一种物联网终端与平台泛协议接入方法研究与实现

陈建灵

（福信富通科技股份有限公司，福建 福州 350001）

随着城市化的逐步深入，数字城市逐渐成为一个城市经济转型、产业升级、城市提升的新引擎，融入城市整体发展战略中。物联网是指通过各种信息传感设备，实时对任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络[1]。其目的是实现物与物、物与人，以及所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制[2]。通过物联网传感技术，解决城市级海量信息的采集、分析、存储、利用等问题，立体感知城市的环境、运行状态、位置等信息的全方位变化，实现对城市管理各方面的监测和全面深入、透彻的感知[3]。

由于物联网应用的广泛性，需要接入许多不同品牌、不同型号、不同协议的设备。其中有部分设备由于其特殊性，没有采用通用的标准协议进行开发，而又作为使用场景中必须监测的单元。例如在电梯行业应用中，由于设备供应商繁多，并且多家供应商所采用的协议为企业内部协议，一方面同多家厂家的技术交流极大延长了物联网平台的开发周期，另一方面有部分使用非标准协议供应商已经出现技术断层乃至企业倒闭的情况，使接口协议的开发更加艰难。因此如何能有一套高效可行的接入方案实现物联网感知设备的快速接入，成为需要攻克的关键性问题。

本文描述的物联网平台主要包括物联网设备接入系统、数据处理系统、设备管理系统、平台对外数据服务系统、开发者平台等，具体包括如下。

1.1 设备接入系统

设备接入是物联网建设的基础，也是其中最重要的环节。物联网平台建设要实现各种类型的传感器设备的统一接入，能够支持各种协议接口。设备接入系统主要包括设备物理模型搭建、通信接口开发、多协议适配转换、设备入网注册、安全接入管理、负载均衡、设备入网验证、数据实时传输、规则引擎、设备预警值管理、接入申请管理、模板库管理、审批管理、设备信息发布管理、统计分析等模块。

1.2 数据处理系统

数据处理系统实现数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。数据处理的基本目的是从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中抽取并推导出有价值、有意义的数据。设备接入系统主要包括数据清洗、数据分析等模块。

1.3 数据存储系统

物联网平台数据会随着传感器数量不断增多，数据采样频率不断提升，数据积累时间也越来越久，因此产生的数据量非常大（动辄十亿条、百亿条、千亿条存储规模），而且数据产生速度也非常快（动辄每秒十万条、百万条纪录），需要有很大容量、高并发的数据库去存储这些数据量，以便满足数据能够实时查询、实时分析的需求[4]。

1.4 设备管理系统

物联网在实现设备接入的同时，要能够对接入设备实现统一管理，即从设备接入平台时起，直至设备坏损停止运行的“物联网全生命周期的管理”。以设备的唯一编码为认证标的，为每个设备提供一个唯一的“运行履历”。设备管理系统主要包含设备库、设备寻址、设备类别管理、设备运行状态管理、设备保养管理、设备检修管理、设备巡检管理、设备预警值设置管理、设备统计分析等模块。

1.5 设备服务系统

物联网作为通用的设备接入、管理平台能够为上层“智慧城市”各专项应用提供数据支持。物联网以上层应用为导向提供不同类型的数据接口给上层应用，同时，能够快速准确地为各个行业、应用、项目提供所需的设备各类型数据，并且按上层应用需求提供个数据的推送方式。

1.6 对外服务数据接口

物联网通用接入平台的接口应当满足，对下能够采集同步底层传感器设备运行状态信息和报警信息，以及能够同步第三方系统的数据信息。采用CXF对外数据数据接口架构，提供多种类型API和Webservice数据接口，满足上层各项应用通用平台提供的标准数据接口文档进行数据的提取与使用要求。另外，平台还支持订阅的形式，多样化的数据提供形式满足各项业务需求。平台对外数据接口服务主要包含数据申请管理、数据发放管理、数据启停用管理、对外服务案例展示等。

1.7 应用对接

包括公共交通系统（公交车、出租车、停车场）接入、管理与对外服务；
城市智能化管理系统（包括环保领域、能源领域、社区领域、水务领域、网格化管理领域、其他领域等）接入、管理与对外服务。

1.8 数据资源体系建设

物联网平台的中心数据库建设主要包括设备台帐及运行信息数据库和设备管理信息数据库；
完成基础数据内容建设，包括对基础数据进行异常数据清洗、数据比对、格式转换、数据关联等操作，以及对数据资源目录管理、数据质量控制、数据更新管理和数据值班管理，完成基础信息数据整理、加工、处理、入库等工作，实现对数据资源的有效整合利用。

