工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能邊緣計算應(yīng)用軟件的快捷開發(fā)與設(shè)計

張波 楊國華

[摘 要]邊緣計算節(jié)點(diǎn)連接現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，起到數(shù)據(jù)采集、通信聯(lián)網(wǎng)、安全過濾和運(yùn)行管理的作用，進(jìn)而將現(xiàn)場設(shè)備域與云端應(yīng)用域的連接。

[關(guān)鍵詞]邊緣計算、通信協(xié)議、Python語言、傳感、通信、控制

中圖分類號：S596 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）10-0075-02

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)組成與邊緣計算節(jié)點(diǎn)

中國制造2025政策加快工業(yè)化與信息化的兩化融合步伐，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及所用數(shù)據(jù)存儲和計算處理等智能設(shè)備安裝量大幅增加，以滿足工業(yè)智能化和數(shù)字化的需求。從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備域、網(wǎng)關(guān)域、應(yīng)用域功能來看（圖1），工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有不同于一般物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特性和要求。由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有嚴(yán)格的連接性、實(shí)時性和安全性要求，這些數(shù)據(jù)如果不經(jīng)過分析、處理、過濾就直接送到云端，不僅網(wǎng)絡(luò)帶寬無法負(fù)荷，云端的服務(wù)器也會耗費(fèi)大量的資源來應(yīng)對無效或無用的信息從而導(dǎo)致崩潰，而且在一些關(guān)鍵的場合，數(shù)據(jù)需要被立即處理并作出實(shí)時的反饋，如果通過云端再反饋回來，相關(guān)的數(shù)據(jù)已經(jīng)失去時效性，因此，將關(guān)鍵業(yè)務(wù)部署于云計算平臺將帶來通信延時、業(yè)務(wù)中斷和數(shù)據(jù)安全的風(fēng)險。

（1）設(shè)備域是指構(gòu)成生產(chǎn)需要的各種現(xiàn)場設(shè)備，主要包括智能傳感器及儀表、智能制造設(shè)備、人機(jī)界面、可編程控制器、工業(yè)計算機(jī)等，通過工業(yè)總線組成現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。

（2）網(wǎng)關(guān)域是連接現(xiàn)場設(shè)備域與云端應(yīng)用域的邊緣計算節(jié)點(diǎn)設(shè)備及軟件，起到數(shù)據(jù)采集、通信聯(lián)網(wǎng)、安全過濾和運(yùn)行管理的作用。通過開發(fā)部署相應(yīng)的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計算存儲和智能處理，獲取和集成企業(yè)MES及ERP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而連接云端應(yīng)用域?qū)崿F(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)上云。

（3）應(yīng)用域是基于公有云計算平臺構(gòu)建的融合大數(shù)據(jù)和人工智能的智能物聯(lián)網(wǎng)平臺，具有設(shè)備接入、設(shè)備解析、設(shè)備管理、規(guī)則引擎、時序數(shù)據(jù)庫、機(jī)器學(xué)習(xí)等一系列物聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)品和服務(wù)，幫助開發(fā)者快速實(shí)現(xiàn)從設(shè)備域到應(yīng)用服務(wù)域的無縫連接，高效構(gòu)建數(shù)據(jù)分析呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)管、預(yù)測性維保等各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，幫助工業(yè)制造用戶快速實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的商業(yè)價值。

3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算設(shè)備軟件體系與協(xié)議

3.1 軟件體系

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算節(jié)點(diǎn)安裝Linux、windows操作系統(tǒng)，內(nèi)置編程語言運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行腳本語言解釋器，常用開發(fā)語言有C、C++、Java、Python、Javascript等；集成網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及安全中間件、集成API和配置界面。

3.2 通信協(xié)議比較：HTTP與MQTT

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算軟件與協(xié)議密切相關(guān)，HTTP和MQTT是最常用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開放互聯(lián)協(xié)議，二者都是建立于TCP之上協(xié)議。使用安全套接字層（SSL）可以實(shí)現(xiàn)安全的傳輸加密。HTTP是以文檔為中心的。MQTT是以數(shù)據(jù)為中心的，它以字節(jié)數(shù)組的形式傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容，并不關(guān)心內(nèi)容。

