CN106027671A - 基于云计算的工业数据总线与数据服务系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于云计算的工业数据总线系统与开放式数据服务平台架构，工业数据总线系统包括嵌入到工业现场设备的工业数据总线，该工业数据总线为服务器集群，包含一个或多个工业数据总线服务节点；其客户端为软件服务棧或SDK，软件服务棧或SDK为工业现场设备的应用程序提供数据接入API。开放式数据服务平台架构包括实时数据库集群模块、数据处理插件模块、数据流程管理模块、数据分析引擎模块、设备操控管理模块、统计与报表模块和微服务容器模块，各模块通过工业数据总线实现数据的交互。该系统与架构为工业现场提供了设备数据的实时采集与汇聚方法，还为企业实现多系统集成与数据的汇聚使用提供了云端集成架构和支撑方案。

Description

基于云计算的工业数据总线与数据服务系统
技术领域
本发明属于物联网大数据技术领域，具体涉及物联网服务平台设计与工业大数据技术。
背景技术
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称为“Internet of things(IoT)”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网，主要有两层意思：一是物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；二是其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信，即万物互联、物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络或连接的设备，不如说物联网是服务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心。
工业物联网是物联网技术在工业领域的垂直应用。工业领域(如生产制造)往往对数据传输的实时性和准确性要求更高，所以，工业物联网的系统设计会更加复杂。工业物联网平台主要是针对工业现场，实现设备、人、流程、软件系统的连接，通过对现场数据的实时采集、处理和反馈实现生产的高度自动化、智能化和少人化。除此之外，工业物联网平台，以其强大的数据存储能力和数据处理能力为工业大数据分析提供了基础，帮助实现设备预防性维护、生产计划与排程、物料规划、采购计划等，是互联网改造传统工业的基础工具，也是实现工业4.0的基础。
目前缺乏一种有效的工业物联网平台的总线基础架构，帮助相关工业企业构建基于物联网的应用和管理系统，并推动企业数据化，让数据驱动生产、采购、计划、物流等，以及驱动企业商业决策。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于云计算的，面向工业物联网平台的工业数据总线系统和开放式数据服务平台架构，实现基于云端的价值传递，其能有效帮助相关工业企业构建基于物联网的应用和管理系统，并推动企业数据化，让数据驱动生产、采购、计划、物流等，以及驱动企业商业决策。
本发明提供一种工业数据总线系统，该系统包括：嵌入到工业现场设备的工业数据总线，该工业数据总线为服务器集群，包含一个或多个工业数据总线服务节点；该工业数据总线的客户端为软件服务棧或SDK，软件服务棧或SDK为工业现场设备的应用程序提供数据接入API。
本发明所述工业数据总线系统还可以包括总线网关设备，工业数据总线和工业现场设备通过总线网关设备连接。
优选地，如上所述工业数据总线服务节点为独立的物理服务器、虚拟机或Linux容器，各节点基于通信协议，通过数据同步、消息转发或共享内存方式实现服务器集群。
优选地，如上所述工业数据总线系统还包括连接企业应用系统，企业应用系统与工业数据总线相连。
优选地，如上所述API包括认证接口、回调函数接口、实时数据发送接口。
通过如上的API，工业数据总线系统可以进行实时数据采集。
本发明还提供一种工业数据总线系统的实时数据采集方法，包括如下步骤：
A1、通过认证接口，对工业现场设备的接入进行认证；
A2、通过回调函数接口，工业现场设备接收来自服务端的数据，实现回调
函数；
A3、通过实时数据发送接口，进行数据实时双向发送。
