陳文藝, 張楊旭, 楊 輝

(1.西安郵電大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)與兩化融合研究院， 陜西 西安 710061；2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

物聯(lián)網(wǎng)即物物相連的互聯(lián)網(wǎng)[1]。作為一種通過信息交互以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)，目前廣泛應(yīng)用于智能物流、智能交通等各個領(lǐng)域[2]。網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)中連接感知網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁[3]，可以實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議設(shè)備之間信息的傳遞，網(wǎng)關(guān)可以屏蔽各種底層差異，實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通與平臺之間的數(shù)據(jù)實(shí)時同步，提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，可以將分散在不同區(qū)域感知網(wǎng)絡(luò)的信息孤島連接在一起，完成各種傳感設(shè)備穩(wěn)定的接入、控制、數(shù)據(jù)存儲等，實(shí)現(xiàn)不同子網(wǎng)的信息交互和通信[4]。

目前關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究主要包含兩方面內(nèi)容。一是如何屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類傳感設(shè)備的快速接入。文獻(xiàn)[5]實(shí)現(xiàn)了協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、感知網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)關(guān)的管理和控制，但缺少對感知網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備類型的豐富以及故障的處理[6]；文獻(xiàn)[7]針對MODBUS協(xié)議中遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal unit，RTU)模式進(jìn)行網(wǎng)關(guān)設(shè)計，只是通過仿真來進(jìn)行驗(yàn)證，并沒有對網(wǎng)關(guān)實(shí)際的功能和性能進(jìn)行測試[8]。二是如何實(shí)現(xiàn)與云平臺之間數(shù)據(jù)快速、安全、穩(wěn)定的傳輸。傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)資源平臺的通信協(xié)議有超文本傳輸協(xié)議(hypertext transport protocol，HTTP)[9]和消息隊列遙測傳輸協(xié)議(message queuing telemetry transport，MQTT)[10]。HTTP采用“請求-響應(yīng)”方式進(jìn)行通信，只有客戶端發(fā)起請求，服務(wù)端才會做出響應(yīng)，服務(wù)端不能主動向客戶端推送數(shù)據(jù)[11]，其缺點(diǎn)是缺乏實(shí)時性、采用明文通信，數(shù)據(jù)傳輸并不可靠[12]。MQTT是輕量級基于代理的發(fā)布/訂閱的消息傳輸協(xié)議，其設(shè)計簡單，易于實(shí)現(xiàn)[13]，缺點(diǎn)是只適用資源有限的嵌入式設(shè)備，并且只能進(jìn)行小數(shù)據(jù)鏈的傳輸、帶寬低、安全性差[14]。

考慮到傳感數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸中的安全、高效和穩(wěn)定，提出一種支持MODBUS的通用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)模型，該模型中采用串口作為設(shè)備接入?yún)f(xié)議，使用標(biāo)準(zhǔn)傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol，TCP)[15]作為網(wǎng)關(guān)與設(shè)備通信協(xié)議，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)WebSocket協(xié)議[16]作為網(wǎng)關(guān)與平臺通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)設(shè)備根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接入網(wǎng)關(guān)并實(shí)現(xiàn)與平臺之間信息雙向?qū)崟r交互，用實(shí)例來驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)架構(gòu)模型的功能和性能。

1 建立物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為連接設(shè)備與平臺的樞紐，主要完成數(shù)據(jù)模型的建立與維護(hù)、協(xié)議的轉(zhuǎn)換、設(shè)備的接入與控制以及數(shù)據(jù)同步等。網(wǎng)關(guān)主要依賴于物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行構(gòu)建，其中物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

圖1中，物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)由瀏覽器、手機(jī)應(yīng)用、云平臺、網(wǎng)關(guān)及設(shè)備組成，是一種人機(jī)交互的實(shí)時用戶瀏覽器/物聯(lián)網(wǎng)云平臺/物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(browser/server/model，B/S/M)系統(tǒng)，其中底層設(shè)備將獲取到的數(shù)據(jù)安全、高效、穩(wěn)定的傳入網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對傳入的數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，然后將處理之后數(shù)據(jù)發(fā)往云平臺，云平臺具有強(qiáng)大計算及存儲能力，對用戶進(jìn)行授權(quán)，用戶通過瀏覽器、手機(jī)應(yīng)用等來管理物聯(lián)網(wǎng)資源。

