)關(guān)需要配置不同的采集協(xié)議、數(shù)據(jù)指令、設(shè)備點(diǎn)位等配置信息，因此不同邊緣網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)格式存在較大的差異性。另外，由于邊緣網(wǎng)關(guān)自身的廠商、類(lèi)型、協(xié)議、數(shù)據(jù)等定義的不同，網(wǎng)關(guān)無(wú)法快速接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，網(wǎng)關(guān)接入不同的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)時(shí)需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，增加開(kāi)發(fā)復(fù)雜度。為了解決以上問(wèn)題，本文提出一種實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)自適應(yīng)接入的方法，構(gòu)建邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備管理架構(gòu)，提出數(shù)據(jù)模板轉(zhuǎn)換機(jī)制，通過(guò)MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)高效可靠性傳輸，提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入網(wǎng)關(guān)的兼容性，實(shí)現(xiàn)不同邊緣網(wǎng)關(guān)的集中式管理。

1? 相關(guān)工作

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為5G重要的應(yīng)用場(chǎng)景之一，正在推動(dòng)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力達(dá)到前所未有的高度，已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域[4]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了物、設(shè)備、計(jì)算機(jī)、人等萬(wàn)物互聯(lián)，利用數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，提供智能化決策模型，優(yōu)化生產(chǎn)流程，激發(fā)出新型商業(yè)模式[5]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要包括邊緣層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的基礎(chǔ)層，受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。邊緣網(wǎng)關(guān)是一種涉及多學(xué)科高度交叉的軟硬件結(jié)合的技術(shù)[6]，該技術(shù)覆蓋了人工智能技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)建模分析處理、分布式信息處理等多種知識(shí)領(lǐng)域[7]，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算的完整云邊協(xié)同提供了底層的基礎(chǔ)硬件設(shè)施。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為萬(wàn)物互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)提供了有效途徑[8]，但隨著接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備種類(lèi)越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量越來(lái)越多，數(shù)據(jù)類(lèi)型越來(lái)越多樣化，如何在保障數(shù)據(jù)安全上平臺(tái)的情況下，實(shí)現(xiàn)邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)底層工業(yè)設(shè)備的統(tǒng)計(jì)集中式管理，提高邊緣網(wǎng)關(guān)接入設(shè)備的自適應(yīng)能力和數(shù)據(jù)規(guī)約能力，是制造企業(yè)急需解決的難題。基于此，本文提出一種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)自適應(yīng)接入的方法，此外考慮到工業(yè)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)資源往往會(huì)受到限制，為了克服工業(yè)環(huán)境資源的不足，本文采用MQTT協(xié)議為設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。

2? 方法描述

2.1? 總體架構(gòu)

邊緣網(wǎng)關(guān)管理架構(gòu)主要包括平臺(tái)工業(yè)軟件應(yīng)用層、邊緣連接管理軟件層、邊緣網(wǎng)關(guān)層。平臺(tái)工業(yè)軟件應(yīng)用層通過(guò)平臺(tái)側(cè)MQTT服務(wù)下發(fā)北向配置信息到邊緣連接管理軟件，經(jīng)邊緣連接管理軟件轉(zhuǎn)換配置信息后將配置信息下發(fā)到邊緣網(wǎng)關(guān)。邊緣網(wǎng)關(guān)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至邊緣連接管理軟件，經(jīng)邊緣連接管理軟件轉(zhuǎn)換設(shè)備數(shù)據(jù)后將采集數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)側(cè)。邊緣網(wǎng)關(guān)管理架構(gòu)如圖1所示。

在整個(gè)邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備管理中，數(shù)據(jù)流分為配置信息和設(shè)備信息，配置信息主要包含對(duì)下層網(wǎng)關(guān)接入平臺(tái)的下發(fā)配置信息，設(shè)備信息主要包含網(wǎng)關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行數(shù)據(jù)。平臺(tái)工業(yè)軟件通過(guò)平臺(tái)側(cè)MQTT服務(wù)下發(fā)北向配置信息，北向控制命令，接收北向心跳信息，北向點(diǎn)表信息，北向告警和日志；邊緣連接管理軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與工業(yè)軟件的連接管理，實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)下發(fā)和上傳；邊緣網(wǎng)關(guān)通過(guò)邊緣連接管理軟件MQTT服務(wù)接受南向配置信息，南向控制命令，并進(jìn)行相應(yīng)處理，同時(shí)通過(guò)邊緣連接管理軟件MQTT服務(wù)把南向心跳信息，南向點(diǎn)表信息，南向告警日志信息上報(bào)到邊緣連接管理軟件。

