基于邊緣代理的物聯應用架構設計及實現

摘" 要：隨著物聯網技術的迅猛發展，人們對高效、安全、實時物聯應用架構的需求日益迫切。為此，文章設計并實現一種創新的物聯應用架構，即基于邊緣代理的“端—邊—云—用”體系結構。通過設備端、邊緣物聯代理、物聯管理云平臺和業務應用的有機組合，實現了數據在不同層級的處理，提高了系統的整體性能和安全性。這一架構將為物聯應用提供更強大的數據處理和應用能力，支持各種物聯設備的接入和應用場景的發展。在實際應用中，這一架構將為構建更加智能高效的物聯應用提供有力的支持，助力物聯網技術持續演進，為各行各業帶來更廣闊的發展前景。

關鍵詞：物聯網；邊緣代理；物聯管理平臺；物聯應用

中圖分類號：TP311" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）11-0176-06

Design and Implementation of IoT Application Architecture Based on Edge Agent

HE Rui， XIN Weidong， ZHANG Bo， LI Ruixi

（Beijing North-Star Technology Development Co.， Ltd.，" Wuhan" 100044， China）

Abstract： With the rapid development of IoT technology， people's demand for efficient， secure， and real-time IoT application architectures is becoming increasingly urgent. For this purpose， it designs and implements an innovative IoT application architecture， which is an“End-Edge-Cloud-Application”architecture based on edge agents. Through the organic combination of device side， edge IoT agents， IoT management cloud platforms， and business applications， data processing at different levels has been achieved， the overall performance and security of the system is improved. This architecture will provide stronger data processing and application capabilities for IoT applications， supporting the access of various IoT devices and the development of application scenarios. In practical application， this architecture will provide strong support for building more intelligent and efficient IoT applications， assist in the continuous evolution of IoT technology， and bring broader development prospects to various industries.

Keywords： IoT; edge agent; IoT management platform; IoT application

0" 引" 言

在如今的數字時代，物聯網（IoT）的迅速發展為我們的生活和工作帶來了巨大的變革。物聯設備的普及與應用，使我們能夠實時監測和控制各種事物，從智能家居到工業生產，再到城市基礎設施，無一不受到物聯網技術的深刻影響[1，2]。然而，隨著物聯設備數量的急劇增長，傳統云計算模式在處理大規模數據時顯現出一定的弊端，特別是在面對實時性要求較高的應用場景時更為明顯[3-5]。這一問題的凸顯使得我們必須重新審視物聯網的管理與應對策略。

為應對這些挑戰，本文深入探討一種創新的物聯應用架構，即基于邊緣代理的“端—邊—云—用”體系結構。這一架構通過將數據處理能力推向設備端和邊緣[6，7]并充分運用云端資源，實現了更為高效、安全、智能的物聯應用[8-10]。本文將深入探究端側數據采集、邊云數據交互和云端存儲與應用等領域，為實際應用提供技術支持，使基于邊緣代理的物聯應用架構更好地滿足不斷發展的需求。

1" 物聯應用架構設計

考慮到應用過程中各環節需求不同，感知終端類型、數據傳輸協議存在多樣性等特點，本文構建了“端—邊—云—用”物聯應用架構體系，實現了將現場感知設備數據采集到應用層數據應用的管理架構模式，有效應對物聯設備大規模連接和高效數據處理的挑戰。以設備端、邊緣物聯代理、物聯管理云平臺和業務應用為主要組成部分，實現了端到端的智能物聯服務。整體應用架構如圖1所示。

1.1" 設備端

“端”指感知設備終端，設備端是整個物聯應用的起點，包括各類傳感器、執行器和物聯設備。這一層負責數據的采集和實時監測，通過有線或無線4G網關與上層設備或平臺通信。設備端的數據通過邊緣代理傳輸到邊緣層進行初步處理，減輕云端壓力。現場設備如圖2所示。

1.2" 邊緣物聯代理

“邊”指邊緣物聯代理，邊緣物聯代理位于邊緣層，作為物聯數據的第一站處理中心。它負責初步的數據過濾、聚合和簡單的計算。通過在邊緣進行部分計算，可以減少傳輸到云端的數據數量，降低延遲并提高系統響應速度。邊緣代理還負責與設備端的通信，確保數據的實時性和完整性。通過兼容多種傳輸協議，實現對多種類型感知設備的數據采集、邊緣計算、前端分析和指令下達，為現場管理提供實時化、自動化、多方位監控和服務的解決方案。邊緣物聯代理硬件設計結構如圖3所示。