2 構(gòu)建MODBUS網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

設(shè)計一種通用的MODBUS網(wǎng)關(guān)架構(gòu)模型，主要目的是完成對設(shè)備的接入、控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)封裝、模型同步以及數(shù)據(jù)的上傳與下發(fā)。4層網(wǎng)關(guān)架構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 4層網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

圖2中，將網(wǎng)關(guān)分為網(wǎng)關(guān)內(nèi)部模塊和設(shè)備接入模塊。其中設(shè)備接入模塊包含感知接口層和協(xié)議適配層，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部模塊包含數(shù)據(jù)模型同步層和平臺通信層，兩模塊之間采用TCP方式通信，網(wǎng)關(guān)與設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)與平臺采用標(biāo)準(zhǔn)Websocket協(xié)議進(jìn)行通信。

2.1 感知接口層

感知接口層作為MODBUS網(wǎng)關(guān)最底層，通過相應(yīng)硬件接口與物理設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的接入及控制，感知接口層模塊架構(gòu)如圖3所示。

圖3 感知接口層模塊架構(gòu)

圖3中，感知接口層包含設(shè)備驅(qū)動和控制兩個模塊。設(shè)備驅(qū)動模塊主要用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的接入，設(shè)備控制模塊完成對設(shè)備的具體相關(guān)操作，完成對設(shè)備的接入及控制后，再通過協(xié)議適配層進(jìn)行調(diào)用。

2.2 協(xié)議適配層

協(xié)議適配層作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)中關(guān)鍵一層，主要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，協(xié)議適配層模塊架構(gòu)如圖4所示。

圖4 協(xié)議適配層模塊架構(gòu)

圖4中，協(xié)議適配層包含協(xié)議轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)包封裝與解析模塊。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊完成對感知接口層上傳的數(shù)據(jù)與平臺定義JS對象標(biāo)記(javascript object notation，JSON)設(shè)備數(shù)據(jù)模型之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。然后采用平臺定義的統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝與解析，若為數(shù)據(jù)上傳，則對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并推送數(shù)據(jù)包到TCP客戶端；若為數(shù)據(jù)下發(fā)，則接收TCP客戶端下發(fā)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)包的解析。

2.3 TCP模塊

TCP模塊作為連接設(shè)備接入模塊和網(wǎng)關(guān)內(nèi)部模塊的橋梁，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)的全雙工通信，TCP模塊架構(gòu)如圖5所示。

圖5 TCP模塊架構(gòu)

圖5中，TCP模塊包含客戶端和服務(wù)器兩部分，兩者之間的通信采用套接字實(shí)現(xiàn)，該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀的上傳與下發(fā)。

2.4 數(shù)據(jù)模型同步層

數(shù)據(jù)模型同步主要是指平臺網(wǎng)關(guān)和設(shè)備模型與物理網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)模型保持一致的操作過程，即任何時刻只要平臺模型發(fā)生變化，對應(yīng)物理模型也要同步變化，并保持與平臺模型一致性，反之亦然。數(shù)據(jù)模型同步包含3方面作用：一是接收平臺下發(fā)數(shù)據(jù)完成平臺模型到網(wǎng)關(guān)模型同步，并按協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)平臺數(shù)據(jù)到相應(yīng)設(shè)備；二是接收設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，更新網(wǎng)關(guān)模型，上傳網(wǎng)關(guān)模型到平臺模型的同步包；三是監(jiān)測設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，完成網(wǎng)關(guān)域事件處理，并上傳平臺域事件包。

2.5 平臺通信層

平臺通信層完成網(wǎng)關(guān)與平臺之間通信，采用Websocket協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與平臺所定義的機(jī)器服務(wù)器雙向?qū)崟r通信，并完成網(wǎng)關(guān)設(shè)備的認(rèn)證接入、身份驗(yàn)證、模型同步，并為計算設(shè)備推送/讀取平臺設(shè)備數(shù)據(jù)。

3 MODBUS網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)

MODBUS網(wǎng)關(guān)，主要實(shí)現(xiàn)對支持該協(xié)議的底層各種設(shè)備的互聯(lián)互通，以及與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的實(shí)時雙向通信。MODBUS作為主從應(yīng)答協(xié)議采用半雙工方式通信，主從通信方式如圖6所示。

