基于可配置协议的智慧管网物联接入系统

刘红义，董丹丹，王海燕，赵树立

（航天海鹰机电技术研究院有限公司，北京 100070）

0 引言

近年来，随着城市快速发展，地下管线建设规模不足、管理水平不高等问题凸显，我国城市正在面临着各种地下管线问题的挑战，因此，国家也越来越重视地下管线的综合治理；同时，互联网+、物联网的快速发展也为解决此问题提供很大契机，智慧管网应运而生[1]。

对于智慧管网产业而言，一个项目中总是包括多个业务应用系统，在传统的解决方案中，各个系统独立处理物联感知设备的接入和数据包解析的工作[2]，一方面由于不同的应用系统可能使用同类的传感设备数据，各系统自行设计接入逻辑，造成了开发工作的冗余性；另一方面，由于不同系统对传感数据解析后封装的数据格式可能不一致，给各个系统之间的数据共享带来了问题[3]。

因此设计统一的智慧管网物联感知接入系统来解决以上问题。平台系统需要能够以较为统一的方式接入大量异构的物联感知终端设备，针对不同频率发送来的传感数据流进行解析和数据的封装。并以标准的数据接口向各个业务应用系统提供数据推送服务[4]。

通过设计本系统达到以下目的：

（1）统一化的设备管理：

本系统可以实现各种设备的统一化管理，将各种设备（如RTU、传感器、手持设备、精确定位标签）进行厂家、安装地点、安装时间、状态等基本信息的维护，各个设备间的关联程度，设备的权属单位、组织机构的维护，设备的在线状态、完好程度等状态信息的统计等。

（2）可配置的设备接入与数据解析：

本系统可以实现可配置的设备接入与数据解析功能。将各种不同的协议模式进行封装处理，对需要新配置的协议可通过系统可视化的操作方式将各参数协议配置成功，以实现智能化的协议管理，简化了协议解析程序的开发流程。

1 总体设计

1.1 网络结构

平台采用B/S架构，适用于互联网条件，配置应用服务器、数据库服务器和通信网关服务器。对性能、海量数据、容错性以及扩展性有非常高的要求，所以在系统的架构上采用分布式[5-9]。具有如下特点：

（1）请求分布式调度[10]；

（2）多结点分布式部署；

（3）双重备份，热切换；

整个系统网络架构如图所示，包括四层，每一层可以由若干结点来对数据和请求分流：

终端连接到接入层通讯网关，通过访问接口收发消息，消息经汇聚层转发至核心交换机，核心交换机通过防火墙将数据储存到数据中心和备份中心，应用服务器通过访问数据中心数据对外提供应用服务。

此外，系统所涉及到的网络节点有部署在各类管线上的传感器、汇集传感器数据的 RTU设备和PLC设备和集中器。构成局域网的各种路由设备和交换机以及服务器和客户端机器。

传感设备与汇集设备之间的通信方式可采用有线、和无线两种类型。对于有线的通信方式，一般可采用RS-232或RS-485串口通信协议。对于无线的通信方式，一般可采用无线广域网（3G、4G）、无线局域网（wifi）、和无线自组网等通信协议进行通信。

本系统中所有的汇集设备都会接入到互联网中，汇集设备与接入系统之间的通信，在传输层只有UDP和TCP两种选择，而应用层的协议则依据汇集设备的类型和配置方式的不同而呈现出多种多样的形式。由于ModBus系列协议在工业物联网领域的广泛应用，系统中所采用的应用层协议主要有ModBus TCP、ModBus RTU、直接TCP、直接UDP等几种。

1.2 系统架构

接入系统分为基于B/S架构的web管理系统和后台接收网关两个部分，系统的架构图1所示。

图1 系统架构图Fig.1 System architecture

与系统直接通信的设备有传感数据汇集设备RTU、PLC等，以及直传式传感设备，这些设备经过互联网的传输层与接收网关进行通信。系统提供网关管理模型对各个专业设备的接收网关进行管理。接收网关运行时的配置数据来自协议模型，协议模型以及设备的原始协议由协议管理模块进行管理。同时系统提供 web管理界面对设备进行管理。

