工业级物联网项目的架构设计及实施(1)

早在1999年就已经有了“物联网”这个概念，但是直到十年之后的2009年，IBM提出“智慧地球”的概念，才推动很多国家把物联网研究和发展提升到战略层面。但是比较遗憾的是，直到现在的2015年，我国的物联网的发展依然主要靠政府项目来拉动，所以现在的发展似乎前景越来越不明朗。

政府似乎意识到这是个问题，在一些互联网公司的倡导和推动下，提出了“互联网+”的概念。虽然“互联网+”和“物联网”都是以网为主，但是发展的侧重有了本质区别。“互联网+”是以互联网为主，外围智能模块和传感器为辅，构建互联生态。而“物联网”却是以互联网为基础，重点在传感器数据采集，设备控制，远程监控为主。

但是现在很多互联网公司，做的是“互联网+“的事，却以”物联网“的名义来宣传。所以现在的人越来越搞不清”物联网“的真实定位了。

我一直认为从技术角度来看，所谓“物联网“就是传统工控网的一个外延。传统的工业现场，考虑到生产安全，都是内部网络。另外实施和维护的代价相对较高。而在互联网和移动互联网越来越完善的今天，在各个领域都有了远程测控的要求。比如目前比较典型的农业大棚监控、森林防火监控、鱼塘监测和养殖管理等等。

“互联网+”和“物联网”由于发展的侧重点不同，在做架构设计上肯定有所不同。“互联网+“的项目，其实更看重的是用户数，通信数据流量，这是衡量一个”互联网+“项目成功的标志，当然这是也是那些做云平台为主的互联网公司最看重的，用户数和通信数据流量正是他们的利益点所在。

而以中小项目为主的“物联网”项目，其实更看重的，一是系统稳定可靠，能保证系统长期稳定的运行，因为有些监控点往往部署在人迹罕至的地方，系统的可靠性成为关键。二就是系统便于开发和维护，因为基于不同行业，不同工艺需求的，很难开发出像民用领域的通用产品，需要根据现场实际调整相关的业务逻辑和监控画面，所以是否易于开发很关键。当然维护更为重要，因为偏工业级的“物联网”项目一般设计至少是三年或更长的生命周期，所以项目维护难以避免，甚至系统还会根据现场工艺的变更进行变化，易于维护是“物联网“项目一个不可或缺的要素。

由以上的说明，我们可以很清晰地了解，从技术角度来讲，做“互联网+”和“物联网”项目的架构设计是有很大的不同，本篇文章主要介绍工业级“物联网”项目的架构设计及实施。

工业级物联网的概念和特色

由于笔者曾经在传统工控领域工作7年之久，所以理解“物联网”更多是从工控的角度来考虑。所谓的工业级物联网，不是工业领域的物联网，而是具备工业领域的特色的物联网项目，比如农、林、牧和渔业等领域的相关项目。和工业领域的项目不同，没有那么庞大和要求严格，采集和监控的数据也相对较少，对设备、及实施和维护的成本比较敏感，并且一般要求远程监控。但是相同的要求是，设备要稳定可靠，便于根据工艺要求调整控制策略，方便升级、扩展，易于维护。

传统工控项目，一般相对庞大，环节多，开发和实施周期都比较久，当然项目的费用也是相对高昂的。往往一个实施工控项目的公司，一年能做十几个这样的项目就已经很繁忙了。而在物联网时代，由于互联网和移动互联网基础设施比较完善，云服务公司也是层出不穷，可以花最少的代价，相对快速的完成一些项目。

由于开发和实施的代价大大降低，所以可做的领域被大大拓宽了，形成了一个良性循环，做的越多，越可靠，也越便宜。越便宜，可做的项目也越来越多。

工业级物联网项目架构设计思想

了解了工业级的物联网项目的一些特色，所以架构设计方面就有了方向和思路。我们先从技术角度分析，当前一个典型的物联网项目，从组成上来讲，至少有三部分：一是设备端，二是云端(主要指公有云)，三是监控端。