4 基于Python語言開發(fā)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算軟件

下面以DIGI公司Connect Port X4為例介紹邊緣計算節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)（圖2）。一端通過Xbee連接無線傳感網(wǎng)絡(luò)——Xbee Sensor傳感器模塊、SP智能插座、XBee底板，另一端通過以太網(wǎng)連接樂聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)云計算平臺（www.lewei50.com）。

4.1 Python編程連接現(xiàn)場設(shè)備

用import導(dǎo)入XBee傳感和驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動模塊，編寫Python代碼連接、采集通過Zigbee無線通信連接的XBee設(shè)備，包括Xbee Sensor光照/溫度傳感器、Smart Plug智能插座（內(nèi)置溫度傳感器、電流傳感器）、Xbee擴(kuò)展底板等三個設(shè)備，通過命令行輸出結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)場控制要求，可以編寫復(fù)雜的控制程序。

4.2 Python編程連接樂聯(lián)網(wǎng)

將4.1獲得的數(shù)據(jù)傳送至樂聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺，并通過平臺功能將數(shù)據(jù)可視化，需要按照樂聯(lián)網(wǎng)的格式要求編寫從X4設(shè)備發(fā)送程序。

（2）將實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送至樂聯(lián)網(wǎng)

使用HTTP發(fā)送，需要用import socket導(dǎo)入套接字，這樣可以用TCP連接樂聯(lián)網(wǎng)，IP地址是HOST = "101.37.32.173"，端口號PORT = 9960。

import socket

HOST = "101.37.32.173"

PORT = 9960

用SOCKET建立連接對象：

zhang=socket.socket（socket.AF_INET，socket.SOCK_STREAM）

zhang.connect（（HOST， PORT））

組裝發(fā)送數(shù)據(jù)包：

tx_data='{"method"："update"，"gatewayNo"："01"，"userkey"："fe34895698764685928b2ea423d6a356"}&^！'+'{"method"："upload"，"data"：[{"Name"："t5"，"Value"："%s"}，'%20+'{"Name"："L001"，"Value"："%s"}，'%（sample['light']）+'{"Name"："A001"，"Value"："%s"}，'%（sample1['current']）+'{"Name"："T002"，"Value"："%s"}，'%（sample1['temperature']）+'{"Name"："OUTLET"，"Value"："%s"}，'%（str（j））+'{"Name"："T001"，"Value"："%s"}]}&^！"'%（sample['temperature']）

發(fā)送數(shù)據(jù)命令：

zhang.send（tx_data）

（3）運(yùn)行結(jié)果

通過樂聯(lián)網(wǎng)工業(yè)物 聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺，可以看到連接設(shè)備狀態(tài)及數(shù)據(jù)刷新情況。樂聯(lián)網(wǎng)支持強(qiáng)大的數(shù)據(jù)圖形化功能，點(diǎn)擊其中光照傳感器變量可以打開并查看“數(shù)據(jù)-時間”曲線（圖3），在設(shè)置策略、規(guī)則和域值后，可以通過郵箱、短信、微信等方式接收報警信息。

5 結(jié)語

邊緣計算設(shè)備不僅具備通信網(wǎng)關(guān)功能，融合計算、通信、控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。本文通過Python語言的邊緣計算應(yīng)用軟件開發(fā)將現(xiàn)場傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)集成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場XBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過邊緣計算節(jié)點(diǎn)與云端服務(wù)的快速集成，使設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)邏輯核心功能向應(yīng)用層集聚，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速部署和敏捷開發(fā)給出了重要的范例。

參考文獻(xiàn)

[1] Chun Bin Tang，探索 IBM Bluemix 上的 MQTT 和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，http：//www.ibm.com/developerworks/cn/cloud/library/cl-mqtt-bluemix-iot-node-red-app/index.html

[2] 陳旖，張美平，許力，WSN應(yīng)用層協(xié)議MQTT-SN與CoAP的剖析與改進(jìn)，計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，Computer Systems & Applications， 2015年02期

作者簡介

張波（1968-6），女，江蘇無錫人，漢，無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校副教授，主要從事電子信息研究教學(xué)。