以下将主要针对设备接入系统中如何实现物联网设备的多协议快速接入提供一种基于泛协议接入的方法进行论述。

为了适配市面上不同行业不同终端的快速接入，本项目的物联网能力开放平台提供泛协议接入能力，通过物模型定义设备功能属性，并结合Pulsar消息队列，实现插件与泛协议接入网关的数据交互。具体流程如图1所示。

图1 泛协议接入流程图

2.1 流程环节服务说明（图中字母图标）

2.1.1 用户（自定义协议）终端

各类型各行业的终端，例如人员数据，定位数据，传感器数据，图像数据终端等。

2.1.2 互联网通信协议

提供终端与协议网关的连接及数据通信能力，支持多种通信协议（包括MQTT协议、TCP、UDP等网络通信协议）。

2.1.3 泛协议接入网关

平台将提供各种的泛协议接入网关，当所需接入的终端为自定以协议（私有协议）时，在平台进行新增产品过程中，需选择接入协议为对应的互联网交互协议，数据协议为私有协议，并上传附件。平台将会对有接入请求的产品定制泛协议网关（依据私有协议制定相对应的私有协议网关，会接入系统相关的数据，如终端注册、鉴权、心跳），泛协议负责将收到的终端的数据按协议分为完整的报文，之后将原始报文推送至pulsar消息队列中。其还负责将接收到的泛协议解析组件的物模型数据并将其发送给物联网功能开发平台中进行数据处理以及存储等操作。当从消息队列接收到功能开发平台的命令报文时，其会将对应数据报文推送至具体终端。

2.1.4 功能开放平台

提供统一的终端接入，统一的终端数据存储，向下承载终端，向上承载应用，提供位置数据分析能力，形成终端到业务的完整链路体系。

2.1.5 Pulsar消息队列

Apache Pulsar是Apache 软件基金会顶级项目，是下一代云原生分布式消息流平台，集消息、存储、轻量化函数式计算为一体，采用计算与存储分离架构设计，支持多租户、持久化存储、多机房跨区域数据复制，具有强一致性、高吞吐、低延时及高可扩展性等流数据存储特性，被看作是云原生时代实时消息流传输、存储和计算最佳解决方案。[5]

本方案主要运用此作为泛协议网关与泛协议解析插件间数据交互中间件。

2.1.6 泛协议解析插件

通过提供相应的插件SDK包为用户提供网关与解析插件、平台与解析插件的相互交互通道的能力。开发者只需具有终端报文与物模型数据相互转换能力便能实现数据上报至开放平台，命令下行到终端的能力。

开发者在使用SDK需进行必要的参数初始化，需要在配置文件中配置plug.id、plug.key，并在平台的终端产品管理中配置接入密钥。如图2所示。

图2 密钥管理

除了plug.id、plug.key配置，还需配置plug.serve.address:插件服务地址。如图3所示。

图3 SDK参数配置

2.2 数据上行流程说明（图中数字图标）

用户（自定义协议）终端通过互联网通信协议与泛协议接入网关进行数据通信，泛协议接入网关接收到终端报文后，将按照对应终端协议将其分割成数据完整报文，按照泛协议网关与泛协议解析插件交互协议将数据推送至Pulsar消息队列，泛协议解析插件收到原始报文数据后需将其解析为具体的物模型数据，按照泛协议网关与泛协议解析插件交互协议将数据推送至Pulsar消息队列，泛协议接入网关接收到来自泛协议解析插件的物模型数据后，会将物模型数据推送至物联网能力开放平台，从而实现数据上行流程。

2.3 数据下行流程（图中汉字图标）

按图中双虚线所示顺序，物联网平台还提供了数据由平台至终端的下行命令接口，业务平台可以使用该API向终端下发命令类型的物模型数据，该数据将被推送至相应的泛协议接入网关，网关会将该物模型数据推送至Pulsar消息队列，泛协议解析插件接收到物模型数据后，需将物模型数据转为具体终端协议数据，进而将该终端协议数据重新推送回Pulsar消息队列，使其回到泛协议接入网关，最后依据终端的互联网通信协议推送至用户（自定义协议）终端，从而实现数据下行流程。

本文所讨论的方法是在物联网平台项目开发实施过程中总结出的一种基于泛协议接入的解决不同厂家私有协议快速对接平台的实现方法。该方法从终端及平台双向数据的对接及解析方面进行阐述，通过定义设备物模型及由平台提供标准的SDK包，实现设备接入的标准协议部分的处理，设备开发者可根据自身产品的实际需要定义自己所需要的物模型，再通过泛协议解析实体协议部分进行实现，从而节省平台/设备双方需要适配各自的协议带来的沟通及实现的时间成本，方便了设备开发者根据不同的场景及应用领域，可自行维护设备接入协议的能力扩充，从而减少了平台网关与设备间因协议问题产生的适配问题。在加快物联网平台与设备接入方面的应用中具有一定的应用价值。■