一种智能物联云终端系统.pdf

一种智能物联云终端系统，它涉及物联网数据采集和智能控制领域，前端控制器通过各设备提供的驱动协议接入生产现场带有线/无线网络接口的传感器、变送器和执行器智能设备/RTU，并采用MODBUS/TCP通用协议，将采集到的现场数据传输到网关服务器；物联网关服务器则依据配置的业务功能对数据进行分析、处理，以标准方式生成业务数据并持久化，通过互联网、3G网络信息传输层以标准Web服务方式为智能物联网信息应用层提供数据服务；它构建一个统一规范的、扩展性较强的可以为水利、农业和工业等生产性服务业领域提供丰富数据服务的通用应用层网关，便于统一管理，有利于系统在各类智能物联网应用中的迁移与推广。

权利要求书1.  一种智能物联云终端系统，其特征在于它包含前端现场控制器和物联网关服务器，前端控制器通过各设备提供的驱动协议接入生产现场带有线/无线网络接口的传感器、变送器和执行器智能设备/RTU，并采用GB/T-19582.3推荐的MODBUS/TCP通用协议，将采集到的现场数据传输到网关服务器；物联网关服务器则依据配置的业务功能对数据进行分析、处理，以标准方式生成业务数据并持久化，通过互联网、3G网络信息传输层以标准Web服务方式为智能物联网信息应用层提供数据服务。2.  根据权利要求1所述的一种智能物联云终端系统，其特征在于所述的前端控制器采用基于LINUX的嵌入式系统；硬件平台采用嵌入式处理器，外设添加液晶屏显设备、操作键盘。3.  根据权利要求1所述的一种智能物联云终端系统，其特征在于所述的物联网关服务器主要由业务配置管理模块、业务服务提供模块、中心业务调度引擎以及底层的MODBUS/TCP通信协议栈组成。

说明书一种智能物联云终端系统
技术领域：
本发明涉及物联网数据采集和智能控制领域，具体涉及一种智能物联云终端系统。
背景技术：
现代水利信息化、农业信息化和工业信息化等生产性服务业领域广泛引入物联网技术，通过传感器实时采集生产性服务信息，通过有线、无线、卫星等通信方式传输到中央控制系统，使用户可以随时随地掌握生产现场的实时情况，并通过电脑或者手机远程控制生产设备，以最少的投入获得最高的收益，实现生产的信息化、自动化、智能化。
与物联网感知层、网络层、应用层的三层体系架构相对应，智能物联网分三个层次：信息感知层、信息传输层、信息应用层。其中信息感知层作为智能物联网的基础，负责现场数据采集；信息传输层负责数据的网络传输；信息应用层负责对感知和传输来的数据信息进行存储、分析和处理，并通过各种设备和终端与用户进行交互，方便用户监视和控制远程生产现场，实现生产的自动化和智能化。
传统的信息感知层设备把依赖于具体业务的数据采集项定制成程序固化在前端设备硬件内，当生产业务流程发生变化时，就需要花费大量时间重新烧制前端设备程序，同时改造上位机应用程序。而且，一个系统由于要采集多种类型、多种现场的数据，往往要用到多个厂家的设备，而这些设备(传感器、PLC、RTU等)没有一个标准的通 信协议，导致开发人员要耗费大量时间在系统中实现对这些品类繁多设备的驱动，不能集中精力开发用户最关心的应用层功能。显然，这些因素导致生产性服务系统开发不能适应现代生产的快速变化，也不利于系统推广。
为此，智能物联网的许多解决方案将物联网关作为重要设备，在信息感知层和信息应用层之间起承上启下的作用。信息感知层设备采集的生产现场信息，通过RFID、蓝牙(IEEE802.15.1)、无线局域网(IEEE802.11)、ZigBee/IEEE802.15.4、RS485、以太网等有线、无线传输技术，传输到物联网关，再由物联网关统一数据格式，传递到信息传输层，最终交给信息应用层。
然而，现有的物联网网关功能比较单一，往往仅限于基本的寻址和寄存器读写的信息感知层功能，不具备真正的信息应用层功能，对简化系统部署帮助不大，更谈不上智能化；即使在信息感知和采集方面，这些网关也往往没有一个通用规范的协议。把一个应用系统的物联网关部署到另一个系统时，仍然不容易，要么不够灵活，需修改大量的程序及设置；要么就需要学习其不够规范的API编程，还可能会面临协议设计缺陷导致的系统失败风险。如果能为生产性服务系统设计一种新型网关，遵循非常通用、标准化且简单的数据传输协议，以及跨平台数据和服务提供方式，农业物联网的规范化、智能化将大大增强。
