CN114615301A - 一种集成异构工业互联网设备的平台及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成异构工业互联网设备的平台及其构建方法，包括物理设备层，物理设备层包括各种不同品牌不同协议的多台设备和多个硬件控制系统，通过协议驱动控制硬件设备运动和采集数据，物理设备层的设备通过协议发送请求后会到达负载均衡层，通过负载均衡层的作用，物理设备层的所有设备、用户请求通过协议统一层进行访问，将各种异构设备协议进行统一，并完成数据的采集解析和结构化处理，业务层为基于协议统一层采集的数据进行分析处理，通过接口层上传到应用层。本发明所述的集成异构工业互联网设备的平台及其构建方法，能够更好的实现底层硬件设备和上层应用软件的交互，提高整个物流系统运行效率，并保证生产过程全程可追溯。

Description

一种集成异构工业互联网设备的平台及其构建方法

技术领域

本发明属于工业互联网、软件体系架构的技术领域，尤其是涉及一种集成异构工业互联网设备的平台。

背景技术

工业互联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，通过连接设备、物料、人、信息系统等资源，实现异构设备与控制系统和信息系统的感知、传输、分析与科学决策，以提升生产效率与设备运行质量，形成新兴业态和应用模式，是推进制造强国和网络强国建设的重要基础设施。工业互联网对各终端硬件设备的协议进行虚拟化，以此实现异构设备间的采集和交互管理。

但由于设备种类多且各设备供应商所使用的编程语言、通信协议等均不同，甚至部分设备的接口协议不开放，导致工业互联网感知数据更加具有异构性和多样性。另外设备应用系统之间数据不统一、缺乏互联互通的沟通机制，这些孤立的“点”之间难以构成“网”或者“面”，最终形成各自的信息孤岛。同时现有的开源互联网平台和商业互联网平台存在很多局限，开源平台性能在大规模设备下表现不好，商业平台代码无法开源且价格昂贵，开发者无法了解其内部的实现原理，并存在数据泄露的风险，企业无法实现自主可控，也无法灵活进行符合自身业务需求的配置。因此，通过系统构建一种集成异构工业互联网设备的平台及方法，实现人、机、料、法、环全面互联，解决异构服务间沟通“信息孤岛”的难题显得至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种集成异构工业互联网设备的平台，以解决异构服务间沟通“信息孤岛”的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种集成异构工业互联网设备的平台,包括物理设备层、负载均衡层、协议统一层、业务层、接口层和应用层，物理设备层包括各种不同品牌不同协议的多台设备和多个硬件控制系统，通过协议驱动控制硬件设备运动和采集数据，物理设备层的设备通过协议发送请求后会到达负载均衡层，通过负载均衡层的作用，物理设备层的所有设备、用户请求通过协议统一层进行访问，将各种异构设备协议进行统一，并完成数据的采集解析和结构化处理，业务层为基于协议统一层采集的数据进行分析处理，通过接口层上传到应用层。

进一步的，所述物理设备层的设备种类和品牌根据通信方式经过转换为最常用的四种协议：MQTT协议、OPC UA协议、Modbus TCP协议、REST协议。

进一步的，所述负载均衡层具备负载均衡器，负载均衡器对设备或系统请求进行转发。

进一步的，所述负载均衡层采用Nginx框架实现，根据均匀分配和最短响应时间策略将设备、用户或下游系统请求尽量均匀分布到网关Gateway节点上。

进一步的，所述协议统一层即是将多源异构设备的不同通信协议实现统一转换处理，使得系统能够兼容不同设备之间的数据通信，数据统一转换为JSON格式存放到kafka消息队列，相应服务会持久化存储到数据库，实现各类通信协议的统一和数据解析。

进一步的，所述业务层为平台配合WEB前端实现的业务功能，业务层通过设备层协议完成平台对底层大量设备的管理和数据采集并通过接口层为应用层提供数据。

进一步的，所述接口层主要采用成熟的REST或WebService或MQ接口与应用层的软件交互。

相对于现有技术，本发明所述的集成异构工业互联网设备的平台具有以下优势：

(1)本发明所述的集成异构工业互联网设备的平台，提供一个双向透明接口，对底层各智能设备进行管理和数据采集，接收上层应用软件指令并上传设备和任务的执行状态，屏蔽底层硬件的复杂性和多样性，能够更好的实现底层硬件设备和上层应用软件的交互，提高整个物流系统运行效率，并保证生产过程全程可追溯。