优选地，所述认证函数包括：int init(char*deviceID,char*clientID,char*accessKey,Callback callback)；其中，deviceID为工业现场设备的唯一标识，clientID为工业现场设备应用程序所代表的虚拟客户端的唯一标识，accessKey为工业现场设备接入密钥；callback为由Callback类型定义的回调函数指针；
优选地，所述回调函数包括：void(*Callback)(int reason,void*msg,intmsgLen)；其中，reason用于标识总线的相关状态，msg为接收到的数据，msgLen为服务端返回数据的长度；
优选地，所述发送函数包括：int send(char*msg,char*options)；其中，msg为从工业现场设备的应用程序实时发送的数据，options为可选参数。
本发明还提供一种工业数据总线系统与开放式数据服务平台架构，该系统包括如上所述的工业数据总线系统，还包括与工业数据总线相连的开放式数据服务平台架构。
优选地，所述开放式数据服务平台架构包括实时数据库集群模块、数据处理插件模块、数据流程管理模块、数据分析引擎模块、设备操控管理模块、统计与报表模块和微服务容器模块，各模块通过工业数据总线系统实现数据的交互。
更优选地，所述实时数据库集群模块用于存储和持久化工业现场设备、企业系统或开放式数据服务平台架构其他模块的数据；数据处理插件模块用于实现事件触发响应、条件判断和工业现场设备的检测分析；数据流程管理模块基于数据处理插件模块实现，用于将数据处理插件应用程序映射到可视化操作界面；数据分析引擎模块基于服务器集群实现，为Map-Reduce开发框架；设备操控管理模块用于为客户提供操作界面；统计与报表模块用于接收工业现场设备、企业系统或开放式数据服务平台架构其他模块的数据，并将其数据呈现为可视化形式；微服务容器模块基于云平台或Linux容器动态加载方式实现，用于数据的接收和发送。
本发明的有益效果为：本发明通过多个工业数据总线服务节点实现服务器集群，提供了一种基于云计算，面向工业现场设备的工业数据总线系统；实现基于云端的价值传递，其能有效帮助相关工业企业构建基于物联网的应用和管理系统，并推动企业数据化，让数据驱动生产、采购、计划、物流等，以及驱动企业商业决策。
本发明的具体实施方式还具有如下的有益效果：通过围绕工业数据总线的消息传输实现工业现场设备、开放式数据服务平台架构和企业应用系统间数据的实时采集、处理、分析和使用，并实现系统之间数据的实时交互与集成。该系统不仅为工业现场提供了一种设备数据的实时采集与汇聚方法，还为企业实现多系统集成与数据的汇聚使用提供了云端集成架构和支撑方案，帮助企业实现数据驱动的服务，为工业自动化、智能化和少人化奠定基础。
附图说明
图1为本发明实施例工业数据总线客户端通过API与工业现场设备的应用程序进行交互示意图。
图2为本发明实施例工业数据总线实现工业现场设备连接的方式示意图。
图3为本发明实施例工业数据总线系统的实现原理。
图4为本发明实施例工业数据总线系统进行实时数据采集流程图。
图5为本发明实施例工业数据总线与开放式数据服务平台架构。
A为传感器网络，B为短距数据传输通道，C为总线网关设备，D为工业数据总线，E为开放式数据服务平台架构，F为企业应用系统。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种工业数据总线系统和开放式数据服务平台架构。
工业数据总线系统包括嵌入到工业现场设备的工业数据总线，该工业数据总线为服务器集群，包含一个或多个工业数据总线服务节点；该工业数据总线的客户端为软件服务棧或SDK，软件服务棧或SDK为工业现场设备的应用程序提供数据接入API，其交互形式如图1所示。
软件服务棧或SDK为工业现场设备提供安全、双向的云端连接，其连接方式分以下两种情况：
一是工业现场设备具备TCP/IP网络连接能力(通过通过以太网口或WiFi等连接方式实现连网)，例如基于PC机实现的工控机等。对于此类工业现场设备，只需运行客户端，根据工业现场设备运行的系统，由相应的计算机语言实现，包括但不限于C/C++、C#、Java等。
二是工业现场设备不具备TCP/IP网络连接能力，例如RFID芯片、普通传感器、低功耗蓝牙设备等，这些设备具备短距数据传输能力，如通过RFID信号、Zigbee、红外信号、蓝牙信号、2.4G、RS485、4-20mA电流信号等。对于此类工业现场设备，在工业现场设备和工业现场总线之间设置总线网关设备，如图2所示。工业现场设备首先通过短距传输协议如Zigbee、蓝牙、RFID等将数据传输到总线网关设备，再由总线网关将数据通过工业数据总线传输到开放式数据服务平台架构，或实现反向的数据传输。
