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通用型物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)設(shè)計(jì)論文
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性、分散性和缺乏管理等問題制約著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)要連接和信息管理的對(duì)象是包括靜止和移動(dòng)的末端設(shè)備及各種資產(chǎn)，這些設(shè)備連接上傳感器等感知設(shè)備成為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)�；谖锫�(lián)網(wǎng)這種網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，利用通用網(wǎng)管的思想設(shè)計(jì)通用型物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)時(shí)，可以將各種異構(gòu)的系統(tǒng)和分布式資源進(jìn)行整合，以實(shí)現(xiàn)管、控、營一體化，從而構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維系統(tǒng)，為建設(shè)低碳、智能、節(jié)約型社會(huì)提供技術(shù)支撐。
0 引 言
當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)逼近二次探底的邊緣，新一輪的工業(yè)革命呼之欲出。有專家指出，在新一輪的工業(yè)革命中，信息是最核心的要素，信息革命是新一輪工業(yè)革命的骨架和靈魂。為了推動(dòng)工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程，必須把信息和物理世界相互融合，物聯(lián)網(wǎng)就是一個(gè)很好的例子[1]。
物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，并受到各國政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視。它通過傳感器把互聯(lián)網(wǎng)和物理世界連在一起，用信息的“力量”使物理的世界產(chǎn)生變革，推動(dòng)社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展。
物聯(lián)網(wǎng)體系包含三層架構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[2]。感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)層是實(shí)現(xiàn)各種通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體接入信息網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地進(jìn)行可靠的信息交互和共享;應(yīng)用層是指利用各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量的跨地域、跨行業(yè)、跨部門的感知數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，提升對(duì)物理世界、經(jīng)濟(jì)社會(huì)各種活動(dòng)和變化的洞察力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制。圖1所示是物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)圖。
圖1 物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)
目前，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，各個(gè)運(yùn)營商和集成商也是站在更高的角度，集中力量開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)。盡管關(guān)于平臺(tái)的研究都有一些成果，但是，這些平臺(tái)存在平臺(tái)多樣、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、缺乏創(chuàng)新等問題，嚴(yán)重制約著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。本文針對(duì)以上問題，提出了一種自主創(chuàng)新的通用型物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)廣泛的傳感節(jié)點(diǎn)和不同的行業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理，使物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更加普遍和靈活，提升我國在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的競爭力。
1 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的研究現(xiàn)狀
現(xiàn)階段國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的研究主要存在以下一些問題：
第一是應(yīng)用廣泛，導(dǎo)致平臺(tái)多樣而不統(tǒng)一。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用多種多樣，每一個(gè)應(yīng)用對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的平臺(tái)，從而導(dǎo)致關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的研究多數(shù)局限在某個(gè)具體的應(yīng)用領(lǐng)域[3]，例如物流行業(yè)、智能樓宇、路燈管理等，而沒有考慮適用于各行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)。
第二是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)主要包括基于RFID技術(shù)的應(yīng)用、基于傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用、M2M應(yīng)用和“兩化融合”等相關(guān)應(yīng)用[4]。對(duì)于每一類應(yīng)用，使用的硬件和軟件技術(shù)各不相同。RFID相關(guān)應(yīng)用主要是利用射頻識(shí)別技術(shù)和傳感網(wǎng)絡(luò)，以及用于傳感器、傳感網(wǎng)以及采集信息的嵌入式系統(tǒng);M2M主要是基于有線長距離和無線長距離兩種通信方式的應(yīng)用;“兩化融合”是自動(dòng)化和信息化的融合，主要依賴于有線短距離通信，以現(xiàn)場總線為主作為“最后一公里”連接，然后并入IP網(wǎng)。這種情況就導(dǎo)致了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相互分離，不能進(jìn)行資源的有效整合，浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力，與經(jīng)濟(jì)節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展背道而馳。
第三則是管理平臺(tái)的可參考模型存在弊端。目前，還沒有一個(gè)規(guī)范化的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)模型。對(duì)于現(xiàn)階段可以參考的管理平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)來說，在國外，歐盟的EPC global主要針對(duì)物流倉儲(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型[5]，具有一定局限性，不能廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域;而國內(nèi)目前的管理平臺(tái)也存在一些問題，很多都是借鑒國外已有的平臺(tái)進(jìn)行各自為主的行業(yè)開發(fā)，缺乏創(chuàng)新性，參考價(jià)值不大。
由于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的體系架構(gòu)是指導(dǎo)具體應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要前提，因此，建立一個(gè)具有框架支撐作用的體系架構(gòu)至關(guān)重要。
2 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)
物聯(lián)網(wǎng)要連接和服務(wù)的對(duì)象是末端設(shè)備和各種資產(chǎn)，包括各種基于微處理器做成的應(yīng)用系統(tǒng)、各種智能卡或RFID卡，以及安裝在機(jī)器上的傳感器等。這些設(shè)備相互連接組成傳感器網(wǎng)，傳感器網(wǎng)作為末端的信息采集者將信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)，是一種可以快速建立，不需要預(yù)先存在固定的網(wǎng)絡(luò)底層構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。
物聯(lián)網(wǎng)，特別是傳感網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)、頻繁地加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，它們不需要事先通知，也不會(huì)中斷其他節(jié)點(diǎn)間的通信。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以高速移動(dòng)，從而使節(jié)點(diǎn)群快速變化，節(jié)點(diǎn)間的鏈路通斷變化頻繁。傳感器網(wǎng)絡(luò)的這些使用上的特點(diǎn)，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)或者是傳感網(wǎng)具有如下特點(diǎn)[6]：
(1) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?