【设备端架构设计】

设备端主要负责数据采集，工艺逻辑执行及控制。

无论底层的设备数量有多少，通信协议有多复杂，考虑到项目安全等等因素，往往和云端通信，汇集在一个设备上，这样的设备的角色往往是物联网网关，除了专门负责和云端进行通信外，有时候也会对原始数据进行一定的处理，执行一些业务逻辑相关的代码。 和云端通信有很多协议可选，常见的有基于HTTP协议的Get或Put方法，从服务器获取一些设置及状态，及向服务器推送采集到的数据。但是对数据量相对比较大，实时性要求高的，往往是直接的Socket TCP/UDP通信，这样传输的代价相对较低，但是对编程设计方面要求比较高。

由以上分析，从功能层面上分，设备端架构一般可分三层，一是数据采集&控制输出层;二是工艺流程执行层;三是数据上传&命令接收通信层。

【云端架构设计】

云端一般包含三部分：Web前台+ Web后台+中间件;

作为工业级的物联网项目，Web前台一般会显示这几部分内容，一是工艺画面，和现场实际的设备和工艺流程一一对应，画面可以实时反映工业现场运行的情况。二是各种数据报表、曲线数据的保存、查询和打印等。三是运行日志，保存各种运行情况，以备查询。四是显示系统诊断信息，便于系统出现问题的时候，及时判断问题所在。

Web后台相对复杂一些，一般完成三部分内容的工作，如果是设备端基于HTTP协议通信，往往需要处理Get和Put请求。由于前台有实时画面，所以Web后台有时候也需要向前台界面传输实时数据，目前有些实时数据是通过Web Socket协议进行传输，也可以由专门的程序来处理。还有一部分功能比较重要，就是要建立设备数据和各种报表，曲线，日志的对应关系，以便于适用尽可能多的现场。

在工业级物联网项目中，一般中间件必不可少，其主要功能就是负责和现场设备进行通信，获取数据或发送相关控制指令。此外还有一个比较重要的功能，由于中间件程序一般是作为系统的一个服务程序或普通应用程序，生命周期较长，可以长时间连续运行，可以处理一些相对复杂的业务逻辑、数据换算及数据转储。

【监控端架构设计】

监控端一般包含PC、手机或平板监控。

对一般项目而言，也许通过Web前台就可以掌控一切了，但是在移动互联网的时代，如果对应的手机或平板上没有对应的APP，那这个项目就感觉有了一个很大的缺憾。有了手机或平板APP，就可以身在任何地方，都可以相对方便的监控现场。

从功能上划分，架构可以相对简单的分为两层，一就是UI界面显示及操作层，二就是数据通信层，实现和服务器信息交互。

【小结】

如果抛开其他一切因素，仅从技术角度来讲，实现以上三个大环节的功能，用什么系统平台，任何开发语言都可以完成其预定的功能。但是所谓的架构设计，不仅仅从功能角度来设计整个的系统平台，更多还要考虑其可靠性，扩展性，维护性等几个方面。

作为工业级的物联网项目，大都是面向工、农、牧、渔等具体行业，每种行业虽然从技术角度而言有很多类似的部分，但是从工艺流程角度又有很大的区别，所以针对具体的项目，进行代码调整及相关功能的扩展及二次开发必不可少。但是面向一线的工程师往往技术水平及能力相对比较低，能否快速编写出可靠、健壮的代码显的非常重要，毕竟每个项目现场实施时间是有限的，但是同时项目要求也是比较高的。

另外一个物联网项目，包含了嵌入式设备的开发、Web前后台的开发、服务程序开发还有手机和平板程序开发，每一项从技术平台上来说各种各样，比如嵌入式设备，有微软体系的Windows CE/XPE/.NET Micro Framework,有linux体系的嵌入式linux/uclinux等等，还有uCOSII/FreeRTOS/mbed OS等等实时嵌入式操作系统，其开发工具，系统架构各不相同，各有特色。手机和平板目前至少也有三种开发类型，一种是iOS开发，一种是安卓开发和windows 10 UWP通用程序开发等等。另外Web开发就更多了，这里就不一一举例了。

所以如果在整体架构设计中，每种部分都选用不同的技术路线，那么每一种技术路线，意味着都要有一个团队去开发，并且开发完毕后，还需要上下进行沟通，以便于把整个项目有机地联系在一起。

开发完毕后，更多的还有维护工作，不仅是开发团队的维护，更为重要的是现场维护，除了问题，如何及时定位，及时解决。针对如上问题，加上多年的现场实施和维护经验，所以我更看重统一化和组态化的架构设计，下面我就讲讲我们是如何构建物联网项目的。