圖6 主從通信方式

圖6中，主站向從站發(fā)送查詢信息，從站通過讀取主站的指令，然后根據(jù)指令回復(fù)主站相應(yīng)數(shù)據(jù)。

MODBUS協(xié)議包含RTU、ASCII、TCP 3種模式，因?yàn)榻^大部分MODBUS設(shè)備支持RTU模式，所以針對RTU模式對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)計，該模式協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)包含6部分內(nèi)容：起始位、設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)以及結(jié)束符。其中起始位占3.5個字符，設(shè)備地址和功能碼各占一個字節(jié)，數(shù)據(jù)占N個字節(jié)，校驗(yàn)占兩個字節(jié)，結(jié)束符占3.5個字符，并且協(xié)議幀中各數(shù)據(jù)位間隔不超過1.5個字符時鐘間隔。

3.1 感知接口層實(shí)現(xiàn)

感知接口層包含驅(qū)動和控制兩模塊，主要為了實(shí)現(xiàn)對MODBUS傳感設(shè)備的接入及控制，其中MODBUS主從通信模塊架構(gòu)，如圖7所示。

圖7 主從通信模塊架構(gòu)

圖7中，包含協(xié)議適配層、應(yīng)用程序接口(application programming interface，API)及傳感設(shè)備3部分。為使協(xié)議適配層方便調(diào)用，采用API對驅(qū)動模塊和控制模塊進(jìn)行封裝，其中控制模塊對應(yīng)功能模塊，用于將平臺下發(fā)的請求轉(zhuǎn)化為對具體設(shè)備的一系列通信操作轉(zhuǎn)化為平臺所請求的結(jié)果；驅(qū)動模塊對應(yīng)串口模塊、循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check，CRC)模塊及讀寫模塊，用于設(shè)備檢測，完成對設(shè)備的接入、退出及系統(tǒng)檢測。

驅(qū)動及控制程序流程如圖8所示。其中包含3部分內(nèi)容，一是對串口進(jìn)行初始化并對設(shè)備進(jìn)行超時檢測；二是調(diào)用讀數(shù)據(jù)功能塊完成數(shù)據(jù)的讀取，并通過校驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證無誤后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀處理；三是讀數(shù)據(jù)處理完成后，調(diào)用寫數(shù)據(jù)功能塊完成對數(shù)據(jù)的寫入，檢測數(shù)據(jù)是否有錯，若沒有再對數(shù)據(jù)進(jìn)行寫處理。完成對程序的編寫并實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的相應(yīng)操作。

感知接口層各模塊具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

步驟1 驅(qū)動。

①串口模塊是采用淘寶cnpm鏡像安裝第三方serialport模塊創(chuàng)建串口，匹配設(shè)備參數(shù)。

②CRC模塊是用于將一幀除CRC校驗(yàn)之外的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算生成CRC校驗(yàn)碼，用于數(shù)據(jù)傳輸檢錯，以確保數(shù)據(jù)正確讀寫。

③數(shù)據(jù)讀/寫模塊是完成對寄存器中設(shè)備數(shù)據(jù)的讀寫操作，供設(shè)備控制模塊調(diào)用。

步驟2 控制。

控制主要完成對MODBUS常用功能碼的封裝，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的相關(guān)操作，模塊中每一個函數(shù)對應(yīng)實(shí)現(xiàn)某一功能碼特定功能，實(shí)際所需哪種，直接調(diào)用其對應(yīng)函數(shù)即可。以03H功能碼為例，用于讀取保持寄存器中溫/濕度值，調(diào)用封裝好的函數(shù)readHoldRegisters(address,dataAddress,length,next)可獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，其中address代表從機(jī)地址，dataAddress代表寄存器中數(shù)據(jù)初始位，length代表寄存器長度，next表示進(jìn)入下一個處理函數(shù)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)8種常用功能碼，具體接口函數(shù)如下。

01H：readCoilsState() 讀線圈的狀態(tài)

02H：readDiscreteState() 讀離散狀態(tài)

03H：readHoldRegisters() 讀保持寄存器

04H：readInputRegisters() 讀輸入寄存器

05H：writeCoil() 寫單個線圈

06H：writeRegister() 寫單個寄存器

0FH：writeCoils() 寫多個線圈

10H：writeRegisters() 寫多個寄存器

圖8 驅(qū)動及控制程序流程

3.2 協(xié)議適配層實(shí)現(xiàn)

