物联集成软件平台数据总线技术 研究项目研究报告

引言

通过基于物联网的物联数据总线技术,实现对设备层的综合运行监控、报警/故障管理、设备维修/保养管理、能源统计分析、人员值班/巡更管理、综合展现。以数据总线、公共云基础服务为核心,利用计算机技术、网络技术、通信技术、自动控制技术等多种技术将智能建筑内的消防、水、电、空调、安防、机房、电梯等主要机电设备的状态、警报、数据等参数纳入到统一管理平台上,实现网络安全共享,对建筑(特别是建筑群)内所有智能化、安防及能耗设备进行全面有效的监控和管理,丰富建筑的综合使用功能和提高物业管理的效率,确保建筑群内所有相关设备处于高效、节能、最佳运行状态,从而为建筑内工作人员提供一个安全、舒适、便捷、高效的工作环境。

1 研究内容

目前物联数据总线技术集成领域存在多种数据通讯协议并存的局面、各个厂商为了实现技术的保护和垄断,均采用了对应的保密措施,虽然也有公共组织机构(例如OPC组织)积极进行数据及通讯协议的标准化推广,短期内还是不能统一。

公共智能建筑领域,前端设备通常在局域网内部,针对单体建筑局域网内网的管理基本够用,对建筑群或跨区域的建筑必须采用internet网络管理,公共云基础服务提供了较完善和安全的基础服务,可以帮助用户解决以上问题。

数据集成总线致力于解决数据及通讯标准化集成的问题。解决数据接入复杂、数据格式不统一的问题。通过公共云基础服务,实现数据的安全共享和访问。主要研究以下几个方面内容:

(1)通过数据集成总线实现设备层统一接入、监控和管理

(2)通过公共云服务实现数据的网络安全共享

(3)通过对外接口实现与第三方系统的对接

(4)实现web、App等方式的设备层网络访问和操作

1.1 目标

1.1.1 研究领域

首先从公共智能建筑领域实践、逐步扩展到民生、交通、工业领域应用。

1.1.2 研究目标

(1)实现设备数据的接入、集成和对外发布

(2)实现数据的标准化、网络化

(3)实现数据安全的网络访问

1.2 内容

1.2.1 对公共智能子系统设备的接入

楼控系统、防盗报警系统、视频监控系统、门禁系统、停车场系统、信息发布系统、能源计量系统、广播系统、消防系统、配电系统、照明系统、冷热源系统、周界防范系统、锅炉系统、发电机系统、机房环境监测系统等设备的统一集成管理。

1.2.2 对数据的网络化监控和管理

通过公共云基础服务,将数据网络化存储和发布,实现设备的远程监控和管理。

1.2.3 数据标准化处理

    定义最小数据元素,进行名称、属性、关联性配置,实现设备与数据、页面、展示模型的关联及应用。

1.2.4 数据总线服务

从数据的定义、数据监测、数据控制、数据转发、数据查询、数据推送、数据加工处理方面进行处理,形成数据服务总线。

1.2.5 数据界面交互

通过Html和silverlight插件,配合javascript、json、xml等搭建友好的数据交换界面,并提供基于BIM、3D GIS、App的软件应用。

2 关键技术

2.1 公共云基础服务

通过公共云基础服务,云通信、云视频、数据库服务等技术提供可靠保障。

物联云将互联网、数据、计算、存储等服务产品化,解决企业应用中的实际问题,实现了无法计算的使用价值。

云计算基础服务中的云数据库RDS(ApsaraDB for RDS,简称RDS)是一种稳定可靠、可弹性伸缩的在线数据库服务。基于飞天分布式系统和全SSD盘高性能存储,支持MySQL、SQL Server、PostgreSQL和PPAS(高度兼容Oracle)引擎,默认部署主备架构且提供了容灾、备份、恢复、监控、迁移等方面的全套解决方案。

