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通用型物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺設計論文
物聯(lián)網(wǎng)應用的多樣性、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象是包括靜止和移動的末端設備及各種資產(chǎn)，這些設備連接上傳感器等感知設備成為網(wǎng)絡中的節(jié)點�；谖锫�(lián)網(wǎng)這種網(wǎng)絡特點，利用通用網(wǎng)管的思想設計通用型物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺時，可以將各種異構(gòu)的系統(tǒng)和分布式資源進行整合，以實現(xiàn)管、控、營一體化，從而構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)運維系統(tǒng)，為建設低碳、智能、節(jié)約型社會提供技術支撐。
0 引 言
當前，全球經(jīng)濟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。為了推動工業(yè)化發(fā)展進程，必須把信息和物理世界相互融合，物聯(lián)網(wǎng)就是一個很好的例子[1]。
物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、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、學術界和工業(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，推動社會工業(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)絡層和應用層[2]。感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設備以及數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關之前的傳感器網(wǎng)絡;網(wǎng)絡層是實現(xiàn)各種通信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體接入信息網(wǎng)絡，隨時隨地進行可靠的信息交互和共享;應用層是指利用各種智能計算技術，對海量的跨地域、跨行業(yè)、跨部門的感知數(shù)據(jù)和信息進行分析處理，提升對物理世界、經(jīng)濟社會各種活動和變化的洞察力，實現(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，各個運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。盡管關于平臺的研究都有一些成果，但是，這些平臺存在平臺多樣、標準不統(tǒng)一、缺乏創(chuàng)新等問題，嚴重制約著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。本文針對以上問題，提出了一種自主創(chuàng)新的通用型物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的體系結(jié)構(gòu)，以適應廣泛的傳感節(jié)點和不同的行業(yè)應用，實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理，使物聯(lián)網(wǎng)的應用更加普遍和靈活，提升我國在物聯(lián)網(wǎng)領域的競爭力。
1 物聯(lián)網(wǎng)平臺的研究現(xiàn)狀
現(xiàn)階段國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)平臺的研究主要存在以下一些問題：
第一是應用廣泛，導致平臺多樣而不統(tǒng)一。物聯(lián)網(wǎng)的應用多種多樣，每一個應用對應一個不同的平臺，從而導致關于物聯(lián)網(wǎng)平臺的研究多數(shù)局限在某個具體的應用領域[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)。
第二是技術標準不統(tǒng)一。現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)應用技術主要包括基于RFID技術的應用、基于傳感網(wǎng)絡的應用、M2M應用和“兩化融合”等相關應用[4]。對于每一類應用，使用的硬件和軟件技術各不相同。RFID相關應用主要是利用射頻識別技術和傳感網(wǎng)絡，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用;“兩化融合”是自動化和信息化的融合，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)。這種情況就導致了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相互分離，不能進行資源的有效整合，浪費人力、物力和財力，與經(jīng)濟節(jié)約型社會的發(fā)展背道而馳。
第三則是管理平臺的可參考模型存在弊端。目前，還沒有一個規(guī)范化的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)模型。對于現(xiàn)階段可以參考的管理平臺體系結(jié)構(gòu)來說，在國外，歐盟的EPC global主要針對物流倉儲的物聯(lián)網(wǎng)應用模型[5]，具有一定局限性，不能廣泛應用于其他領域;而國內(nèi)目前的管理平臺也存在一些問題，很多都是借鑒國外已有的平臺進行各自為主的行業(yè)開發(fā)，缺乏創(chuàng)新性，參考價值不大。
由于物聯(lián)網(wǎng)平臺的體系架構(gòu)是指導具體應用系統(tǒng)設計的首要前提，因此，建立一個具有框架支撐作用的體系架構(gòu)至關重要。
2 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及其特點
物聯(lián)網(wǎng)要連接和服務的對象是末端設備和各種資產(chǎn)，包括各種基于微處理器做成的應用系統(tǒng)、各種智能卡或RFID卡，以及安裝在機器上的傳感器等。這些設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，是一種可以快速建立，不需要預先存在固定的網(wǎng)絡底層構(gòu)造的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。
物聯(lián)網(wǎng)，特別是傳感網(wǎng)中的節(jié)點可以動態(tài)、頻繁地加入或者離開網(wǎng)絡，它們不需要事先通知，也不會中斷其他節(jié)點間的通信。網(wǎng)絡中的節(jié)點可以高速移動，從而使節(jié)點群快速變化，節(jié)點間的鏈路通斷變化頻繁。傳感器網(wǎng)絡的這些使用上的特點，導致物聯(lián)網(wǎng)或者是傳感網(wǎng)具有如下特點[6]：
(1) 網(wǎng)絡拓撲變化快;
(2) 傳感器網(wǎng)絡難以形成網(wǎng)絡的節(jié)點和中心;
(3) 傳感器網(wǎng)絡的作用距離一般比較短;
(4) 傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的數(shù)量不大;
(5) 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)的安全性有一定的要求;