協(xié)議適配層包含協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)封裝與解析兩個模塊。協(xié)議轉(zhuǎn)換完成MODBUS傳感設(shè)備數(shù)據(jù)與平臺定義JSON格式設(shè)備數(shù)據(jù)模型的格式轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)封裝是將JSON數(shù)據(jù)模型按照物聯(lián)網(wǎng)平臺定義的統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行封裝。主要采用JSON格式數(shù)據(jù)，具體包含3種類型：設(shè)備認(rèn)證、設(shè)備心跳和設(shè)備數(shù)據(jù)更新。各類型所對應(yīng)的相關(guān)函數(shù)、JSON數(shù)據(jù)格式及具體功能如下。

(1)設(shè)備認(rèn)證

①認(rèn)證函數(shù)及JSON格式數(shù)據(jù)模型如下。

devCertificate(gid,did,userkey,function(err)

{//應(yīng)答消息處理

})

sendDoc = {

msgType : string, // devCertificate操作

gwid : gid, //網(wǎng)關(guān)ID

devid : did, //設(shè)備ID

userkey : userkey //用戶秘鑰

}

②功能：設(shè)備發(fā)送認(rèn)證請求消息到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)認(rèn)證通過后激活設(shè)備，設(shè)備處于on狀態(tài)。

(2)設(shè)備心跳

①心跳函數(shù)及JSON格式數(shù)據(jù)模型如下。

devHeartBeat(did,function(err){

//應(yīng)答消息處理

})

sendDoc = {

msgType : string, // devHeartBeat操作

devid : did, //設(shè)備ID

n : num //心跳包序列號

}

②功能：設(shè)備定時發(fā)送心跳消息到網(wǎng)關(guān)，用于檢測設(shè)備在線狀態(tài)。

(3)設(shè)備數(shù)據(jù)更新

①數(shù)據(jù)更新函數(shù)及JSON數(shù)據(jù)模型如下。

devUpdateData(did,doc,loc,function(err){

//應(yīng)答消息處理

})

sendDoc = {

msgType : string, //devUpdataData操作

devid : did, //設(shè)備ID

v : num, //數(shù)據(jù)點(diǎn)值(溫度)

time : string}

②功能：添加更新設(shè)備數(shù)據(jù)到JSON格式設(shè)備數(shù)據(jù)模型，并同步網(wǎng)關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)模型。

3.3 TCP通信實(shí)現(xiàn)

作為連接網(wǎng)關(guān)和設(shè)備之間的通信協(xié)議，TCP通信主要包含客戶端和服務(wù)器的建立兩部分內(nèi)容，具體TCP通信實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示。

圖9 TCP通信實(shí)現(xiàn)流程

TCP通信實(shí)現(xiàn)步驟如下。

步驟1 建立TCP客戶端，通過使用socket套接字將協(xié)議轉(zhuǎn)換所生成的3種類型的物聯(lián)網(wǎng)平臺統(tǒng)一幀格式的完整數(shù)據(jù)包發(fā)送到TCP服務(wù)端。

步驟2 調(diào)用node.js原生net模塊[17]，構(gòu)建TCP服務(wù)器，監(jiān)聽來自TCP客戶端事件，當(dāng)客戶端套接字連接到服務(wù)端時觸發(fā)連接事件。通過socket監(jiān)聽事件[18]，若監(jiān)聽到結(jié)束事件，刪除網(wǎng)關(guān)列表對應(yīng)網(wǎng)關(guān)；若監(jiān)聽到關(guān)閉事件，關(guān)閉網(wǎng)關(guān)；若監(jiān)聽到數(shù)據(jù)事件，對一幀完整數(shù)據(jù)包里的JSON數(shù)據(jù)的解析，將解析到的JSON數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)模型同步層，再作相應(yīng)處理。

3.4 數(shù)據(jù)模型同步層實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)模型同步層包含數(shù)據(jù)上傳和下發(fā)的同步，主要是指平臺虛擬網(wǎng)關(guān)和設(shè)備數(shù)據(jù)模型與物理網(wǎng)關(guān)和設(shè)備數(shù)據(jù)保持一致的操作過程，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

步驟1 設(shè)備數(shù)據(jù)上傳，通過接收來自客戶端的事件并做相應(yīng)的處理，設(shè)備數(shù)據(jù)上傳步驟如圖10所示。

圖10中，TCP服務(wù)端監(jiān)聽來自TCP客戶端data事件所上傳的設(shè)備JSON數(shù)據(jù)，通過判斷數(shù)據(jù)類型來做相應(yīng)處理。若為設(shè)備認(rèn)證，經(jīng)平臺通信層發(fā)送消息到平臺完成設(shè)備兩次認(rèn)證；若為心跳，經(jīng)平臺通信層發(fā)送心跳到平臺；若為設(shè)備數(shù)據(jù)更新，同步更新設(shè)備數(shù)據(jù)到平臺。

