物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（IoT Platform）是近兩年剛出現(xiàn)的一種物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施解決方案。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)為用戶提供服務(wù)的基礎(chǔ)，承擔(dān)連網(wǎng)的“物”的管理、數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)用服務(wù)的使能等功能，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的出現(xiàn)將推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等新一代IT技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)深度融合集成而形成的一種新的應(yīng)用生態(tài)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“采集、傳輸、計(jì)算”三要素中，采集端通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器、物品、人、控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集與相關(guān)聯(lián)結(jié)。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已經(jīng)成為當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
ITU在2012年出版的《物聯(lián)網(wǎng)概述》中，明確物聯(lián)網(wǎng)定義為全球信息社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施；以物質(zhì)互連（物理和虛擬）的方式，在現(xiàn)有和新興互操作信息通信技術(shù)（ICT）的基礎(chǔ)上提供先進(jìn)的業(yè)務(wù)；通過識(shí)別、數(shù)據(jù)捕獲、處理和通信能力，充分利用“物”為各種應(yīng)用提供服務(wù)，同時(shí)確保安全和隱私方面的要求。即物聯(lián)網(wǎng)重在提供服務(wù)，而不是簡(jiǎn)單的將物接入網(wǎng)絡(luò)。由此可見，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將使得智能化深入到生產(chǎn)生活之中，給人們提供更多場(chǎng)景化的有益的服務(wù)。
為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)功能，ITU定義了物聯(lián)網(wǎng)的參考模型(如圖1)。
圖1.物聯(lián)網(wǎng)參考模型
目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展影響比較關(guān)鍵的是服務(wù)和應(yīng)用支持層、設(shè)備層兩部分。設(shè)備層主要關(guān)注“物”側(cè)的聯(lián)網(wǎng)，以及邊緣計(jì)算能力，同時(shí)要注意低能耗和傳輸距離。服務(wù)和應(yīng)用支持層為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，通過對(duì)設(shè)備層設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)采集和分析及邊緣計(jì)算能力（即設(shè)備應(yīng)用程序）的定制等，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供基礎(chǔ)平臺(tái)支撐，與管理能力和安全能力結(jié)合后，即成為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的PaaS平臺(tái)。
我國作為潛力巨大的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，政府和民間一直在努力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，在核心技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、產(chǎn)業(yè)推動(dòng)等方面，已經(jīng)大大縮短了與國外的差距，特別是在國家出臺(tái)“中國制造2025”戰(zhàn)略后，智能制造的關(guān)鍵支撐技術(shù)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”受到越來越多的關(guān)注，由此也推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用普及。目前由于物聯(lián)網(wǎng)涉及的場(chǎng)景和行業(yè)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的人際互聯(lián)網(wǎng)，其標(biāo)準(zhǔn)眾多而繁雜，且由于大多數(shù)行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)還處在萌牙期，相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)處理都相關(guān)封閉，多為豎井式解決方案，企業(yè)要針對(duì)不同的傳感器，不同的應(yīng)用場(chǎng)景部署相互割裂的解決方案，這些都嚴(yán)重影響了企業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)積極性。采用統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有望徹底解決企業(yè)的這些問題。
一、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)包括如圖2所示功能，主要由物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中間件組成。在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層統(tǒng)一給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了接口，可以方便用戶編寫自己的特色應(yīng)用，并部署到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，從而達(dá)到簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)、快速提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的目的，實(shí)現(xiàn)“應(yīng)用驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)”的物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)。
圖2.物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)