查询已公布的专利文献，刘健等人在2008年提交的发明专利“多协议工业以太网适配器”(申请号200710171777.4)提供了一种多协议工业以太网适配器，作为一种独立的接口产品，适用于通讯节点、协议转换器和协议网关方面；付敬奇等人在2008年提交的发明专利 “工业无线网接入工业以太网和现场总线的多协议网关及协议转换方法”(申请号200810201578)，提供了一种符合工业实时要求和开放数据通信的有线/无线异构控制网络网关。这些已公布的专利文献，基本上都定位于现场信息采集层面，尚未发现有具备应用层功能和规范化接口的智能通用物联网网关的实现。
发明内容：
本发明的目的是提供一种智能物联云终端系统，它构建一个统一规范的、扩展性较强的可以为水利、农业和工业等生产性服务业领域提供丰富数据服务的通用应用层网关，便于统一管理，有利于系统在各类智能物联网应用中的迁移与推广。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用如下技术方案：它包含前端现场控制器和物联网关服务器，前端控制器通过各设备提供的驱动协议接入生产现场带有线或无线网络接口的传感器、变送器和执行器智能设备或RTU，并采用GB/T-19582.3推荐的MODBUS/TCP通用协议，将采集到的现场数据传输到网关服务器，实现智能物联网的信息采集层功能；物联网关服务器则依据配置的业务功能，对数据进行分析、处理，以标准方式生成业务数据并持久化，通过互联网、3G网络等信息传输层以标准Web服务方式为智能物联网信息应用层提供数据服务。
所述的前端控制器采用基于LINUX的嵌入式系统；硬件平台采用嵌入式处理器，外设添加液晶屏显设备、操作键盘，方便人机交互。重要文件如系统配置等，可以文件形式保存在FLASH存储器中。接口包括以太网口和RS232/485接口，与外围信息采集设备PLC或RTU通信。
所述的物联网关服务器主要由业务配置管理模块、业务服务提供模块、中心业务调度引擎以及底层的MODBUS/TCP通信协议栈组成。
本发明具有如下有益效果：构建一个统一规范的、扩展性较强的可以为水利、农业和工业等生产性服务业领域提供丰富数据服务的通用应用层网关，便于统一管理，有利于系统在各类智能物联网应用中的迁移与推广。
附图说明：
图1为本发明为系统结构示意图；
图2为本发明中前端控制器硬件平台框图；
图3为本发明中系统整体结构示意图；
图4为本发明中接口协议栈的结构示意图；
图5为本发明中MODBUS/TCP的帧结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参看图1-图2，本具体实施方式采用如下技术方案：它包含前端现场控制器和物联网关服务器，前端控制器通过各设备提供的驱动协议接入生产现场带有线或无线网络接口的传感器、变送器和执行器智能设备或RTU，并采用GB/T-19582.3推荐的MODBUS/TCP通用协议，将采集到的现场数据传输到网关服务器，实现智能物联网的信息采集层功能；物联网关服务器则依据配置的业务功能，对数据进行分析、处理，以标准方式生成业务数据并持久化，通过互联网、3G网络等 信息传输层以标准Web服务方式为智能物联网信息应用层提供数据服务。
在物联网关服务器中对生产业务进行建模，并在运行时将业务规划生成控制指令流，驱动前端控制器采集生产现场数据。当业务发生变化时，只需改变服务器中业务模型工厂中的业务模型，不用改变前端控制器及现场信息采集设备程序。采用这样的设计方案可以加快系统开发进度，有利于系统在各类智能物联网应用中的迁移与推广。
前端控制器：前端控制器采用基于LINUX的嵌入式系统实现。硬件平台采用嵌入式处理器，外设添加液晶屏显设备、操作键盘，方便人机交互。重要文件如系统配置等，可以文件形式保存在FLASH存储器中。接口包括以太网口和RS232/485接口，与外围信息采集设备PLC或RTU通信。
前端控制器设计为可插拔方式，增加系统灵活性，缩短开发周期。除处理器、内存、闪存等固定模块外，其它外围设备采用可拔插的设计原理，当系统需求改变时，随时拔插外围模块即可。
由于前段控制器要实现复杂的信息应用层逻辑，尤其是要构造TCP/IP多种网络协议和基本网络通信协议，需要一套界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统，嵌入式Linux操作系统以价格低廉、功能强大、易于移植等特点是优选方案。为此，前端控制器以基于LINUX的嵌入式操作系统为核心，开发应用软件模块。软件模块可以通过以太网进行更新，通过键盘进行人机对话，数据可通过LCD显示。
