无线电监测站物联网平台管理系统顶层架构设计

韩将星

（延边朝鲜族自治州工信局无线电监测站，吉林 延吉 133000）

0 引 言

随着5G、天基物联网、大数据等新一代信息通信技术（ICT）的迅猛发展，全球范围内将掀起新一轮科技革命和产业变革。物联网作为继计算机、互联网之后信息产业发展的第三次浪潮，将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，将产生通信网之后的另一个近百万亿级市场[1]。当今，物联网平台技术已经被广泛应用于军事、电力、铁路、农业、水文监测、能源管理、车辆管理、设备库管理、机房管理、安全管理、智慧家居等领域。在设备库管理方面，军事[2]、无线电监测站[3]等领域提出了物联网统一平台下基于RFID的设备库管理系统。在物联网平台设备管控方面，电力[4-6]、铁路[7-8]、农业[9]、水文监测[10]、无线电监测站[11]等领域提出利用大数据、云计算、人工智能等信息技术，在物联网统一大平台下实现对设备的状态感知监测及控制、能源管理及数据管理。在车辆管理方面，针对目前公务用车监管存在的诸多漏洞，设计了基于JT808的北斗公务车物联网平台[12]、基于B/S结构的车辆管理系统等[13]，使车辆管理更为科学合理。在安防管理方面，基于物联网的通信机房门禁监控管理系统[14]、基于多传感器数据融合的火灾报警系统[15]、基于OneNET物联网平台的车位锁控制系统[16]等，均通过第三方物联网云平台管理实现对安防系统的管控。在智能家居方面，基于机智云平台的智联网家居控制系统[17]、基于物联网的智慧家庭管理平台系统[18]等均通过机智云平台，统一管理平台的智慧家庭系统与第三方物联网云平台的融合应用，实现对智能家居各功能模块的有效智能化管控。可见，国内学者对相关领域已进行了大量技术研究与应用，物联网技术的应用为我国无线电监测站物联网平台技术设施建设带来美好的发展前景。然而，针对当前物联网发展态势，我国无线电监测站目前存在如下问题。

（1）物联网设备监管、控制方面：缺乏科学智能化的物联网设备状态管理与控制平台，导致对设备的高效使用、设备故障预防、生命周期管理、设备管理决策等监管效率低下；

（2）设备仓储管理方面：缺乏科学智能化的物联网设备库管理，落后的人工管理方式相比先进的智能化仓储物联网管理手段，管理效率极其低下。

（3）智能物联网应用方面：智慧能效、智能家居、车辆管理、安防管理等智能化物联网系统尚未广泛普及，导致不必要的人力、财力、物力的浪费。

为解决上述问题，本文结合业界物联网平台的研究现状及应用，对无线电监测站物联网平台管理系统、功能模块、平台层、工程结构等进行架构设计，并介绍监测站室内、室外物联网平台的主要功能模块。

1 物联网平台管理系统架构

系统设计理念是以物联网技术为基础，以新一代ICT（Information and Communications Technology, ICT）技术为载体，充分应用“大云物移智”等现代信息技术，实现智能感知与控制，构建绿色、节能、健康、安全的智慧无线电物联网平台。无线电监测站物联网平台管理系统主要由终端层、网络层、平台层及应用层组成，如图1所示。

1.1 终端层

终端层主要通过射频技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术等完成信息的采集、获取和识别。该层主要通过传感器等器件采集环境、资产以及运营状态信息，进行信息数据的适当处理之后，传输给网络层。同时，接收控制指令信息，完成应用层对终端层的控制。无线电监测站的物联网平台终端层主要包括固定监测基站平台、网格化监测网平台、移动监测车辆平台、无人机系统平台、便携式移动设备、网路设施机房、智能终端、室内智能家居、安防监控等。

图1 无线电监测站物联网平台管理系统架构

1.2 网络层

网络层作为连接感知层、平台层、应用层的中间信息承载层，主要负责信息的接入与传输，通过丰富的接口资源、边缘计算平台等物联网网关，实现监测站多业务场景不同协议类型的物联接入和业务处理。网络传输方式包括有线和无线接入网、天基物联网、低功耗广域网、局域网、蜂窝网等，可及时将信息进行处理分析。比如，机房设备健康状态监控系统、车辆管理系统、智能家居系统、安防系统等，可以根据室内、室外地理位置情况使用有线、无线网络，也可以使用卫星导航、天基物联网、低功耗广域网、蜂窝网、局域网等传输数据，最终将数据汇集到无线电监测站物联网云管理平台，进行统一集中管理。

1.3 平台层

平台层基于云架构、AI、大数据、边缘计算、第三方服务等技术平台搭建一体化物联网运维平台，实现数据信息的智能管控、智能算法分析，统一建模、统一存储，统一为应用层服务提供接口服务，并利用可视化显示平台展现各类数据模型，便于决策与判断。平台层作为依托网络，连接应用的桥梁，实现对终端设备和资产的“管、控、营”一体化管理，面向第三方应用服务提供商提供应用开发能力和统一接口，并为第三方服务商提供通用的服务能力，如数据路由、通信管理、应用开发、设备维护服务等[19]。