(6) 網(wǎng)絡終端之間的關聯(lián)性較低。
為了有效地進行傳感設備和節(jié)點的管理，將物聯(lián)網(wǎng)要管理的終端設備或資產(chǎn)看做網(wǎng)絡中的網(wǎng)元，并利用通用網(wǎng)管的思想對設備進行信息管理[7]，按照OSI的定義，網(wǎng)絡管理主要包括故障管理、配置管理、性能管理、安全管理和計費管理等五個功能域[8]，其具體示意圖如圖2所示。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及管理功能
3 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺
3.1 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺框架設計
針對目前物聯(lián)網(wǎng)平臺存在的問題以及物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡特點所設計的物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的框架圖如圖3所示。本平臺基于通用的網(wǎng)絡管理思想，將各種感知設備看做網(wǎng)絡中的節(jié)點來實現(xiàn)網(wǎng)絡管理的五大功能，并提供安全可控乃至個性化的實時在線監(jiān)測、報警聯(lián)動、調(diào)度指揮、遠程控制、安全防范、統(tǒng)計報表、決策支持等管理和服務功能，從而實現(xiàn)對“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)�！钡摹肮堋⒖�、營”一體化。
3.2 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的體系結(jié)構(gòu)
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)設計的物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的體系架構(gòu)如圖4所示。
圖3 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺框架
圖4 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺體系架構(gòu)
3.2.1 感知層
物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺根據(jù)不同的采集對象選擇有線局域網(wǎng)或無線組網(wǎng)等不同的組網(wǎng)方式，采集節(jié)點可根據(jù)需要選擇不同的傳感器節(jié)點，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。采集終端可對傳感器節(jié)點傳遞過來的數(shù)據(jù)進行處理、存儲，并在網(wǎng)絡層發(fā)出請求時傳遞出去。
3.2.2 網(wǎng)絡層
物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺可利用中間件技術，并基于TCP/IP協(xié)議對感知層的數(shù)據(jù)進行解析、編碼，并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡層，同時可兼容有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡等通信模式，以實現(xiàn)不同通信協(xié)議的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的接入和訪問[9]。
3.2.3 應用層
物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的應用層通常由硬件設備和應用軟件構(gòu)成。其中，硬件設備是在滿足網(wǎng)絡功能要求的前提下，采用云計算概念，在服務器上完成主要功能[10]，包括數(shù)據(jù)存儲服務器、Web服務器和中心處理服務器，以分別負責數(shù)據(jù)的存儲、應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)模的擴充。應用軟件則在滿足網(wǎng)絡管理基本功能的前提下，通過通用管理模板，實現(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)，可提供遠程維護支持。
3.3 物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的特點
本物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺的主要特點表現(xiàn)在以下五個方面：
(1) 可應用于各種領域。本物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺沒有行業(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(例如溫濕度傳感器、壓力傳感器等)進行信息采集;軟件管理系統(tǒng)能夠針對不同對象實現(xiàn)不同的管理功能，從而構(gòu)建可擴充、可擴展、可視化的綜合管理平臺。
(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，實現(xiàn)不同通信協(xié)議的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的接入和訪問，從而真正組成一個可連接各種感知終端的有機通信網(wǎng)絡平臺。
(3) 統(tǒng)一協(xié)議。本物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺基于標準的網(wǎng)管協(xié)議SNMP對設備進行管理，能提供開放性的接口給用戶，同時兼容自主開發(fā)的協(xié)議和特殊行業(yè)的協(xié)議，也可以實現(xiàn)不同設備和網(wǎng)絡之間的互通，從而實現(xiàn)對不同領域、不同設備的管理。
(4) 模塊和分布式設計�；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、計費管理)的基礎上，可提供特殊行業(yè)的管理功能，實現(xiàn)對終端設備的模塊化和分布式管理。本平臺可大可小，可深可淺，可單獨使用，也可聯(lián)合使用，而且容易剪裁成行業(yè)實時管理平臺，比如IDC機房管理、糧庫管理、污染或能耗監(jiān)測管理等多樣性平臺。
(5) 節(jié)約資源。本設計將五種管理功能集成到一個平臺，以對數(shù)據(jù)和設備進行有效管理，提高管理效率和服務質(zhì)量，節(jié)約資源，實現(xiàn)低碳低污染的智能環(huán)保型經(jīng)濟模式。
4 結(jié) 語
隨著全球一體化、工業(yè)企業(yè)自動化和信息化進程的不斷發(fā)展，企業(yè)或個人都對生產(chǎn)、物流以及銷售等各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量要求越來越高，全流程監(jiān)控以及服務整合將是未來企業(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)可以有效對各類服務進行整合，提高企業(yè)整合的高效性，為建設低碳、智能、節(jié)約型社會和實現(xiàn)環(huán)境友好型經(jīng)濟提供一定的技術支撐。
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