這里的網(wǎng)關(guān)層是兼容目前多種傳感層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的關(guān)鍵層次，能夠屏蔽傳感層差異，并實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算能力。隨著傳感器發(fā)展，部分傳感器也可能跳過網(wǎng)關(guān)層直接與平臺(tái)對(duì)接，相關(guān)的功能將分別移到平臺(tái)層或傳感層實(shí)現(xiàn)。
1. 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和服務(wù)支撐的基礎(chǔ)平臺(tái)，承擔(dān)起眾多“物”側(cè)的管理和數(shù)據(jù)采集，以及邊緣計(jì)算的定制等功能，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供完善的PaaS平臺(tái)支持。進(jìn)入萬物互聯(lián)時(shí)代，連接數(shù)目將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的人際互聯(lián)時(shí)代，巨大的連接數(shù)量對(duì)傳統(tǒng)的平臺(tái)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和傳感器是“物”接入互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，“物”的各種屬性都由它們收集，然后傳遞到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)要對(duì)所有的“物”的屬性進(jìn)行保存，比如位置、能力、電池余量等，對(duì)于需要控制的物，還需要有相應(yīng)的控制能力。因?yàn)?ldquo;物”的特點(diǎn)，有可能并不是實(shí)時(shí)在線，因此平臺(tái)要能夠在“物”不在線時(shí)仍然可以查詢，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，等“物”上線后再自動(dòng)配置。如此巨大的“物”的管理，特別是安全的管理，需要平臺(tái)具備高可擴(kuò)展性、高冗余度和健壯性。
大量的“物”接入平臺(tái)后，隨著時(shí)間變化，其傳感的大量數(shù)據(jù)將不斷的涌向平臺(tái)，將很快達(dá)到TB甚至PB級(jí)數(shù)量。平臺(tái)首先要處理大量的網(wǎng)絡(luò)連接，其次要從大量的網(wǎng)絡(luò)連接中提取大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步分析。平臺(tái)需要具有千萬甚至上億級(jí)的連接處理能力，能夠方便的橫向擴(kuò)展，以支持更多的“物”的連接，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)的初步處理和篩選。
數(shù)據(jù)在經(jīng)過初步處理后，將存儲(chǔ)到大數(shù)據(jù)平臺(tái)中，進(jìn)行后續(xù)的分析，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。平臺(tái)需要具備平臺(tái)級(jí)別的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境支持，為應(yīng)用提供API，可以方便的調(diào)用平臺(tái)的各種接口，生成各種場(chǎng)景化的應(yīng)用，比如查看整個(gè)工廠的機(jī)器使用狀態(tài)，用電量，對(duì)機(jī)器的維護(hù)需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)生產(chǎn)的物料進(jìn)行提前安排等。
對(duì)于實(shí)時(shí)要求比較高，或者數(shù)據(jù)產(chǎn)生量比較大的傳感網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)關(guān)上還需要有邊緣計(jì)算能力，以便在邊緣直接對(duì)傳感器的請(qǐng)求進(jìn)行處理，并過濾部分噪音數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行某些指定的預(yù)處理。平臺(tái)需要具備這些邊緣計(jì)算能力的定制和下發(fā)，即作為網(wǎng)關(guān)應(yīng)用的管理平臺(tái)。作為場(chǎng)景化應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，這個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用的管理要能夠和平臺(tái)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境集成，使得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能夠統(tǒng)一在平臺(tái)和網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行處理。
比如一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用——溫度變化通知功能，由應(yīng)用開發(fā)者開發(fā)網(wǎng)關(guān)上的應(yīng)用程序，在溫度變化時(shí)向某一群組發(fā)送消息，將網(wǎng)關(guān)應(yīng)用由平臺(tái)下發(fā)到網(wǎng)關(guān)；在平臺(tái)上定義群組，其成員可以是其它網(wǎng)關(guān)、某個(gè)物聯(lián)網(wǎng)APP、或者手機(jī)短消息等，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)統(tǒng)一下發(fā)到各物聯(lián)網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)在感知到溫度變化時(shí)，直接通過應(yīng)用發(fā)送消息到群組內(nèi)成員，比如相鄰網(wǎng)關(guān)，某用戶手機(jī)等。
2. 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)中間件及融合物聯(lián)網(wǎng)關(guān)
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是傳感器與互聯(lián)網(wǎng)連接的重要設(shè)備。傳感器的使用場(chǎng)景千差萬別，對(duì)傳感網(wǎng)的技術(shù)要求各異，因此需要有區(qū)別的采用不同的技術(shù)。網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)可能會(huì)有多種形態(tài)，傳感網(wǎng)協(xié)議也可能多種多樣。通過物聯(lián)網(wǎng)關(guān)中間件融合的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將提供多種多樣的網(wǎng)關(guān)形態(tài)。
目前傳感網(wǎng)根據(jù)場(chǎng)景大致分為有線傳感接入、無線傳感接入。