2.2? 邊緣管理軟件

邊緣連接管理軟件用于連通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和邊緣網(wǎng)關(guān)，包括網(wǎng)絡(luò)連接管理模塊、MQTT服務(wù)模塊、配置信息轉(zhuǎn)換模板、控制命令轉(zhuǎn)換模板、心跳信息轉(zhuǎn)換模板、點(diǎn)表信息轉(zhuǎn)換模板、告警日志轉(zhuǎn)換模板以及自定義轉(zhuǎn)換模板。

網(wǎng)絡(luò)連接管理模塊，包括網(wǎng)關(guān)注冊(cè)和平臺(tái)軟件注冊(cè)。網(wǎng)關(guān)注冊(cè)包括注冊(cè)網(wǎng)關(guān)ID、網(wǎng)關(guān)SN、生產(chǎn)廠家、主要參數(shù)、MQTT通信通道等信息；平臺(tái)軟件注冊(cè)包括注冊(cè)工業(yè)軟件的ID、生產(chǎn)廠家、主要參數(shù)、MQTT通信通道等信息。

通過(guò)配置信息轉(zhuǎn)換模板實(shí)現(xiàn)配置信息轉(zhuǎn)發(fā)下發(fā)，通過(guò)控制命令轉(zhuǎn)換模板實(shí)現(xiàn)控制命令轉(zhuǎn)發(fā)下發(fā)，通過(guò)心跳信息轉(zhuǎn)換模板實(shí)現(xiàn)心跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上傳，通過(guò)點(diǎn)表信息轉(zhuǎn)換模板實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上傳，通過(guò)告警日志轉(zhuǎn)換模板實(shí)現(xiàn)告警日志轉(zhuǎn)發(fā)上傳，通過(guò)自定義轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)其他信息轉(zhuǎn)發(fā)上傳和下發(fā)。通過(guò)各轉(zhuǎn)換模板可實(shí)現(xiàn)輸入信息和輸出信息的映射，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制消息到j(luò)son格式的映射，二進(jìn)制消息到二進(jìn)制消息的映射，json格式到j(luò)son格式的映射，json到xml的映射，xml到j(luò)son的映射等。

邊緣連接管理軟件既可以提供MQTT服務(wù)端，接受南向網(wǎng)關(guān)的連接，也可以客戶端的身份連接邊緣網(wǎng)關(guān)的MQTT服務(wù)，提供數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)功能，并且支持1對(duì)1、1對(duì)多、多對(duì)1、多對(duì)多等多種轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3? 模板轉(zhuǎn)換機(jī)制

模板轉(zhuǎn)換機(jī)制通過(guò)采用模板引擎，將配置信息和設(shè)備信息進(jìn)行模板轉(zhuǎn)化。在模板轉(zhuǎn)化過(guò)程中，主要包含將平臺(tái)下發(fā)配置信息模板化和網(wǎng)關(guān)上傳設(shè)備信息模板化兩大過(guò)程。在平臺(tái)下發(fā)配置信息模板化過(guò)程中，需要將平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)配置信息轉(zhuǎn)化為網(wǎng)關(guān)識(shí)別的格式。在網(wǎng)關(guān)上傳設(shè)備信息模板化過(guò)程中，需要將邊緣網(wǎng)關(guān)的MQTT消息內(nèi)容、Topic主題中的內(nèi)容、邊緣連接管理軟件注冊(cè)的網(wǎng)關(guān)等信息格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以適配平臺(tái)的數(shù)據(jù)格式，無(wú)須對(duì)網(wǎng)關(guān)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與平臺(tái)的對(duì)接。平臺(tái)下發(fā)配置信息模板化過(guò)程和網(wǎng)關(guān)上傳設(shè)備信息模板化過(guò)程示意圖如圖2所示。

具體步驟如下：

1）在邊緣連接管理軟件注冊(cè)網(wǎng)關(guān)，訂閱平臺(tái)MQTT服務(wù)，與平臺(tái)建立MQTT連接。

2）在平臺(tái)端同步注冊(cè)網(wǎng)關(guān)信息，獲取網(wǎng)關(guān)ID、網(wǎng)關(guān)身份識(shí)別SN號(hào)、生產(chǎn)廠家等主要參數(shù)。

3）平臺(tái)端下發(fā)以網(wǎng)關(guān)SN號(hào)為主題的配置信息。

4）邊緣網(wǎng)關(guān)訂閱邊緣連接管理軟件的MQTT服務(wù)，以網(wǎng)關(guān)SN號(hào)為主題。

5）在邊緣連接管理軟件啟動(dòng)配置信息轉(zhuǎn)換任務(wù)，將平臺(tái)下發(fā)的配置信息按照配置信息模板進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