云通信短信服务,三网合一专属通道,与工信部携号转网平台实时互联,支持快速发送短信验证码、短信通知等。

云通信移动推送,帮助App快速集成移动推送的功能,在实现高效、精确、实时的移动推送的同时,极大地降低了开发成本。

云视频转码服务,为多媒体数据提供的转码计算服务。它以经济、弹性和高可扩展的音视频转换方法,将多媒体数据转码成适合在PC、TV以及移动终端上播放的格式。

云视频直播点播服务,集音视频上传、自动化转码处理、媒体资源管理、分发加速于一体的一站式音视频点播解决方案。

2.2 设备层接入

通过TCP/IP网络、RS232、RS485物理实现设备层连接,通过BACnet IP、OPC Da(Ae)、Modbus Rtu(Tcp)、Lonworks等协议实现设备的监视和控制。

2.3 数据总线

    从原始数据的定义、数据采集、数据传输、数据存储、数据分析、数据加工各个环节均采用切实可行的实施方案,提供规则的、可控的、可追溯的数据总线服务。

2.4 开放的第三方接口

提供开放的互联网接口形式,如http api接口, 将数据提供给第三方系统,如BIM、

3D GIS、OA系统、门户网站等。

3 研究项目的技术构架、研究方法和过程

3.1 物联数据集成总线的技术构架

物联数据集成总线技术,是解决各种智能物联设备或系统系统、数据传输设备运行状态数据互联与共享、数据查询与信息处理的软件套件,为各种智慧园区集成系统或应用提供整合的基础平台和组件工具,是由一系列软件组件、系统服务、配置工具等组成的软件平台。

该总线技术采用了一体化的数据集成手段,以设备集成、数据集成、网络集成和云计算多种技术为基础,运用标准化、模块化以及系列化的开放性设计,将各各种物联感应设备或系统数据集成在统一软件总线上来,实现信息、资源、任务等数据共享。

根据数据的传输方向,物联集成数据总线共分四层,从下至上依次是:硬件通讯接口层、硬件通讯适配层、数据总线层、数据库层。具体如下图:

upfile

 3.1.1硬件通讯接口层

该层主要实现与园区感应设备的数据交互,主要类型设备包括:RFID、GPS、传感器、视频、巡更、门禁、报警等。该层通过无线网络、有线网络、3G、4G网络等通讯手段,访问实际管理的园区设备,读取其信息,并可以控制实际设备进行某些操作。

3.1.2硬件通讯适配层

适配器主要实现与不同类别的园区感应设备的交互。该适配器以统一的数据格式,将园区设备的实时状态数据接入数据总线,并将数据总线来的控制操作命令及时传送到需要控制的园区设备。拟实现的适配器有:RFID适配器、传感器适配器、电子标签适配器、GPS适配器等。

3.1.3数据总线层

是将所有数据以统一的格式传输在总线上,包括下发的操作数据。只要将设备通过适配器接入数据总线,上层系统就可以立即查看该园区设备或系统的数据,也可以进行控制。该总线还可以与其它园区智能数据平台交换数据,从而实现分布式数据集成。

3.1.4数据库层

该层是整个系统的核心,它提供对所有数据的存储,并提供对数据通用的查询方式。该层主要包括实时数据库,存储历史采样数据的历史库,还有园区设备管理有关的设备数据库,OA办公处理的数据库,和进行GIS查询与展示的数据库。

该层中所有实时数据格式统一,数据精度高,屏蔽了园区感应设备及系统之间的差异,同时数据库中的业务数据提供了相关业务的处理能力。

3.2 研究项目的技术实现方法

物联数据集成总线技术,是进行物联设备数据集成的基础软件,该技术实现可分如下几个部分:

3.2.1 GIS技术

物联设备接入该总线,在设备运行时,通过GPS芯片或RFID芯片获取当前的地理位置信息,将数据通过设备数据接口接入网络并发送至物联数据总线服务器,也可以通过3G、GPRS、Wifi等无线网络发送至智能物联数据总线服务器,GIS展示引擎根据智能数据总线服务器端收到的各种设备地理位置信息,将设备动态加载至电子地图。同时根据需要,将控制操作命令传输给设备。