(2)本发明所述的集成异构工业互联网设备的平台，适用于所有的工业互联网管理系统，并可扩展到整个互联网交互过程信息化管理中，具备较强的扩展性和通用性。

本发明的另一目的在于提出一种集成异构工业互联网设备的平台的构建方法，采用微服务的架构，以突破现有开源工业互联网平台和商业互联网平台的局限性，提升平台的性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种集成异构工业互联网设备的平台的构建方法，包括如下步骤：

S1、构建负载均衡层

通过Nginx框架构建负载均衡层，物理设备层的所有设备、用户请求负载均衡层分配到网关上，保证负载均衡层的高并发性；

S2、构建协议统一层

通过Netty框架构建协议统一层，完成设备协议解析转化和数据采集工作，每种设备按照通讯协议定制Driver，保证边缘驱动层的高并发性；

S3、构建功能服务层

系统划分为六个服务，分别为：设备协议转化服务、权限与鉴权服务、MQ消息存储服务、功能性服务、接口服务、通信与规则服务，通过nacos对服务进行注册管理；

S4、构建消息转发层

结合Kafka框架构建MQ消息存储服务，利用Kafka消息中间件异步和解耦作用完成对设备数据的存储处理工作，保证功能服务的高可用性。

进一步的，所述步骤S2种构建协议统一层的具体方法为：

S21、统一转化协议，根据通信规则，将协议统一转换为MQTT协议，数据包由固定头、可变头、消息体组成；

S22、构建设备信息解码器，设备信息解码器解码协议获取完整的数据包转为消息对象，并在Netty框架下自定义解码协议和长度；

S23、构建设备信息处理器，设备信息处理器首先对数据包的完整性、准确性进行校验，采用CRC校验，校验不通过则丢掉；通过对采集的消息对象进行处理解析，转换为统一JSON格式存储到kafka消息队列中。

相对于现有技术，本发明所述的集成异构工业互联网设备的平台的构建方法具有以下有益效果：

(1)本发明所述的集成异构工业互联网设备的平台的构建方法，采用微服务的架构，以突破现有开源工业互联网平台和商业互联网平台的局限性，提升平台的性能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的集成异构工业互联网设备的平台的功能架构图；

图2为本发明实施例所述的集成异构工业互联网设备平台的构建方法层次图；

图3为本发明实施例所述的集成异构工业互联网设备的平台的服务划分图；

图4为本发明实施例所述的集成异构工业互联网设备的平台各服务间交互的数据流图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种集成异构工业互联网设备的平台，如图1所示，包括物理设备层、负载均衡层、协议统一层、业务层、接口层和应用层，物理设备层包括各种不同品牌不同协议的多台设备和多个硬件控制系统，通过协议驱动控制硬件设备运动和采集数据，物理设备层的设备通过协议发送请求后会到达负载均衡层，通过负载均衡层的作用，物理设备层的所有设备、用户请求通过协议统一层进行访问，将各种异构设备协议进行统一，并完成数据的采集解析和结构化处理，业务层为基于协议统一层采集的数据进行分析处理，通过接口层上传到应用层。

物理设备层的设备种类和品牌根据通信方式经过转换为最常用的四种协议：MQTT协议、OPC UA协议、Modbus TCP协议、REST协议。系统也可兼容RS232、TCP/IP协议、串口通信协议、私有自定义协议等。

所述物理设备层为与系统交互的多个智能硬件设备，具体实施例中包括零部件智能仓库等20个仓储设备、温湿度和防静电传感器等50个环境监测设备、物流门等射频类设备15个、全向移动平台10台、分拣装配机械臂5个、入库视觉检测系统等质检系统10套。其中仓储类设备采用WebService和Socket协议、环境类设备采用socket协议、射频类设备采用TCP协议、全向移动平台采用Modobus TCP协议、机械臂采用OPC UA协议、质检系统采用REST协议。