6）在邊緣連接管理軟件信息轉(zhuǎn)換任務(wù)內(nèi)根據(jù)邊緣網(wǎng)關(guān)的現(xiàn)有MQTT心跳消息格式、網(wǎng)關(guān)基本信息、通道信息，以及平臺(tái)的MQTT心跳消息格式編輯消息轉(zhuǎn)換模板。

7）邊緣連接管理軟件上啟動(dòng)此消息轉(zhuǎn)換任務(wù)即完成了此邊緣網(wǎng)關(guān)心跳信息并上傳到平臺(tái)。示例如表1所示。

3? 測(cè)試分析

本文采用Node.js和Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)自適應(yīng)接入的搭建，本節(jié)對(duì)搭建完成的平臺(tái)進(jìn)行一系列測(cè)試，包括功能測(cè)試和性能測(cè)試。首先，簡(jiǎn)要介紹平臺(tái)的測(cè)試環(huán)境；然后對(duì)平臺(tái)整體功能模塊功能進(jìn)行驗(yàn)證，具體分為邊緣網(wǎng)關(guān)管理軟件模塊功能測(cè)試和平臺(tái)端功能測(cè)試；最后，對(duì)平臺(tái)的整體性能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了采用基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣網(wǎng)關(guān)自適應(yīng)接入的整體架構(gòu)后，可支持上百臺(tái)網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一管理，平均響應(yīng)時(shí)間為0.73 s，錯(cuò)誤率為0。

3.1? 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境使用兩臺(tái)虛擬機(jī)，一臺(tái)作為Nginx服務(wù)器和數(shù)據(jù)接入服務(wù)器，一臺(tái)作為主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)器和從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器詳細(xì)配置如表2所示。

3.2? 功能測(cè)試

測(cè)試用例的目的主要是驗(yàn)證邊緣網(wǎng)關(guān)管理軟件和平臺(tái)端各個(gè)功能模塊是否正常工作，通過(guò)在制造車(chē)間中實(shí)際部署網(wǎng)關(guān)采集工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳到邊緣網(wǎng)關(guān)，核對(duì)測(cè)試結(jié)果是否與預(yù)結(jié)果一致。邊緣網(wǎng)關(guān)管理軟件模塊功能測(cè)試和平臺(tái)端功能測(cè)試結(jié)果分別如表3、表4所示。

3.3? 性能測(cè)試

使用測(cè)試工具JMeter自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)性能，JMeter是Apache組織開(kāi)發(fā)的基于Java的壓力測(cè)試工具，用于對(duì)軟件做壓力測(cè)試，它最初被設(shè)計(jì)用于Web應(yīng)用測(cè)試但后來(lái)擴(kuò)展到其他測(cè)試領(lǐng)域。它可以用于測(cè)試靜態(tài)和動(dòng)態(tài)資源例如靜態(tài)文件、Java小服務(wù)程序、CGI腳本、Java對(duì)象、數(shù)據(jù)庫(kù)，F(xiàn)TP服務(wù)器，等等。JMeter可以用于對(duì)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)或?qū)ο竽M巨大的負(fù)載，來(lái)自不同壓力類(lèi)別下測(cè)試它們的強(qiáng)度和分析整體性能。

在性能測(cè)試過(guò)程中，實(shí)際接入車(chē)間15臺(tái)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，采用模擬發(fā)送程序模擬100臺(tái)網(wǎng)關(guān)并發(fā)訪問(wèn)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，115臺(tái)網(wǎng)關(guān)并發(fā)平均響應(yīng)時(shí)間為0.73 s，錯(cuò)誤率為0。腳本執(zhí)行部分界面如圖3所示。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以看出服務(wù)器讀寫(xiě)速度較快，且穩(wěn)定性較好。服務(wù)器資源測(cè)試界面如圖4至圖6所示。

4? 結(jié)? 論

如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的安全接入，以及后續(xù)如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的統(tǒng)一集中式管理是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域重要的組成部分。本文提出了一種實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)自適應(yīng)接入的方法，一方面，通過(guò)MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)高效可靠性傳輸，提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入網(wǎng)關(guān)的兼容性的同事，實(shí)現(xiàn)不同邊緣網(wǎng)關(guān)的集中式管理。另一方面，區(qū)塊鏈技術(shù)在設(shè)備安全接入方面具有巨大的潛力，是構(gòu)建可信身份和設(shè)備數(shù)據(jù)安全接入的關(guān)鍵技術(shù)之一。未來(lái)，將進(jìn)一步研究基于設(shè)備安全接入的征信體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的可控共享、流轉(zhuǎn)和交換。

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作者簡(jiǎn)介：林詩(shī)美（1975—），女，漢族，廣東深圳人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

收稿日期：2023-03-21