1.3" 物聯管理云平臺

“云”指云端物聯管理云平臺，物聯管理云平臺是整個架構的核心，負責集中管理物聯設備，處理復雜的計算任務以及提供全局的物聯服務。向下（南向）連接現場智能邊緣物聯代理和終端傳感設備，實現感知設備的統一接入與管理，完成感知層數據的采集傳輸和指令下達；向上（北向）對接業務系統，提供開放的應用接口，向業務系統推送采集到的感知數據，實現數據應用及融通共享。它接收邊緣層傳輸過來的數據進行深度分析，挖掘潛在的關聯規律及存儲大規模的物聯數據。此外，物聯管理云平臺還提供對設備的遠程監控、配置管理及系統運維功能。平臺技術架構如圖4所示。

1.4" 業務應用

“用”指用戶端的軟硬件交互客戶端應用。業務應用是用戶最直接接觸的部分，通過與物聯管理云平臺的交互，實現對物聯設備的監控、數據查詢展示及與業務數據關聯的融合應用。這一層面向不同的行業和應用場景，可以定制化開發，滿足特定需求。業務應用包括智能城市、智能家居、工業自動化等多個領域，通過移動APP、Web、大屏駕駛艙和小程序等多種形式實現應用。

2" 關鍵技術研究

物聯應用架構中的關鍵技術研究涉及端側數據采集、邊云數據交互、云端存儲與應用三個關鍵部分，以確保系統在不同層次上的高效性和協同性。

2.1" 端側數據采集

在物聯應用架構中，端側數據采集是系統的起點，關系到設備端數據的高效獲取和傳輸。為了充分利用邊緣物聯代理支持接入的端設備，我們需要深入研究協議選擇及協議擴展的能力。

2.1.1" 端設備接入協議

為實現對主流物聯網技術和產品廠家的最大化兼容，本文的邊緣物聯代理設備通過不同種類的硬件通信接口接入各類傳感器設備采集數據。根據傳感器協議接口類型進行劃分，如表1所示。

2.1.2" 協議擴展能力

隨著物聯設備的不斷發展和演進，原有的協議可能無法滿足新設備的接入需求。因此，我們將重點關注邊緣物聯代理協議的擴展能力，具體內容如下：

1）插件化協議支持。設計邊緣物聯代理支持插件式協議，使其能夠靈活適應不同的協議標準。新設備的接入只需添加相應插件即可，無須對整個系統進行大規模的調整。

2）協議熱插拔性。確保協議的熱插拔性，使得系統在運行過程中可以動態添加、移除或更新支持的協議。這可以降低系統更新的成本，使系統更具可維護性。

3）協議轉換器。考慮到設備會使用不同的通信協議，因此設計協議轉換器組件，對不同協議的數據進行轉換，以確保數據的一致性和標準性。

綜合考慮這些關鍵技術內容，確保邊緣物聯代理對端側數據采集的支持更具靈活性和可維護性。通過將系統分為設備接入層、基礎服務層、支持服務層、邊緣應用層和對外交互層，為物聯應用架構的實際應用提供有力的技術支持，以更好地適應不斷變化的物聯設備和通信標準。總體架構如圖5所示。

2.2" 邊云數據交互

邊云數據交互是整個物聯應用架構中的關鍵連接點。研究如何優化邊緣代理與物聯管理云平臺之間的數據傳輸，確保在邊緣代理層進行初步的數據處理，在減輕云端壓力的同時確保數據的完整性和實時性。

2.2.1" 通信協議

根據不同的端設備選擇合適的接入協議至關重要。邊緣物聯代理到物聯管理云平臺的數據傳輸將考慮多種協議，主要包括：

1）MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）。一種輕量級、開放、簡單的消息協議，適用于設備間的實時通信，具有低帶寬和資源消耗的特點。

2）CoAP（Constrained Application Protocol）。面向有限設備和網絡的約束型應用協議，具有輕量級、低能耗、簡單的特性，適用于物聯設備的通信。

3）HTTP/HTTPS（Hypertext Transfer Protocol/Secure）。標準的互聯網協議，提供廣泛的支持，適用于設備與云端的通信，尤其是與標準Web服務集成后更具優勢。