2 物联接入系统

系统包括 M2M 中间件和终端信息管理两大核心组件。M2M中间件提供不同类型和厂家设备的协议适配、统一接入、数据解析和转发服务，具有跨平台、分布部署、高并发处理等特点；终端信息管理提供接入设备的基础信息管理、设备状态监控、网关状态监控和系统管理等服务，实现设备全生命周期过程可视化管理。物联接入系统架构如图2所示[11-15]。

图2 物联感知中心架构Fig.2 IOT center architecture

（1）上行网关

上行网关主要功能是提供专业设备、中控设备和手持设备的自有协议适配服务和采集状态、位置、监测指标、图片、流媒体等数据的实时通信服务，实现数据采集和指令下发。

①通信链路管理

TCP/UDP通信：实现TCP/IP协议或UDP/IP通信连接，与支持 2G/3G/4G设备进行通信，根据设备的接入请求分配临时IP地址，建立TCP/IP连接，接收设备的采集数据和发送控制指令[16]。

SMS通信：实现SMS方式支持与联通、移动、电信三大运营商设备进行通信，根据设备请求建立通信信道，接收设备上报数据和发送控制指令。

②认证鉴权管理

在接收到设备上发的信息后，对于本身具备鉴权码的设备，分析其鉴权码，根据鉴权码和设备的对应关系，确定该设备是否为合法设备，只向合法设备提供接入服务，对非法连接设备予以丢弃，以避免应用系统接收非法信息。

③协议适配

建立终端设备协议库，通过配置接入系统的终端通讯协议，实现协议适配，并根据协议规则将采集数据进行解析，分析报文内容；对下传的指令按照终端自有协议进行封装。

（2）下行网关

下行网关提供信息路由服务和统一数据访问接口，主要功能是将解析后的数据内容向数据中心和应用系统进行转发。包括数据预处理、数据访问控制和数据转发功能。

下行网关采用两级缓存的设计实现实时数据和非实时数据的处理。终端设备将采集数据上传至通信网关，经解析后生产原始数据存储到一级缓存中，实时数据通过一级缓存，由数据转发服务直接向上层提供实时数据；所有解析后的原始数据（实时和非实时），存储至二级缓存。二级缓存一方面保证数据安全性，另一方面原始数据达到一定容量后，再进行存储和转发，提供数据访问性能。其中：

◆ 数据预处理：对数据进行过滤、校验、修正、合并等处理。

◆ 数据访问控制：主要是对实时和非实时两类数据的存储和访问控制。

◆ 数据转发服务[17]：通过 WebService服务方式提供数据访问接口，供数据中心和应用系统调用。

（3）管理平台

管理平台包括终端信息管理、协议信息管理、终端注册管理、终端参数配置、终端状态管理、网关状态管理、终端告警管理、终端控制管理、终端升级管理几部分。

系统的整体功能结构图如图3所示。

3 可配置协议

在物联接入系统的基础上，进行协议的可配置改进，将各种不同的协议模式进行封装处理，对需要新配置的协议可通过产品前台的配置管理将各参数协议配置成功，以实现智能的网关管理，不再需要专业人员进行后台协议解析程序的开发。

首先对协议进行可配置模板提取，通过可配置页面对可配置参数进行配置，将此配置参数进行封装处理，自动化的解析处理，达到一键可配置填充，协议自动化解析的目的。

图3 系统功能结构图Fig.3 System function structure diagram

可配置页面如下所示：

图4 下行网关配置页面Fig.4 Downlink gateway configuration page

图5 解析逻辑配置页面Fig.5 Parse logic configuration page

图6 上行网关配置Fig.6 Uplink gateway configuration

4 结论

本文给出了基于可配置协议的智慧管网的物联接入系统的总体设计、功能特点、实现方式等。在智慧管网领域里，设备量众多、专业分类较多（包含八大类管线：给水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业），因此本系统（对大量设备、各类管线协议的管理）为智慧管网项目中的一个必不可少的环节。前端感知设备将数据进行采集、数据上传，进入此系统，通过协议配置，达到协议解析、数据推送应用系统展示的作用，可以说此系统是应用层和感知设备层的通信环节，至关重要，此环节的提升对于整个智慧管网的系统开发具有十分可观的价值。而基于可配置协议的智慧管网的物联接入系统的研发，通过可配置页面的操作即可快速实现协议配置、数据解析功能，缩短了开发周期，提升了代码的复用性，减少人力开发成本，具有一定的现实意义。

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