负载均衡层具备负载均衡器，负载均衡器对设备或系统请求进行转发，降低多源异构设备请求系统的压力，保证系统的高并发性。

所述负载均衡层采用Nginx框架实现，根据均匀分配和最短响应时间策略将设备、用户或下游系统请求尽量均匀分布到网关Gateway节点上，不同的服务请求会由负载均衡机制分别调用微服务的不同实例，保证系统的高并发。

负载均衡层具备健康检查功能，定时查询节点的健康状态，若没有响应或响应错误则剔除节点。

所述协议统一层即是将多源异构设备的不同通信协议实现统一转换处理，使得系统能够兼容不同设备之间的数据通信，数据统一转换为JSON格式存放到kafka消息队列，相应服务会持久化存储到数据库，实现各类通信协议的统一和数据解析。

进一步的，所述业务层为平台配合WEB前端实现的业务功能，完成信息所述业务层通过设备层协议完成平台对底层大量设备的管理和数据采集以及通过接口层为上层应用提供需要的底层数据，包括系统管理模块1、通讯管理模块2、配置管理模块3、设备管理模块4、数据采集与处理模块5、数据分析与应用模块6等。

系统管理员通过系统管理模块1为用户进行注册、分配权限，用户即可登录系统进行操作；用户登录系统后可通过设备管理模块4对要进行信息交互的上游系统和底层设备进行注册，即可获得通信的权限；在通讯管理模块2中可对通信协议以及数据格式进行配置，配置完成即可进行数据通信；通信的数据可通过数据采集与处理模块5统一数据格式、进行数据清洗，处理完成的数据可通过数据分析与应用模块6对设备状态、任务状态进行可视化展示，同时还可通过数据分析对设备进行预警。

其中，系统管理模块1完成中间件平台用户、权限、字典参数等配置和维护，保证系统的正常登录，包括用户管理11、注册管理12、字典管理13、日志管理14。用户管理11完成用户注册、用户登录、用户权限管理、密码修改等；注册管理12根据用户权限级别对设备的接入鉴权进行注册统一管理，上层系统以及设备必须进行注册，才能与中间件平台进行通信，有效避免垃圾数据的产生；字典管理13对系统的常用属性进行记录复用；日志管理14用于管理系统操作事件产生的日志记录追踪。

通讯管理模块2用于对上层应用和底层设备间提供统一接口通信服务，支持同步和异步接口方式，异步方式与kafka对接，同步方式与Restful协议对接，完成请求响应、会话、排队、订阅发布和广播等操作，包括协议转换21、消息缓存22、在线调试23、接口管理24等；协议转换21使设备层不同协议设备互相通信组网，实现设备间互操作，如设备层统一采用MQTT协议和用户统一采用HTTP协议。消息缓存22用于接收设备采集信息并缓存到消息队列；在线调试23通过配置协议、设备IP、端口等完成对设备在线联调，包括发送指令控制设备运动和调试接口等；接口管理24用于接入设备层的设备接口协议配置管理。

配置管理模块3完成中间件平台自身运转的实时监测，记录系统足迹，实现系统操作透明化，以确保系统可靠性预警，包括规则引擎31、服务监测32；规则引擎31将业务规则固化成组件，可根据需要采用柔性配置的方式在系统中完成业务决策；服务监测33实时监测服务器工作状态，采用心跳机制来确保系统运行正常。当发生异常时，守护进程会自动重启中间件，以确保系统的正常运行。

设备管理模块4具备设备鉴权、新增未知设备、获取设备状态、设备异常信息、设备监控等功能，是对所有硬件设备的基础信息管理、状态监控维护与保养，主要包括设备台账41、设备监控42、设备预测性维护43；设备台账41完成设备层设备基础信息配置，如设备参数、型号、工作时长等；设备监控42完成设备层设备的状态进行监控和管理；设备预测性维护43根据设备台账维护41的使用工作时长等基础信息和结合数据分析6的结果对设备寿命和状态进行维护。