有線主要是各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，包括RS485、CAN、Ethernet/IP、ControlNet、LonWorks、EIB、Interbus、Profibus、FF HSE、Profinet、P-net、CC_Link、DeviceNet等，其物理接口和協(xié)議棧都不一致，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中都需要不同的網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接，導(dǎo)致工廠網(wǎng)絡(luò)割裂，維護(hù)復(fù)雜。
無線網(wǎng)絡(luò)按距離來分，包括短距離的個(gè)域網(wǎng)協(xié)議和長距離的LPWA協(xié)議。個(gè)域網(wǎng)協(xié)議如Zigbee，Bluetooth，Wi-Fi等，其特點(diǎn)是傳輸距離短，帶寬高，功耗高。LPWA協(xié)議如LoRaWAN, LTE-M, NB-IoT，以及正在研究的5G技術(shù)等，這些協(xié)議的特點(diǎn)是傳輸距離長，帶寬低，功耗低，支持終端數(shù)量多。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)要考慮兼容上述物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，同時(shí)能夠低成本實(shí)現(xiàn)包括工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、戶外等極端環(huán)境的設(shè)備防護(hù)性等問題，以及功耗問題。為不同場(chǎng)景提供個(gè)性化的綜合物聯(lián)網(wǎng)解決方案。
二、平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景
應(yīng)用一：智能制造
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在工業(yè)制造領(lǐng)域，可以將生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)安全連接，機(jī)器設(shè)備與產(chǎn)品數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，與用戶數(shù)據(jù)互通，促進(jìn)數(shù)據(jù)化支撐下的企業(yè)生產(chǎn)全流程可視、用戶信息可視，實(shí)現(xiàn)IT與OT的融合，提供智能制造能力。
機(jī)器的能耗管理：時(shí)刻記錄機(jī)器的能耗狀態(tài)，對(duì)其能耗歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和分析，形成機(jī)器開工率的直觀展示，為企業(yè)決策提供服務(wù)支持。
預(yù)測(cè)性運(yùn)維服務(wù)：根據(jù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)視機(jī)器、零件的使用次數(shù)，根據(jù)歷史壽命來預(yù)測(cè)性的提供運(yùn)維建議。
另外，還可以利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)跟蹤庫存，與供應(yīng)鏈集成零庫存管理；基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和高級(jí)分析的生產(chǎn)過程優(yōu)化；柔性生產(chǎn)、軟件定義機(jī)器低成本實(shí)現(xiàn)個(gè)性化需求等。
應(yīng)用二：智能電網(wǎng)
智能電網(wǎng)可以達(dá)成供應(yīng)者與使用者之間無障礙的溝通，進(jìn)而提升能源使用效率、減少消耗與浪費(fèi)。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)(AMR/AMI) (Automatic Meter Reading/Automated Metering Infrastructure)是其中最重要的基礎(chǔ)建設(shè)(Infrastructure)，其原理是利用各種通信方式將使用者的用電信息傳遞到遠(yuǎn)方的管理端，省卻人力抄表的不便以及實(shí)時(shí)性的問題?；诓煌牡乩憝h(huán)境以及不同使用程度的使用者，遠(yuǎn)程抄表必須因地制宜。通信方式大體包括有線、無線等方式。
有線通信網(wǎng)絡(luò)的通信方式包括RS232/422/485等串行通信方式，其上運(yùn)行Modbus等協(xié)議用于電表數(shù)據(jù)的讀取。不同的智能電表，其寄存器的地址和內(nèi)容都或多或少存在差別，傳統(tǒng)的電表數(shù)據(jù)采集，需要專門的采集設(shè)備進(jìn)行電表數(shù)據(jù)讀取，不同電表廠商都有自己的配套采集設(shè)備。通過在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中間件中加載電表讀取模塊，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)支持多種電表種類，軟件上即可方便擴(kuò)展，從而避免了采集器的采購和維護(hù)成本。
在無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面又可分為Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n)、蜂窩通信（GSM、GPRS、3G）、LoRaWAN等多種，其中以蜂窩技術(shù)最為常見。多種技術(shù)的通信協(xié)議不同，通過網(wǎng)關(guān)中間件的動(dòng)態(tài)協(xié)議擴(kuò)展機(jī)制，可以方便的擴(kuò)展新的協(xié)議支持，而不需要更新網(wǎng)關(guān)本身的操作系統(tǒng)。
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在收集到電網(wǎng)數(shù)據(jù)后，支持?jǐn)?shù)據(jù)的分布式冗余存儲(chǔ)，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)快速進(jìn)行用電數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)而進(jìn)行配電、售電的相關(guān)決策，動(dòng)態(tài)調(diào)整相關(guān)的策略，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，為能源互聯(lián)網(wǎng)提供基礎(chǔ)。
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)為用戶提供服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與融合物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信設(shè)備、云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施、大數(shù)據(jù)平臺(tái)等一起形成完整“采、傳、算”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)IT與OT的融合，從而推動(dòng)企業(yè)向工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提升我國制造業(yè)的智能化水平，提升我國在國際制造領(lǐng)域的地位。