如图3所示，工业数据总线为服务器集群，包含一个或多个工业数据总线服务节点，该系统基于消息系统集群实现，每个节点为基于Websocket、MQTT或TCP等协议实现的消息服务系统，具体采用哪种通信协议，本发明不作限制，每个节点为独立的物理服务器或虚拟机或Linux容器，节点之间通过数据同步、消息转发或共享内存等方式实现服务器集群，具体的服务节点集群机制不在本发明范围内。通过工业数据总线服务集群，工业现场设备与开放式数据服务平台架构实现双向的实时数据传输，且通过集群机制和增减集群的服务节点实现数据传输能力的伸缩。
API包括认证接口、回调函数接口、实时数据发送接口。
以上接口采用C语言表达，但其实现不限于C语言。
通过这些接口，工业数据总线系统进行实时数据采集，其数据采集步骤流程图如图4所示。
A1、通过工业现场设备接入的认证接口，对接口进行认证，所述认证函数包括：int init(char*deviceID,char*clientID,char*accessKey,Callbackcallback)；其中，deviceID为工业现场设备的唯一标识，clientID为工业现场设备应用程序所代表的虚拟客户端的唯一标识，accessKey为工业现场设备接入密钥；callback为由Callback类型定义的回调函数指针；
A2、通过工业现场设备的应用程序与软件服务棧或SDK之间的回调函数接口，工业现场设备的应用程序接收来自服务端的数据，实现回调函数，所述回调函数包括：void(*Callback)(int reason,void*msg,int msgLen)；其中，reason用于标识总线的相关状态，msg为接收到的数据，msgLen为服务端返回数据的长度；
A3、通过实时数据发送接口，进行数据实时双向发送，所述发送函数包括：int send(char*msg,char*options)；其中，msg为从工业现场设备的应用程序实时发送的数据，options为可选参数。
工业数据总线系统除了连接设备与数据服务平台之外，还可以连接企业其他应用系统，如ERP(Enterprise Resource Planning)、CRM(Customer RelationshipManagement)等。
与工业数据总线系统相连的开放式数据服务平台架构包括实时数据库集群模块、数据处理插件模块、数据流程管理模块、数据分析引擎模块、设备操控管理模块、统计与报表模块和微服务容器模块，各模块通过工业数据总线系统实现数据的交互，其结构如图5所示。
数据处理插件模块为一个应用程序运行时，可动态加载另一段应用程序，在该插件运行时，运行的每一段应用程序都是工业数据总线的一个客户端，根据数据的路由机制接收到需要处理的数据。路由机制由工业数据总线具体采用的通信协议决定，如实现基于MQTT协议，那么从一个客户端到另一个客户端的数据传输基于消息主题的订阅与发布模式；如果基于Websocket，则基于每个客户端的唯一标识实现消息的点对点传输。该应用程序根据自身逻辑对接收到的数据进行处理后，将返回值通过工业数据总线发送给开放式数据服务平台架构其他模块或工业现场设备。在数据处理插件模块中运行的每段应用程序都是一个数据处理插件，实现事件触发响应、条件判断、和工业现场设备的检测分析等功能。
数据流程管理模块基于数据处理插件模块实现，通过将每个数据处理插件应用程序映射到一个可视化的模块，如在网页上实现的一个方块，并让用户可以在可视化操作界面通过拖动模块将两个或多个数据处理插件按一定顺序连接起来，让数据分别流过对应的数据处理插件，并由对应的应用程序处理，实现一个完整业务流程对数据的实时处理，满足不同工业流程需求。
数据分析引擎模块为基于实时数据库集群模块实现的一个Map-Reduce开发框架，并开放多种计算机语言的Map-Reduce分析接口，包括C/C++、Java、Python等。
设备管理与操控模块为工业数据总线的另一个客户端，为用户提供操作界面，其实现可以是Web网页、基于某操作系统的客户端软件等，通过操作界面，用户可以通过工业数据总线向工业现场设备发送实时的控制指令或程序数据，如固件升级程序等，在工业数据总线另一端的对应工业现场设备将根据接收到的控制指令或程序实施相应的动作(如开机、关机等)。
统计与报表模块为一个可视化的数据汇聚模块，作为工业数据总线的另一个客户端接收来自设备、企业应用系统或其他模块的数据，并通过图形化界面应用程序(如Web网页或智能移动电话的应用程序)将相应的数据呈现为图表或其他可视化形式。