(2) 傳感器網(wǎng)絡(luò)難以形成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和中心;
(3) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用距離一般比較短;
(4) 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的數(shù)量不大;
(5) 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)的安全性有一定的要求;
(6) 網(wǎng)絡(luò)終端之間的關(guān)聯(lián)性較低。
為了有效地進(jìn)行傳感設(shè)備和節(jié)點(diǎn)的管理，將物聯(lián)網(wǎng)要管理的終端設(shè)備或資產(chǎn)看做網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元，并利用通用網(wǎng)管的思想對(duì)設(shè)備進(jìn)行信息管理[7]，按照OSI的定義，網(wǎng)絡(luò)管理主要包括故障管理、配置管理、性能管理、安全管理和計(jì)費(fèi)管理等五個(gè)功能域[8]，其具體示意圖如圖2所示。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及管理功能
3 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)
3.1 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)框架設(shè)計(jì)
針對(duì)目前物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)存在的問題以及物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的框架圖如圖3所示。本平臺(tái)基于通用的網(wǎng)絡(luò)管理思想，將各種感知設(shè)備看做網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的五大功能，并提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、調(diào)度指揮、遠(yuǎn)程控制、安全防范、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、決策支持等管理和服務(wù)功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管、控、營”一體化。
3.2 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的體系架構(gòu)如圖4所示。
圖3 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)框架
圖4 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)體系架構(gòu)
3.2.1 感知層
物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)根據(jù)不同的采集對(duì)象選擇有線局域網(wǎng)或無線組網(wǎng)等不同的組網(wǎng)方式，采集節(jié)點(diǎn)可根據(jù)需要選擇不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，例如溫濕度傳感器、壓力傳感器等。
物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集終端由硬件和軟件兩部分組成。采集終端可對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳遞過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，并在網(wǎng)絡(luò)層發(fā)出請(qǐng)求時(shí)傳遞出去。
3.2.2 網(wǎng)絡(luò)層
物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)可利用中間件技術(shù)，并基于TCP/IP協(xié)議對(duì)感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、編碼，并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層，同時(shí)可兼容有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等通信模式，以實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的接入和訪問[9]。
3.2.3 應(yīng)用層
物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的應(yīng)用層通常由硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件構(gòu)成。其中，硬件設(shè)備是在滿足網(wǎng)絡(luò)功能要求的前提下，采用云計(jì)算概念，在服務(wù)器上完成主要功能[10]，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、Web服務(wù)器和中心處理服務(wù)器，以分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、應(yīng)用程序的管理和各種功能的處理。管理員和操作員通過網(wǎng)絡(luò)訪問云端數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)更加安全、可靠，以便于系統(tǒng)功能與規(guī)模的擴(kuò)充。應(yīng)用軟件則在滿足網(wǎng)絡(luò)管理基本功能的前提下，通過通用管理模板，實(shí)現(xiàn)大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)及其資源的管理，用戶也可以根據(jù)不同行業(yè)應(yīng)用的特殊要求自定義模板。軟件系統(tǒng)大多基于B/S結(jié)構(gòu)，可提供遠(yuǎn)程維護(hù)支持。
3.3 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的特點(diǎn)
本物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：
(1) 可應(yīng)用于各種領(lǐng)域。本物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)沒有行業(yè)限制，感知層可以根據(jù)行業(yè)需要接入不同的傳感器節(jié)點(diǎn)(例如溫濕度傳感器、壓力傳感器等)進(jìn)行信息采集;軟件管理系統(tǒng)能夠針對(duì)不同對(duì)象實(shí)現(xiàn)不同的管理功能，從而構(gòu)建可擴(kuò)充、可擴(kuò)展、可視化的綜合管理平臺(tái)。
(2) 兼容多種通信模式。利用自主開發(fā)的中間件可兼容多種通信模式，實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的接入和訪問，從而真正組成一個(gè)可連接各種感知終端的有機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。
(3) 統(tǒng)一協(xié)議。本物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)管協(xié)議SNMP對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，能提供開放性的接口給用戶，同時(shí)兼容自主開發(fā)的協(xié)議和特殊行業(yè)的協(xié)議，也可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的互通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同領(lǐng)域、不同設(shè)備的管理。
(4) 模塊和分布式設(shè)計(jì)�；谕ㄓ镁W(wǎng)管的思想，在通用的管理功能(故障管理、性能管理、配置管理、安全管理、計(jì)費(fèi)管理)的基礎(chǔ)上，可提供特殊行業(yè)的管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的模塊化和分布式管理。本平臺(tái)可大可小，可深可淺，可單獨(dú)使用，也可聯(lián)合使用，而且容易剪裁成行業(yè)實(shí)時(shí)管理平臺(tái)，比如IDC機(jī)房管理、糧庫管理、污染或能耗監(jiān)測管理等多樣性平臺(tái)。
(5) 節(jié)約資源。本設(shè)計(jì)將五種管理功能集成到一個(gè)平臺(tái)，以對(duì)數(shù)據(jù)和設(shè)備進(jìn)行有效管理，提高管理效率和服務(wù)質(zhì)量，節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)低碳低污染的智能環(huán)保型經(jīng)濟(jì)模式。
4 結(jié) 語
隨著全球一體化、工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化和信息化進(jìn)程的不斷發(fā)展，企業(yè)或個(gè)人都對(duì)生產(chǎn)、物流以及銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量要求越來越高，全流程監(jiān)控以及服務(wù)整合將是未來企業(yè)發(fā)展的方向。物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)可為行業(yè)整合提供一種思路，互通互聯(lián)的結(jié)構(gòu)可以有效對(duì)各類服務(wù)進(jìn)行整合，提高企業(yè)整合的高效性，為建設(shè)低碳、智能、節(jié)約型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)提供一定的技術(shù)支撐。
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