数据采集与处理5完成采集数据的处理分析，为上游系统提供支持，包括数据采集51、数据转换52和数据清洗53等；为确保数据的准确性和高可用性，数据采集51从消息队列中拿出数据进行分析处理，用于执行符合设备控制的读写操作，并经过归一化等数据转换52和滤波等数据清洗53处理转化为统一格式的数据存储到数据库和上传到上游系统。

数据分析与应用6完成中间件平台的可视化显示工作，包括数据分析61、监测预警62。数据分析61对采集的数据进行分析应用处理展示到看板中，监测预警62根据数据分析的结果对设备的阈值进行监测并报警提醒。

同时基于业务层的分析，将系统划分为功能性服务、接口服务、MQ消息存储服务、通信与规则服务、权限/设备接入鉴权、设备协议转化服务六个服务，如图3所述。

所述接口层应用于该平台与上层应用软件的交互，主要采用成熟的REST、WebService、MQ接口。所述接口层采用跟协议统一层一样的消息队列kafka，应用于该平台与上层应用软件的交互。通过此种方式为上下游系统提供一个双向透明接口，使应用层系统屏蔽底层硬件设备的复杂性和多样性。

所述应用层通过接口层与MES等上层应用软件系统完成数据传输。所述应用层包括三维展示的数字孪生系统、处理订单业务的WMS、LES等仓储管理系统以及上游的MES等生产管理系统；在企业中这些系统大都相互独立，每个系统都具有重要数据源，各系统的数据无法得到及时共享。通过所述接口层可上下游系统数据整合并统一数据源，为信息流畅通提供保障。

一种集成异构工业互联网设备的平台的构建方法，如图2至图4所示，包括如下步骤：

S1、构建负载均衡层

通过Nginx框架构建负载均衡层，物理设备层的所有设备、用户请求负载均衡层分配到网关上，保证负载均衡层的高并发性。构建负载均衡器，在负载均衡器上编译安装Nginx，安装成功后通过Nginx配置文件配置使用的负载均衡算法。

S2、构建协议统一层

通过Netty框架构建协议统一层，完成设备协议解析转化和数据采集工作，每种设备按照通讯协议定制Driver(驱动)，保证边缘驱动层的高并发性；

S21、统一转化协议。根据通信规则，将协议统一转换为MQTT协议，数据包由固定头、可变头、消息体组成。

S22、构建设备信息解码器。设备信息解码器解码协议获取完整的数据包转为消息对象，并在Netty框架下自定义解码协议和长度。

S23、构建设备信息处理器。设备信息处理器首先对数据包的完整性、准确性进行校验，采用CRC校验，校验不通过则丢掉。通过对采集的消息对象进行处理解析，转换为统一JSON格式存储到kafka消息队列中。

S3、构建功能服务层

系统划分为六个服务，如图3所示，分别为：设备协议转化服务、权限与鉴权服务、MQ消息存储服务、功能性服务、接口服务、通信与规则服务，通过nacos对服务进行注册管理。如图4所示，功能性服务配合实现WEB前端系统管理、设备管理、通讯管理、数据采集与处理、配置管理等相关功能的后台业务；接口服务提供与三维漫游、WMS等上游系统集成的接口服务，该服务提供REST接口保证实时消息的转发，并把收到的信息转化为带有Topic的信息存到数据库持久化或转发，同时通过与Kafka集成，该服务收到信息后，也带有Topic的信息持久化或转发。MQ消息存储服务完成各服务日志记录，负责解析和持久化。通信和规则服务负责对上层系统下发的任务，平台建立任务、调试等任务指令后调度与下推，反馈的任务执行情况的接受和处理、持久化，采集设备数据的接受和处理、持久化，看板数据的及时性反馈。权限和设备接入鉴权服务采用JWT框架完成Web功能的权限和其它服务的接入鉴权；设备协议转化服务负责设备协议转化和数据采集，每种设备按照通讯协议定制Driver,该服务可以分布式部署。

