通用物联网综合信息管理平台的技术架构-2019年文档

通用物联网综合信息管理平台的技术架构

0 引言

作为第三次工业革命的代表[1]，近年来，物联网得到迅速的发展[2]，但是，也存在平台多种多样、标准不统一、缺乏创新等问题，严重制约着物联网的发展[3，4]。针对以上问题，本文提出了一种自主创新的通用物联网综合信息管理平台。该平台具有一定的技术先进性、健壮性和通用性，能适应广泛的传感节点和不同的行业应用，可实现对网络资源的统一管理，使物联网的应用更加普遍和灵活，提升我国在物联网领域的竞争力。同时，本文从感知层、网络层和应用层的角度，对通用物联网综合信息管理平台的技术架构进行了深入研究，以便对物联网发展中的行业整合提供一种思路和技术支撑。

1 平台概述

通用物联网综合信息管理平台（以下简称C5I iotWare）是在物联网三层架构[5]的基础上设计的软硬件相结合的物联网应用平台。该平台主要包括以下三个部分：以嵌入式网络管理系统（以下简称uNOS）为核心的汇接设备（感知层）、以可管理式思想为设计理念的多协议中间件（以下简称nMedias）（网络层）和开放的跨平台应用层软件iotWare（应用层）。整个平台体现了一个（开放式）架构、二个（中间件和平台技术）中心、三个（接口、通信和管理）标准和四个统一的设计理念（理论与实践、

学习与实施、体验与管理、仿真与设计）。该平台基于云的系统，可实现云的布设和应用，能适合多业务综合管理、工业应用和战场环境。图1所示是本物联网综合信息管理平台的技术架构。

1.1 硬件技术

C5I iotWare的硬件采用模块化的接口设计，可支持热插拔的CPU引擎和轻量级的嵌入式实时网络操作系统uNOS。它裁剪于军用和工业设计的专业路由器及防火墙核心软件，具有500 ms 启动系统和网络的能力，拥有128个虚拟网络端口支持和高性能Web服务器。

1.2 软件技术

整个C5I iotWare的软件分布在三个层面上，即末端运行的uNOS嵌入式实时网络操作系统、多协议并发性高吞吐能力的中间件nMedias和一个类似于OpenView的物联网应用操作平台。其中，uNOS主要完成对感知节点数据的采集和汇总，并提供数据仿真的功能；nMedias中间件软件实现数据的传递和信息交互；iotWare软件呈现感知设备或节点的实时状态信息和历史数据等。软件全部采用B/S架构设计，客户端通过浏览器访问云端数据，保证系统的高容错性和高可靠性[6]。软件具有计算机连接访问密码、用户密码、系统密码、数据库密码和页面密码的保护和设定，可保证系统的安全性，能使所有传感器、计算机、路由器、交换机、音频/视频、程序、物流、定位管理等在一个平台界面上实现。

1.3 软/硬件一体机

将以上两个云部件尽可能多地装入“口袋”是对当今强大

的物联网设计推广应用的一大创新和贡献，可实现基础理论与实验实践、专业学习与工程实施、项目体验与计划管理、设备仿真与产品设计的高度集中和统一。“口袋”里装入了128×32个网络数据通道采集设备和255个RS485连接接口以及系统软件iotWare子集。这是通用型物联网综合信息管理平台的浓缩版，可实现全方位工业环境、战场环境的体验及商业环境的C5I应用。

2 通用物联网网络数据采集汇接设备

Siteview6200是C5I iotWare网络数据采集汇接设备，硬件采用模块化的接口设计，包括抗电磁干扰的传感器接口和抗黑客攻击的网络数据采集接口，单一接口可实现模数混合、电压电流制式异同共享能力，支持热插拔的CPU引擎；设备运行嵌入式实时网络操作系统uNOS，可实现对感知节点数据的采集和汇总，并提供数据仿真的功能。该操作系统软件采用B/S结构设计，可通过Web服务器实现人机交互，方便对感知节点的配置、监视和管理，并且支持多用户访问，拥有多层密码认证机制，支持TCP/UDP等多版本网管协议和自定义数据格式私有协议[7]。图2所示是C5I iotWare网络数据采集汇接设备的原理组成。

Siteview6200拥有多种工作模式：既可作为数据采集终端，也可作为数据采集节点；既可作为实际物理数据采集设备，也可

作为真实全仿真器。当运行在仿真模式时，可实现最多128台全设备仿真，而且只需一台设备即可搭建一个微型的数据采集环境。它的接口设计和相关参数如下[8]：

一路10 M/100 M自适应以太接口；

一路485接口，采用主/从方式，可作为级联的节点和终点；

支持光电隔离的干节点输入；

支持标准的4～20 mA或0～5 V的模拟信号输入；

支持数据信号输入；

最多可支持32路数据通道接口；

用户可自定义数据通道的类型、阈值、测量范围等参数；

可提供开放的软件接口，方便与第三方软件无缝集成；

内嵌标准的网管协议，可方便地集成到第三方管理系统。

3 中间件

nMedias中间件介于感知设备和应用层之间，负责实现与前端感知设备的信息交互和管理，将采集到的海量原始感知信息参量数据归一化并完成与上层核心系统模块的复杂消息通信。通过网络互连、数据集成、流程衔接、用户互动等事件，实现开放式应用操作平台和网络接入设备的交互运行。它具有高效的并发通信机制和高吞吐能力的特点，能够支持多厂商、多设备、多样性参量和多协议以及私有协议等。图3所示是其中间件的功能。nMedias中间件具有以下几个特点：

（1）利于面向对象的方法建立信息模型，管理信息被定义

在被管理对象中；

（2）提供广泛的传感设备支持并可以通过可扩展的框架支持各种感知设备[9]；

（3）支持标准API接口，可与第三方设备连接，实现对第三方设备的管理；

（4）独特的引擎设计技术提供强大的事件处理能力，将海量的传感信息过滤、分组、关联和聚合成透明的业务数据，增强传感数据的通透性和统一管理能力；

（5）多线程机制，多线程设计，实时性强[10]；

（6）支持标准的网络协议、网管协议和通信协议；

（7）可远程过程调用应用于云平台架构；

（8）高效的数据处理能力和资源管理能力；

（9）确保应用高的可用性和吞吐量。

4 开发式物联网应用操作平台

iotWare物联网应用软件平台与硬件相结合，对感知的数据进行高效管理、存储和呈现，对设备和通道的状态信息进行实时监控和处理。系统采用模块与分布式设计[11]，能够与不同行业具体任务相结合，完成各行业数据采集与管理平台的搭建。该系统主要包括对设备进行拓扑管理、性能管理、实时监测、配置管理、故障管理、服务器管理、安全管理和3D拓展等八大管理系统[12]，具体如下：

拓扑管理：自动拓扑发现，设备实时状态呈现和拓扑管理；