微服务容器为一个应用程序运行时环境，支持多种计算机语言的执行，该服务容器可基于Cloudfoundry或docker容器动态加载等方式实现。微服务容器为用户提供一个服务开发与运行环境，在该环境里运行的每个服务都作为工业数据总线的一个客户端，实现数据的接收或发送，并通过服务开放接口(如RPC、RESTful API等)给其他应用系统或移动App所使用，便于第三方应用对工业现场数据的操控和使用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工业数据总线系统，其特征在于，该系统包括：嵌入到工业现场设备的工业数据总线，该工业数据总线为服务器集群，包含一个或多个工业数据总线服务节点；该工业数据总线的客户端为软件服务棧或SDK，软件服务棧或SDK为工业现场设备的应用程序提供数据接入API。
2.如权利要求1所述的工业数据总线系统，其特征在于，所述工业数据总线系统还包括总线网关设备，工业数据总线和工业现场设备通过总线网关设备连接。
3.如权利要求1或2所述的工业数据总线系统，其特征在于，所述工业数据总线服务节点为独立的物理服务器、虚拟机或Linux容器，各节点基于通信协议，通过数据同步、消息转发或共享内存方式实现服务器集群。
4.如权利要求1或2所述的工业数据总线系统，其特征在于，还包括连接企业应用系统，企业应用系统与工业数据总线相连。
5.如权利要求1或2所述的工业数据总线系统，其特征在于，API包括认证接口、回调函数接口、实时数据发送接口。
6.一种工业数据总线系统的实时数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
A1、通过认证接口，对工业现场设备的接入进行认证；
A2、通过回调函数接口，工业现场设备接收来自服务端的数据，实现回调函数；
A3、通过实时数据发送接口，进行数据实时双向发送。
7.如权利要求6所述的实时数据采集方法，其特征在于，所述认证函数包括：int init(char*deviceID,char*clientID,char*accessKey,Callback callback)；其中，deviceID为工业现场设备的唯一标识，clientID为工业现场设备应用程序所代表的虚拟客户端的唯一标识，accessKey为工业现场设备接入密钥；callback为由Callback类型定义的回调函数指针；
所述回调函数包括：void(*Callback)(int reason,void*msg,int msgLen)；其中，reason用于标识总线的相关状态，msg为接收到的数据，msgLen为服务端返回数据的长度；
所述发送函数包括：int send(char*msg,char*options)；其中，msg为从工业现场设备的应用程序实时发送的数据，options为可选参数。
8.一种工业数据总线系统与开放式数据服务平台架构，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的工业数据总线系统，还包括与工业数据总线相连的开放式数据服务平台架构。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述开放式数据服务平台架构包括实时数据库集群模块、数据处理插件模块、数据流程管理模块、数据分析引擎模块、设备操控管理模块、统计与报表模块和微服务容器模块，各模块通过工业数据总线系统实现数据的交互。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述实时数据库集群模块用于存储和持久化工业现场设备、企业系统或开放式数据服务平台架构其他模块的数据；数据处理插件模块用于实现事件触发响应、条件判断和工业现场设备的检测分析；数据流程管理模块基于数据处理插件模块实现，用于将数据处理插件应用程序映射到可视化操作界面；数据分析引擎模块基于服务器集群实现，为Map-Reduce开发框架；设备操控管理模块用于为客户提供操作界面；统计与报表模块用于接收工业现场设备、企业系统或开放式数据服务平台架构其他模块的数据，并将其数据呈现为可视化形式；微服务容器模块基于云平台或Linux容器动态加载方式实现，用于数据的接收和发送。
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