圖10 設(shè)備數(shù)據(jù)上傳步驟

步驟2 平臺數(shù)據(jù)下發(fā)，通過接收來自平臺的事件并做相應(yīng)的處理，平臺數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備控制消息如圖11所示。

圖11 平臺數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備控制消息

圖11中，網(wǎng)關(guān)通過客戶端監(jiān)聽來自平臺的事件。若監(jiān)聽到連接事件則與平臺建立連接，連接成功后接收平臺下發(fā)的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)模型同步層，經(jīng)TCP模塊、設(shè)備控制和驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)發(fā)平臺數(shù)據(jù)到設(shè)備，完成對底層設(shè)備的控制操作；若監(jiān)聽到斷開事件，則斷開與平臺之間的連接。

3.4 平臺通信層實(shí)現(xiàn)

構(gòu)建基于WebSocket協(xié)議的socket.io客戶端將解析后的數(shù)據(jù)上傳至云平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型同步更新。分別對解析到設(shè)備認(rèn)證、心跳請求、設(shè)備數(shù)據(jù)更新3類消息類型作相應(yīng)處理，具體處理流程如下。

步驟1 設(shè)備認(rèn)證，通過兩次握手實(shí)現(xiàn)，兩次握手實(shí)現(xiàn)步驟如圖12所示。

圖12 兩次握手實(shí)現(xiàn)步驟

圖12中，網(wǎng)關(guān)和平臺進(jìn)行兩次握手已達(dá)到設(shè)備的認(rèn)證。首次握手，網(wǎng)關(guān)向平臺發(fā)送網(wǎng)關(guān)和設(shè)備認(rèn)證識別號，平臺接收到數(shù)據(jù)后，生成驗(yàn)證隨機(jī)數(shù)，發(fā)送到網(wǎng)關(guān)；二次握手，網(wǎng)關(guān)對隨機(jī)數(shù)和用戶秘鑰一起加密，平臺認(rèn)證成功返回網(wǎng)關(guān)和設(shè)備模型到網(wǎng)關(guān)，兩次握手結(jié)束。

步驟2 用設(shè)備心跳來判斷網(wǎng)關(guān)從屬設(shè)備狀態(tài)，若為off，將其設(shè)為on，開啟網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過socket.io將更新的設(shè)備狀態(tài)上傳至云平臺。

步驟3 設(shè)備數(shù)據(jù)更新，通過利用Websocket協(xié)議中socket.emit方法將設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺，同步更新設(shè)備數(shù)據(jù)模型。

4 測試

測試包含功能及性能測試兩部分，功能測試完成API接口測試和設(shè)備數(shù)據(jù)上傳與平臺控制命令下發(fā)測試；性能測試通過增加測試數(shù)據(jù)完成對整個系統(tǒng)的丟包率、時延等各種性能參數(shù)的測試。

4.1 功能測試

(1)API接口測試

調(diào)用API接口中相應(yīng)函數(shù)，完成對傳感器接入數(shù)據(jù)采集，溫濕度數(shù)據(jù)采集如圖13所示。

圖13 溫濕度數(shù)據(jù)采集

圖13中，實(shí)現(xiàn)對傳感器溫濕度數(shù)據(jù)的采集，規(guī)定采集間隔為5秒。以其中一組數(shù)據(jù)為例，其中溫度值為24.5℃，濕度值為48.3%RH，并增加實(shí)時采樣時間。

(2)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳

①設(shè)備接入模塊測試

測試之前需在本平臺對設(shè)備進(jìn)行注冊，平臺分配給用戶相應(yīng)網(wǎng)關(guān)ID(gwid)、設(shè)備ID(devid)和用戶秘鑰(userkey)，全網(wǎng)唯一。設(shè)備數(shù)據(jù)上傳之前需要先進(jìn)行認(rèn)證，若存在有多個設(shè)備接入，則將設(shè)備注冊信息存放于單獨(dú)配置文件，便于后期更新維護(hù)。以溫度傳感(AM2301)為例進(jìn)行測試，設(shè)備接入模塊測試如圖14所示。