1.4 应用层

应用层在提供统一运维门户的基础上，经平台层分析处理数据后，针对各类业务需求，通过移动手机、移动办公、可视化显示平台等智能终端手段，以软件即服务（SaaS）方式将其提供给用户。用户通过应用层的软件功能模块将相关内容与控制指令反馈至平台层与终端层。随着科技的进步，将衍生出越来越丰富的物联网应用服务，创造巨大的社会价值。应用层主要提供安防管理、视频监控、运维服务管理、服务流程管理、信息服务等相关功能。

系统总体技术架构充分应用当今物联网领域各项先进技术，如5G、大数据、人工智能、卫星互联网等新一代信息通信技术，针对现阶段及未来无线电监测站车联网、监测网、无人机平台等各项先进技术设施建设需求，提供强有力的物联网技术保障，可大幅提高工作效率，减少人力、物力成本。通过与第三方物联网平台系统进行数据存储、共享等融合对接，不仅可以弥补监测站物联网云管理系统的技术缺陷，更扩大了物联网领域应用范围，如灵活应用不同厂商的物联网终端设备进行有效管理等，提高服务效率，缩短建设周期，降低成本。

2 系统功能架构

系统功能架构包括设备健康状态监控、RFID设备库管理、智慧能效管控、智能家居、车辆管理、安防等子系统，系统功能架构如图2所示。

图2 无线电监测站物联网平台管理系统功能架构

2.1 设备健康状态监控系统

设备健康状态监控系统是基于大数据、设备检测传感器、采集电路、物联网等技术实现监测站室外、室内设备的工作状态、运行质量和工况信息并进行采集、整合、处理、分析后，构建的安全、高效、智能的故障诊断预测和自身健康状态实时监控和预警管理平台[20]。随着云计算、人工智能等技术的快速发展，设备状态监控技术朝着智能化方向发展，进一步对设备运作状态进行有效的智能故障原因回溯分析，可保障设备运作检测系统的正常运行[21]。在系统运行效率方面，例如针对物联网设备数据量大且复杂的特性，文献[22]提出了一种针对物联网设备的海量数据处理架构，同时结合Dask分布式计算框架，设计了基于Hadoop环境的分布式物联网设备状态分析处理系统，能够快速准确地进行设备状态预测。相关功能模块包括设备状态监测、能效管控、维修管理、报废管理、智能报警、智能决策等。

2.2 RFID设备库管理系统

随着新技术的不断更新换代，无线电监测站设备库设备种类变得日益复杂、数量逐年增多，因此对设备库的科学智能化管理变得日益迫切。面对当前设备库管理需求，文献[3]针对无线电监测站存在的问题，提出了基于物联网RFID的无线电监测站设备库智能化管理系统方案，该方案对设备的出入库管理、设备资产管理、设备位置管理、状态管理、维修管理、使用率管理等进行了统一集中化科学管控。

2.3 智慧能效管控系统

新能源发电、智能电网、智能家居等技术的逐步成熟，使企业及家庭生活用电结构逐渐发生改变，并随之产生了相应的智能化能效管控系统。传统的用电结构存在人走忘记断电、乱用电等不合理用电现象，加剧了能源供需不平衡的矛盾，更存在安全隐患[23]。智慧能效管控系统通过物联网（如WiFi、ZigBee等）信号接收电路对智能电表、水表、燃气表、热量表、智能家居等终端层的信息进行自动采集与分析，在了解各终端层的能源消耗情况后，结合周围的电网系统、储电系统、新能源发电系统等实际状况，科学控制能源终端智能插座、智能开关等控制终端，实现节能环保、绿色低碳以及高效安全的目标。

2.4 智能家居系统

随着传感器技术、自动化技术、嵌入式技术、大数据、云平台、移动互联等基础应用的迅速发展，智能家居的功能组成将变得更加多样化。目前，市面上的智能家居产品主要利用无线通信技术将智能家居设备与多功能网关连接，多功能网关接收的数据存储在本地自建服务器或第三方云平台服务器端，最后通过安装特定的手机APP对各智能家居设备进行监控。例如文献[24]为克服智能家居系统受第三方云平台的限制，以及智能手机操作系统带来的APP开发与安装问题，将内置WiFi模块的CC3200作为数据采集与处理核心、自建服务器作为数据存储转发中心、微信公众号作为控制程序，设计并实现WiFi+微信公众号+自建服务器的智能家居系统。智能家居控制系统可通过有线、无线、红外、KNX总线、RF（射频）等方式实现物联网通信，主流通信手段的无线通信方式主要采用近距离局域网（WiFi，蓝牙，ZigBee等）或远距离低功耗广域网（NB-IoT，LoRa等）通信，例如NB-IoT无线通信技术的智能家居系统[25]，华为云服务器平台下基于NBIoT的小型远程测控智能家居系统[26]等。

综上所述，本地自建云服务器平台与第三方云服务器平台融合建立云管理平台，并以WiFi、ZigBee近距离局域网与NB-IoT远距离广域网相结合的方式进行物联网连接，实现智能家居系统的灵活多样化服务。