如图3所示，物联网关服务器：主要由业务配置管理模块、业务服务提供模块、中心业务调度引擎以及底层的MODBUS/TCP通信协议 栈组成。
前端控制器：底层通信模块有MODBUS/TCP通信协议栈，以及用于控制前端采集单元PLC/RTU等的多种数据采集模块；核心模块是前端业务调度引擎；上层有用于输出的屏显模块和用于输入的人工干预模块。
网关服务器与前端服务器间接口：采用MODBUS/TCP标准协议。同时，对MODBUS功能码进行扩展，以实现更多的应用层功能。MODBUS协议作为一个真正开发的协议，具备协议简单、容易实施和高性价比等优点，现已被许多工业控制厂商广泛支持，成为事实的工业标准。2008年，《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》正式成为国家标准，编号为GB/T 19582-2008。这个国标的第三部分MODBUS/TCP为本系统提供了最优的信息采集层接口方案。
网关服务器设计：
网关服务器的最终目标，就是要以WEB服务、流媒体服务、数据库服务等方式，为智能物联网信息应用层提供数据服务。
物联网业务大致分为4类，身份相关业务、信息汇聚型业务、协同感知类业务及泛在服务业务。如身份相关业务主要是利用射频标志(RFID)、二维码、条码等可以标志身份的技术，并基于身份所提供的各类服务；信息汇聚型业务主要是由物联网终端采集、处理、经通信网络上报数据，由物联网平台处理，提交给具体的应用和服务，由物联网平台统一对物联网终端、数据、应用和服务，以及第三方进行统一管理；在智能农业领域，这些业务都可能会被应用。
系统需求建模：按设计目标及前述DDD设计思想，本系统建立业务管理与配置模型、业务服务数据模型、业务驱动数据模型等。通过 这三类模型对具体业务分别进行建模。通过业务管理与配置模型描述一个具体的业务，通过人机界面实现对业务本身的管理与配置；通过业务服务数据模型，描述向用户何时提供何种数据服务等；通过业务驱动数据模型，描述向前端控制器下发何种格式数据，以便于前端控制器驱动现场采集设备何时采集现场信息，并上报给物联网关服务器。
模块运行逻辑：中心业务调度引擎是物联网关服务器的核心，在系统中起到发动机的作用。系统对智能物联网业务进行建模，并对授权用户提供业务配置管理接口；中心业务调度引擎依据现有业务模型，生成业务事件流以及业务服务提供模型，通过基于GB/T-19582.3的MODBUS/TCP通信模块发送到相应的前端控制器；相反方向上，收到来自前端控制器的采集数据包时，中心业务调度引擎解析数据，最后业务管理和配置模型给出的映射，将前端采集数据模型数据，通过一定的算法，映射到业务服务数据模型上，存储到数据库进行持久化，并向订阅了该类应用的用户进行发布。
前端控制器设计：
前端控制器通过MODBUS/TCP协议与网关服务器通信。MODBUS/TCP通信协议栈接收到物联网关服务器发来的数据包，校验正确后交给前端业务调度引擎。调度引擎根据接口协议解析出业务模型，并生成事件流及指令计划脚本。在接下来的业务执行中，按照脚本驱动数据采集模块读取生产现场数据，必要时通过屏显呈现，并接受用户人工干预。数据采集完成后交给业务调度引擎，引擎依据业务模型，对数据进行预分析并生成相应格式数据，通过MODBUS/TCP通信协议栈发往物联网关服务器。
如图4所示，接口协议设计完全按照GB/T 19582-2008第三部分设计，其结构如下：MODBUS协议按照主从方式通信。本系统中，在前端控制器实现一个MODBUS服务器(主站)，在网关服务器端实现一个MODBUS客户机(从站)。服务器端向前端控制器发送请求，前端控制器执行操作后发回响应；为了扩展系统功能，增加前端控制器的主动上报功能。
如图5所示，MODBUS用1个字节来表示功能码。其中，除了标准功能码外，有两个用户定义功能码的定义范围，即十进制65至72和100至110。这为本系统实现提供了扩展方法。在网关服务器与前端控制器的交互中，可以通过扩展功能码实现较为复杂的配置与控制功能。
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。