通過深入研究這些協議的特性，我們將能夠為不同類型的設備提供最優的接入方案，以實現端設備數據的高效采集與傳輸。

2.2.2" 數據安全

在對端側數據采集的研究中，安全性和隱私保護是不可忽視的重要因素。主要包括：

1）數據安全加密。分為硬件加解密或軟件加解密兩種方式。硬件加解密依賴硬件加密芯片設計的要求，軟件加解密依賴上層平臺安全機制。使用硬件加密方式時，主控從加密芯片獲取秘鑰文件（用于數據加解密），對端采用同樣方式進行解密，實現數據保護。

2）身份認證和授權。引入有效的身份認證和授權機制，確保只有合法設備才能接入邊緣代理，通過約定主題/URL和數據格式與云平臺進行數據交互，防范未經授權的訪問。

3）數據脫敏和匿名化。網絡傳遞數據應經過加密，保證數據在采集、傳輸和處理過程中不被偷窺、竊取、篡改。存儲業務數據時需要對數據進行加密，確保不可被破解。

2.3" 云端存儲與應用

云端存儲與應用是物聯管理云平臺的核心功能，我們將重點研究數據模型抽象、時序數據存儲與清洗以及可靠、穩定的應用服務。

2.3.1" 數據模型抽象

設計通用的物聯數據模型，以適應各類傳感設備和不同的應用場景。確保數據模型的可擴展性，方便未來添加新的設備類型和數據特征。同時通過語義建模使數據模型更加貼近實際業務需求，提高數據的語義準確性。

2.3.2" 時序數據存儲與清洗

時序數據在物聯應用中占據重要地位，選擇適用于時序數據存儲的數據庫，以確保數據的高效插入和查詢。同時實施數據清洗策略，去除異常數據和噪聲。引入質量控制機制，確保存儲數據的質量，包括數據去重、異常值檢測和數據糾偏等。

2.3.3" 可靠、穩定的應用服務

對云端應用層進行微服務拆分，實現不同功能模塊的獨立部署與維護。物聯云平臺通過提供五大基礎能力，保障各類應用場景設備數據安全、快速接入，穩定連接及數據傳輸，應用系統安全穩定運行，如圖6所示。

3" 系統設計與實現

為驗證本文物聯應用架構的適用性和有效性，我們通過邊緣物聯代理設備采集設備數據并上傳至物聯管理云平臺，將這些數據應用于電網相關智慧工地、智慧礦山和儲能電廠智慧工地項目中。

3.1" 物聯管理云平臺

物聯管理云平臺主要提供設備接入、設備管理、數據轉發、監控運維等功能，其中包括產品管理、設備管理、分組管理、場景聯動、消息訂閱、監控運維等功能模塊。目前平臺已實現了多個項目產品模型的創建及對應設備的接入，產品管理功能如圖7所示，設備管理功能如圖8所示。

3.2" 典型應用

智慧工地應用以全面加快落實國家“數字新基建”為建設目標，進一步發揮移動互聯、物聯網、云計算、大數據、5G等新一代信息通信技術在基建領域的應用價值，圍繞人、機、料、法、環等關鍵因素，徹底改變傳統基建施工現場參建各方現場管理的交互方式、工作方式和管理模式，通過本文提出的物聯應用架構，建設狀態全面感知、過程全面覆蓋、管理全面可控、數據全面共享的“智慧工地”管控體系，打造項目管理的“智慧”大腦。物聯應用架構在多個項目中的使用均取得了較好效果。基于塔吊設備的應用如圖9所示，設備安裝期采集數據如圖10所示，設備運輸過程采集數據如圖11所示。

4" 結" 論

本研究中設計并實現了基于邊緣代理的“端—邊—云—用”物聯應用架構。通過邊緣代理集成多種通信協議，實現對多種類型感知設備的數據采集、邊緣計算和前端分析；通過物聯管理平臺集中管理物聯設備，處理復雜的計算任務和提供全局的物聯服務，實現與應用的解耦，更好地服務于多端應用。該物聯應用架構有效解決了物聯設備的數據對接和數據應用問題，為解決物聯網中的管理和應用問題提供一種創新的思路，為相關領域提供一個值得參考的實際案例和解決方案。

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作者簡介：何銳（1991—），男，漢族，湖北荊州人，工程師，碩士研究生，研究方向：AI、物聯技術在電力工程信息化中的應用。

收稿日期：2023-12-05