S4、构建消息转发层

结合Kafka框架构建MQ消息存储服务，利用Kafka消息中间件异步和解耦作用完成对设备数据的存储处理工作，保证功能服务的高可用性。具体的，结合Kafka框架构建消息转发层，利用Kafka消息中间件异步和解耦作用完成对设备数据的存储处理工作，保证功能服务的高可用性；在Kafka中创建相关的主题同上层应用层系统完成消息的传递。

本方案采用微服务的架构，以突破现有开源工业互联网平台和商业互联网平台的局限性，提升平台的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成异构工业互联网设备的平台，其特征在于：包括物理设备层、负载均衡层、协议统一层、业务层、接口层和应用层，物理设备层包括各种不同品牌不同协议的多台设备和多个硬件控制系统，通过协议驱动控制硬件设备运动和采集数据，物理设备层的设备通过协议发送请求后会到达负载均衡层，通过负载均衡层的作用，物理设备层的所有设备、用户请求通过协议统一层进行访问，将各种异构设备协议进行统一，并完成数据的采集解析和结构化处理，业务层为基于协议统一层采集的数据进行分析处理，通过接口层上传到应用层。

2.根据权利要求1所述的一种集成异构工业互联网设备的平台，其特征在于：物理设备层的设备种类和品牌根据通信方式经过转换为最常用的四种协议：MQTT协议、OPC UA协议、Modbus TCP协议、REST协议。

3.根据权利要求1所述的一种集成异构工业互联网设备的平台，其特征在于：负载均衡层具备负载均衡器，负载均衡器对设备或系统请求进行转发。

4.根据权利要求1所述的一种集成异构工业互联网设备的平台，其特征在于：所述负载均衡层采用Nginx框架实现，根据均匀分配和最短响应时间策略将设备、用户或下游系统请求尽量均匀分布到网关Gateway节点上。

5.根据权利要求1所述的一种集成异构工业互联网设备的平台，其特征在于：所述协议统一层即是将多源异构设备的不同通信协议实现统一转换处理，使得系统能够兼容不同设备之间的数据通信，数据统一转换为JSON格式存放到kafka消息队列，相应服务会持久化存储到数据库，实现各类通信协议的统一和数据解析。

6.根据权利要求1所述的一种集成异构工业互联网设备的平台，其特征在于：所述业务层为平台配合WEB前端实现的业务功能，业务层通过设备层协议完成平台对底层大量设备的管理和数据采集并通过接口层为应用层提供数据。

7.根据权利要求1所述的一种集成异构工业互联网设备的平台，其特征在于：所述接口层主要采用成熟的REST或WebService或MQ接口与应用层的软件交互。

8.根据权利要求1至7任一所述的一种集成异构工业互联网设备的平台的构建方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、构建负载均衡层

通过Nginx框架构建负载均衡层，物理设备层的所有设备、用户请求负载均衡层分配到网关上，保证负载均衡层的高并发性；

S2、构建协议统一层

通过Netty框架构建协议统一层，完成设备协议解析转化和数据采集工作，每种设备按照通讯协议定制Driver，保证边缘驱动层的高并发性；

S3、构建功能服务层

系统划分为六个服务，分别为：设备协议转化服务、权限与鉴权服务、MQ消息存储服务、功能性服务、接口服务、通信与规则服务，通过nacos对服务进行注册管理；

S4、构建消息转发层

结合Kafka框架构建MQ消息存储服务，利用Kafka消息中间件异步和解耦作用完成对设备数据的存储处理工作，保证功能服务的高可用性。

9.根据权利要求8所述的一种集成异构工业互联网设备的平台的构建方法，其特征在于：所述步骤S2种构建协议统一层的具体方法为：

S21、统一转化协议，根据通信规则，将协议统一转换为MQTT协议，数据包由固定头、可变头、消息体组成；

S22、构建设备信息解码器，设备信息解码器解码协议获取完整的数据包转为消息对象，并在Netty框架下自定义解码协议和长度；

S23、构建设备信息处理器，设备信息处理器首先对数据包的完整性、准确性进行校验，采用CRC校验，校验不通过则丢掉；通过对采集的消息对象进行处理解析，转换为统一JSON格式存储到kafka消息队列中。

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