3.2.2.Silverlight表现技术

微软Silverlight是一个跨浏览器、跨平台的技术,能够设计、开发和发布有多媒体体验与富交互(RIA,Rich Interface Application)的网络交互程序。利用该技术实现对总线数据的实时动态图形化展示。

3.2.3基于RFID、GPS、BACnet、二维码,以及无线传感网络等数据连接技术

物联集成总线通过硬件适配器封装不同的智能物联设备,如RFID、GPS、二维码、红外传感器等,同时也封装了与这些设备的通讯方式,如无线传感网络、有线网络、3G甚至4G通讯技术,从而屏蔽了各感知设备及传输网络之间的差别,保证了总线数据的通用性和归一化。

3.2.4实时数据库

实时数据库系统是一个实际可运行的,按照数据方式存储、维护和向应用程序提供数据或信息支持的系统,它是存储介质、处理对象和管理系统的集合体,由数据库、硬件、软件几部分组成。实时数据库能完成来自各感知设备和其它控制系统的实时数据的采集、存储实时数据和历史数据的检索、统计、分析、能为其他管理软件提供高效的数据接口,将连续存储的历史数据与这些管理软件进行双向通讯。

为了提高本平台对监控数据的管理能力,特设计实时数据库来存储物联总线实时数据。

3.2.5基于SOA的WEB服务技术

面向服务的体系结构(service-oriented architecture,SOA)是一个组件模型,它将应用程序的不同功能单元(称为服务)通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。这种具有中立的接口定义(没有强制绑定到特定的实现上)的特征称为服务之间的松耦合。对松耦合的系统的需要来源于业务应用程序需要根据业务的需要变得更加灵活,以适应不断变化的环境,比如经常改变的政策、业务级别、业务重点、合作伙伴关系、行业地位以及其他与业务有关的因素,这些因素甚至会影响业务的性质。我们称能够灵活地适应环境变化的业务为按需(On demand)业务,在按需业务中,一旦需要,就可以对完成或执行任务的方式进行必要的更改。

现在的 SOA依赖于一些更新的进展,这些进展是以可扩展标记语言(eXtensible Markup Language,XML)为基础的。通过使用基于 XML 的语言(称为 Web 服务描述语言(Web Services Definition Language,WSDL))来描述接口,服务已经转到更动态且更灵活的接口系统中了。

Web 服务是实现 SOA 的最佳方式。

3.3 研究项目的过程及组织实现

3.3.1 研究开发过程

主要研究开发过程分为如下几个部分:

(1)   Web 服务开发

主要涉及到以下核心服务的修改, 以WebService方式提供接口供配置和运行时使用。

①  实时数据Web服务

②  报警数据Web服务

③  历史数据Web服务

④  调度管理Web 服务,包括联动调度,时间表调度ScheduleWebService

⑤  权限管理Web 服务

(2)   业务数据展示服务

利用智能客户端技术,实现业务数据的展示服务,提供必要的管理。

(1)  监控图形

(2)  报警处理,提供扩展能力处理新的报警形式

(3)  历史数据管理

(4)  系统权限设置

(5)  联动服务

(6)  时间表服务

(7)  设备管理模块

(8)  扩展功能(。。。)

(3)   对外数据交互

主要提供对外数据访问接口。主要实现用户可以在外网上,利用手机或各种基于互联网的终端,按权限实现各种智能化设备管理工作,例如查询设备工作状态,查询能耗月度分析报表等应用。

    功能主要包括:

²  支持从瘦客户基于XML的移动电话到基于HTML的Pocket PC各种各样的设备。

²  支持Email方式发送和接收系统各项运行信息;

²  支持设备工作状态(包括各种参数和报警故障信息)的实时查询功能;

²  支持报表查询(能耗月度分析)等高级应用功能。

upfile

3.3.2 研究开发的组织结构

3.3.3 研究阶段计划

分成2个阶段完成,第一个阶段采用原型开发模式,依据预研原型结果深化设计阶段,实现阶段交付。第二个阶段实现2个小版本交付。

第一阶段完成分析和基本设计,拿出一个系统原型,提交关键技术和模块的技术研究报告。

第二阶段完成详细设计,提交设计文档,提交部分对立功能模块;