圖14中，設(shè)備請求消息包含3部分：一是設(shè)備的認(rèn)證請求，構(gòu)造認(rèn)證消息填充到JSON數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；二是設(shè)備的數(shù)據(jù)請求，將實(shí)時溫度填充到JSON數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；三是設(shè)備的心跳請求，心跳間隔為10秒，用于檢測設(shè)備是否在線。對構(gòu)造的3種類型請求按照平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)封裝格式進(jìn)行封裝，最后通過TCP對封裝好的buffer數(shù)據(jù)包進(jìn)行上傳。

②網(wǎng)關(guān)內(nèi)部模塊測試

作為網(wǎng)關(guān)內(nèi)部模塊，數(shù)據(jù)模型同步層及平臺通信層接收來自傳感設(shè)備3種類型數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部模塊測試如圖15所示。

圖15 網(wǎng)關(guān)內(nèi)部模塊測試

圖15中，包含3部分內(nèi)容：一是網(wǎng)關(guān)將接收到的認(rèn)證消息發(fā)送到平臺并接收到來自平臺的認(rèn)證隨機(jī)數(shù)，然后對隨機(jī)數(shù)和userkey采用MD5加密，重新組包發(fā)往平臺兩次握手結(jié)束，完成設(shè)備認(rèn)證；二是設(shè)備溫度數(shù)據(jù)測試，同步更新設(shè)備數(shù)據(jù)到平臺；三是心跳測試，同步更新心跳到平臺。

(3)平臺數(shù)據(jù)下發(fā)

平臺通過構(gòu)造控制命令經(jīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到對應(yīng)設(shè)備，完成對設(shè)備的控制操作，平臺數(shù)據(jù)下發(fā)如圖16所示。

圖16 平臺數(shù)據(jù)下發(fā)

圖16中，包含兩部分內(nèi)容：一是網(wǎng)關(guān)解析來自平臺buffer數(shù)據(jù)獲取JSON格式設(shè)備控制命令；二是打開設(shè)備，獲取設(shè)備溫度數(shù)據(jù)，每5秒更新一次，更新后的數(shù)據(jù)會重新組包經(jīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)往平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的同步。

4.2 性能測試

采用Jmeter軟件取1 000個樣本，測試網(wǎng)關(guān)性能[19]。各性能參數(shù)與預(yù)期聚合報告對比如表1所示。

表1 聚合報告對比

表1中，對網(wǎng)關(guān)性能測試的參數(shù)主要包含平均響應(yīng)時間、丟包率、錯誤率、時延以及傳輸速率5部分，通過聚合報告分析，對比得出，實(shí)測各類參數(shù)均符合預(yù)期目標(biāo)范圍，且網(wǎng)關(guān)通信良好。

測試結(jié)果，網(wǎng)關(guān)中各模塊均以實(shí)現(xiàn)各自功能。網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)傳感設(shè)備的接入、控制以及數(shù)據(jù)的上傳與下發(fā)，并且各種性能參數(shù)均符合預(yù)期設(shè)計的目標(biāo)。MODBUS網(wǎng)關(guān)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與平臺之間的高效，穩(wěn)定的雙向通信。

5 結(jié)語

采用TCP服務(wù)器搭建技術(shù)、Socket.IO雙向通信技術(shù)、Node.js技術(shù)以及MODBUS客戶端搭建技術(shù)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種通用MODBUS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。首先，在云平臺的基礎(chǔ)之上構(gòu)建網(wǎng)關(guān)的模型架構(gòu)，將網(wǎng)關(guān)分為感知接口層，協(xié)議適配層，數(shù)據(jù)模型同步層和平臺通信層4層方便進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；其次，從網(wǎng)關(guān)的模塊化設(shè)計與通信系統(tǒng)的設(shè)計需求兩方面出發(fā)，對網(wǎng)關(guān)通信系統(tǒng)設(shè)計，采用MODBUS、TCP與Socket.IO的實(shí)現(xiàn)路徑，具體實(shí)現(xiàn)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及平臺三者之間的設(shè)備認(rèn)證，數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)，設(shè)備心跳3大類實(shí)時信令的雙向交互；最后，對網(wǎng)關(guān)功能和性能進(jìn)行測試。通過測試表明，網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)對于支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議的各類傳感設(shè)備的接入、控制以及數(shù)據(jù)的上傳與下發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備與平臺之間的雙向通信。通過性能對比，其丟包率、時延等各類性能參數(shù)均滿足預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，且網(wǎng)關(guān)通信良好，基本滿足設(shè)計要求。