工业互联网平台核心技术之一：数据集成与边缘处理技术

工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台。其本质是通过构建精准、实时、高效的数据采集互联体系，建立面向工业大数据存储、集成、访问、分析、管理的开发环境，实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化、复用化，不断优化研发设计、生产制造、运营管理等资源配置效率，形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业新生态。

工业互联网平台需要解决多类工业设备接入、多源工业数据集成、海量数据管理与处理、工业数据建模分析、工业应用创新与集成、工业知识积累迭代实现等一系列问题，涉及七大类关键技术，分别为数据集成和边缘处理技术、IaaS 技术、平台使能技术、数据管理技术、应用开发和微服务技术、工业数据建模与分析技术、安全技术。

工业互联网平台按层级分第一层是边缘，此层是通过大范围、深层次的数据采集，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业互联网平台的数据基础。一是通过各类通信手段接入不同设备、系统和产品，采集海量数据；二是依托协议转换技术实现多源异构数据的归一化和边缘集成；三是利用边缘计算设备实现底层数据的汇聚处理，并实现数据向云端平台的集成。

边缘计算已在《小白聊智慧制造之十四：一文轻松读懂边缘计算》详述，本篇不再涉及，主要谈谈数据集成。



一、设备接入方式

我们经常看到通过物联网实现设备联网。但设备究竟是如何联网的却语焉不详。今天我们来探讨下设备究竟是如何联网的。

设备接入是基于工业以太网、工业总线等工业通讯协议，以太网、光纤等通用协议，3G/4G/5G、NB-IOT等无线协议将工业现场设备接入到平台的边缘层。

设备联网有两种方式：

第一种方式：直接接入

直接接入网络需要满足一个要求，即设备本身具备联网的能力或者在设备端加入2G、3G、NB-IOT等通讯模组。具备通讯功能的设备，可以直接接入网络。

第二种方式：网关接入

设备或终端本身不具有联网能力，这就需要再本地组网后，再统一通过网关再接入网络。如终端通过Zigbee\LORA等无线组网，然后设备再通过网关统一接入到网络上。常用到的本地无线组网技术有Zigbee\lora\Ble\MeoH\sub-1GHZ等等。

二、网关

1、什么是网关

网关既然如此厉害，那么什么是网关呢？网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。使用在不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。

2、网关的功能

简单地来说，网关就是一个处于本地局域网与外部接入网络之间的智能设备。网关的主要功能是网络隔离、协议转换和适配、数据内外传输，还有一项功能在工业互联网平台中很重要，就是边缘计算，它占据了50%左右的计算。而边缘计算大部分是通过网关或网关服务器来完成的。具体来说，网关主要功能包括：

    广泛的接入能力
    网络隔离
    协议转换能力
    边缘计算

3、网关工作过程（以例说明）

以ZigBee为例来探讨下网关。ZigBee 因其低成本、低功耗、组网灵活等众多优势，成为工业无线通信技术中备受关注的技术之一。ZigBee 是一种低速网络，传输速度为10KB/S～250KB/S，多样的互联方式使得组网方式灵活而稳健。采用ZigBee 协议，应用于工业现场短距离的无线控制、监测、数据传输等的以太网协议转换，实现远程监控、远程数据交互等。



可通过ZigBee 以太网网关直接访问或修改仪表数据，实现现场仪表的远程监控、远程诊断等当网关接入GPRS 或因特网后，无论你身处何地都可随时访问工业现场仪表数据，实现现场仪表的远程组态、远程诊断以及远程操作等功能，使世界范围内的不同传感监测网络可以信息共享。

一个典型的网关架构图：

当网关接收到一个正常发往本地IP 的以太网数据包后，经过协议判断送往上层UDP（TCP）处理，最后到网关的应用程序处理网关应用程序经过分析判断，确定需要转发给ZigBee 网络中的哪个节点，经过ZigBee 端的ARP 地址解析出对应的ZigBee 中的节点MAC地址，将相应的数据包送至该节点，完成一次数据通讯。同理，当ZigBee 端收到数据包后，通过同样的解析将数据包送至对应节点或设备实现ZigBee 节点的实时访问、修改、组态等。