第三阶段完成编码和集成测试,提交使用文档和测试报告,

第四阶段完成验收和发行,提交宣传文档和技术培训。

4.2.2研究资源计划:

(1) 因采用.NET技术,需要更新开发人员的机器(5台)。

(2) 提供视频设备调试视频功能(一台视频服务器硬件设备+2个摄像机)。

(3) 提供手机短信模块一个。

4 研究成果

4.1 基础研究

4.1.1 数据标准化

本研究通过数据标准化、通讯协议标准化、界面展示标准化,将各个子系统的数据、通讯协议和展示页面风格,进行统一的集成和发布。

数据格式主要包括:IO浮点量、IO整形量、IO开关量、IO消息量。

通讯协议:已经掌握将标准OPC、标准BACnet IP、标准Modbus RTU/TCP、ODBC、自定义串口协议、SDK开发包等方式统一成标准OPCServer DA和OPCServer Ae的技术。

界面展示:通过silverlight插件,将各个子系统的界面风格统一,提供动画效果。

4.1.2 接口开发

本研究已经积累了智能建筑领域主要厂家和主流产品品牌对接经验,已经陆续完成120多种子系统及设备对接。主要包括:智能建筑集成管理系统(Honeywell、Simense、Johnson、Delta、Alerton、Schneider等)、安防系统(Honeywell、Panasonic、Dahua、Hikvision、Axis、Bosch、Sony、JSST、Yilu、Open、Infinova、Uniview、Fujica、BlueCard、Carsafe、Longhorn等)、消防系统(GST、Siemens、Honeywell、松江、Ge)和其它常见厂家(Legrand、NVC、ABB等)

4.2 技术成果

通过本项目技术研究已经产生以物联总线技术为核心的物联集成平台、物联设备运营管理平台两款软件成果,可应用于智能建筑和设备管理方面,提供数据集成和管理功能。

upfile

图:电力监控

upfile

图:空调系统

4.3 进一步研究建议

本研究虽然取得了阶段性的成果,但随技术的发展和市场的变化,还需要在云存储、云转发、云访问方面做进一步深入研究,实现局域网数据向广域网的延伸,实现PC端、移动终端的网络集成管理应用需要。

    基于物联网的数据集成总线技术研究还要在移动推送、视频直播和转码、全面兼容云数据库mysql、SQLServer、PostgreSQL等方面进行开发和完善。

5 结论

基于物联网的数据集成总线技术,可实现不同厂家不同设备不同协议的快速集成,打通数据通讯通道,构建web数据平台,实现从设备层到云端的数据传输和控制,为人们生活提供便利,该研究成果可广泛应于智能建筑领域,智慧城市,逐步扩展到交通、仓储、工业等领域,具有较好的应用前景。

 

参考文献

[1] 任家富,庹先国,陶永莉.数据采集与总线技术[M].2008.9:123-169.

[2] 陆会明.控制装置标准化通信-OPC服务器开发设计与应用[M].2010:58-232.

[3] 郑叶来,陈世峻.分布式云数据中心的建设与管理[M].2013:185-201.

[4] Laurence Moroney(美),马振萍,文瑞(译).Microsoft Silverlight4从入门到精通[M].2010:49-160.

[5] Ann Navarro,Chuck White,Linda Burman(美),周生炳,宋浩,袁海洋,肖伟(译).XML从入门到精通.2000:83-176.

[6] Simon Robinson,Ollie Cornes,康博(译).C#高级编程.2002:739-821.

[7] 闫建强,王瑞敬.web服务开发学习实录.2011:341-360.

[8] 明日科技.Android从入门到精通.2012:57-265.

[9] 关东升.iOS开发指南.2016:298-384.

[10] 刘光.XML应用技巧与实例.2000:278-309.

[11] 张敬普,丁士锋.精通C#5.0与.Net4.5高级编程.2014:128-169.

[12] 中国标准化委员会.GB/T 19582.1-2008基于Modbus协议的工业自动化网络规范.2014:12-86

[13] 张少军.BACnet标准与楼宇自控系统技术.2012:245-324.