三、数据传输方式

物联网的传输层主要负责传递和处理感知层获取的信息，分为有线传输和无线传输两大类，其中无线传输是物联网的主要应用。无线传输技术按传输距离可划分为两类：一类是以Zigbee、WiFi、蓝牙等为代表的短距离传输技术，即局域网通信技术；另一类则是LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗广域网），即广域网通信技术。LPWAN又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、Sigfox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4/5G蜂窝通信技术，比如eMTC（enhanced machine type of communication ，增强机器类通信）、NB-IoT（ Narrow Band Internet of Things ，窄带物联网）。



局域网传输设备，应用于本地的连接技术，主要有BLE、Zigbee、Z-ware、NFC、Wifi/蓝牙等。

广域网传输设备，应用于广域和远程数据的连接技术，主要有3G/4G/5G、Ethernet、LTE、eMTC、NB-IOT等。



根据传输速率的不同，物联网业务可分为高速率、中速率及低速率业务。其中，高速率业务主要使用3G、4G 及WiFi技术，可应用于视频监控、车载导航等场景；中速率业务主要使用蓝牙、eMTC等技术，可应用于智能家居、储物柜等高频使用场景；低速率业务，即LPWAN(低功耗广域网)，主要使用NB-IoT、LoRa、Sigfox及ZigBee等技术，可能应用于智慧停车、远程抄表等使用频次低的应用场景。

根据麦肯锡咨询所调研的数据来看，全球物联网市场有大约60%以上都属于低速率业务，这类应用需要具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖等能力。由于自身的发展以及成本等问题，各个企业都在向低成本、低功耗等方向发展。而在低速率领域，中国电信企业如中国移动、中国电信等都主要以发展NB-IoT（窄带物联网）为主，而LoRa在中国电信类企业之外也是发展的重点。

四、数据解析方式

传感器和设备信息需要通过各种不同的协议实现数据接入的。协议转换分为两个方面。一方面运用协议解析、中间件等技术兼容ModBus、OPC、CAN、Profibus等各类工业通信协议和软件通讯接口，实现数字格式转换和统一。另一方面利用HTTP、MQTT等方式从边缘层将采集的数据传输到云端，实现数据的远程接入。



在转换协议中，主要有协议即用于短距离设备连接的本地协议 Modbus 以及支持物联网进行远程全局通信的可扩展互联网协议“消息队列遥测传输 (MQTT)”

ModBus

ModBus首次出现于 1979 年，是连接行业设备实际使用的标准协议。 是一种纯粹的“软”协议，不依赖于任何通讯介质和通讯设备。ModBus 的核心是一个串行通信协议，采用主从模式，借助 RS-485，主从机之间的通信发生在指示功能码的帧中。 该功能码可识别要操作的功能，如读取独立输入；读取先进先出队列；或执行诊断函数。然后，从机根据收到的功能码进行响应，该响应较为简单，由一组字节指示。因此，从机可以是智能设备，也可以是只有一个传感器的简单设备。

MQTT

MQTT 是一个开放的轻量级机器对机器协议，专为物联网交互设计。 MQTT 网络包含一个 MQTT 经纪人 (broker)，负责协调 MQTT **之间的交互。 **是发布器，负责发布供用户使用的信息。MQTT支持传感器、设备和云之间安全交互。

使用 Modbus 作为本地接口来管理设备，使用 MQTT 作为全局协议来扩展设备的范围，MQTT 和 Modbus 互相补充，实现IOT的互联互通。

五、数据接入架构



上图为数据接入架构图。设备或传感器的信息通过ModBus等协议将数据传输到网关，又通过MQTT等协议将数据传输到云平台，在云平台上进行数据解析与存储，再通过云计算成为管理和决策的重要依据。

结语

工业互联网平台，数据连接是第一步，是基础。基于海量工业数据的全面感知，通过端到端的数据深度集成构成网络的边缘层，再通过建模分析，实现智能化的决策与控制指令，形成智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等新型制造模式。
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