2.5 车辆管理系统

当今网络时代，车辆管理系统已普遍应用于企业及政府机关，然而大部分地区的无线电监测站还在用传统的人工操作方式管理车辆与人员。各地区无线电监测站车辆少则几台，多则十几台，甚至几十台，而且，车辆数量还在逐年增多。因此，进一步规范监测站用车的规范性与效率，对车辆进行科学监控管理乃大势所趋。例如，文献[27]介绍了一套基于人脸识别的车辆管理系统以及相应的软硬件构成，该系统真正实现了对车、库、柜、卡、人的综合管理，大大节约了人工成本。无线电监测站车辆管理系统应结合先进的物联网、自动驾驶、车载健康监测[28]等技术，提高车辆管理、行驶监控等平台综合服务效率。

2.6 安防系统

室内安防系统一般主要基于现代网络通信与物联网技术，通过安装摄像头、门窗磁、智能门禁和红外入侵检测仪器等安防设备实现防盗、防水、防火等功能。无线电监测站安防系统可以借助第三方物联网云平台、大数据、人工智能算法等，设计出符合监测站平台的安防系统。

3 物联网平台架构

无线电监测站物联网平台由监测站云管理平台与第三方云管理平台组成。监测站云与第三方云之间深度融合，具有相似的逻辑功能。平台可分为四部分，连接管理平台、应用支撑平台、设备管理平台、业务分析平台，如图3所示。

图3 无线电监测站物联网平台架构

3.1 连接管理平台

连接管理平台（Connectivity Management Platform,CMP）将不同类型的硬件设备通过不同网络连接起来，将数据传送到业务分析平台进行处理。国内连接管理平台的典型代表包括中国移动OneLink平台、中国电信的物联网开放平台、华为OceanConnect平台、中兴ThingxCloud平台等，其实现功能包含账户管理、SIM卡生命周期管理、资费和账单管理、资源库存管理、SIM订购、报表和统计、连接诊断、规则管理和安全管控等[29]。监测站物联网平台终端设备根据设备特征，可通过第三方协议与监测站协议进行终端连接，将数据传送到各自的云管理平台进行处理后，最终在监测站物联网云管理平台上进行数据整合。

3.2 设备管理平台

设备管理平台（Device Management Platform, DMP）的主要功能是对物联网终端进行远程监控、系统设置、系统升级、故障排查、生命周期管理等，同时也对网关和应用状态进行实时监控，从而实现设备故障预处理。目前国内外发展设备管理平台的商家较多，既有自建平台为已有业务提供支持的阿里物联、微信硬件平台、京东机智云等，也有建立平台与其他厂商合作以提供物联网服务的艾拉物联、Fogcloud等。监测站设备管理平台可与第三方平台建立协作关系，灵活管理各种不同协议的设备终端。

3.3 应用支撑平台

应用支撑平台（Application Enablement Platform, AEP）可为成千上万的上层应用提供成套应用开发工具、中间件、数据存储功能、业务逻辑引擎、对接第三方系统API等，以降低开发成本、缩短开发时间。

3.4 业务分析平台

业务分析平台（Business Analytics Platform, BAP）通过机器学习、大数据、AI等方式对数据进行分析、建模、存储、处理，为用户提供业务预警、预测等服务。目前国内外BAP有GE、IBM、阿里物联、艾拉物联等。

综上所述，无线电监测站物联网平台架构充分体现出监测站物联网云管理平台与第三方物联网云管理平台的技术融合，符合当今物联网平台建设与发展规律，大幅缩短了研发与建设周期，降低了管理成本，提高了物联网运维效率。参考第三方物联网管理平台技术，开发设计出符合监测站室内、室外物联网平台的设备管理系统，可有效减少不必要的人力、物力、财力浪费。无线电监测站物联网平台总体工程技术架构如图4所示。

4 结 语

建立物联网综合平台，解决服务差异化和互不兼容的问题，采用“模块化分割”使服务模式从被动的“碎片化”向主动的“集成式”发展，打破“信息孤岛、数据烟囱”是大势所趋[30]。随着业务量的增加，平台跨界服务需求日益增多，监测站平台与第三方服务平台的数据交流将变得日益频繁，通过集成与融合大数据分析、边缘计算、人工智能、区块链等新型技术，全方位感知、归一化管理、共享资源和数据将是物联网平台未来发展趋势。

物联网技术逐步走向成熟，而对物联网终端的科学管控是一项复杂而又庞大的系统工程，涉及通信、家电、建筑、网络服务等领域，整个系统的功能以及具体实现还需要进一步完善和加强。本文从系统架构、功能架构、物联网平台架构和总体工程技术架构等方面对监测站物联网平台进行了技术分析与展望，为我国无线电监测站物联网平台建设提供了参考。下一步将继续深入研究无线电监测站物联网平台系统各项潜在性功能模块与技术应用，进一步推动和丰富云端系统的应变能力，努力构建高效的物联网云平台建设目标，提高工作效率，减少不必要的人力、物力、财力的浪费。

图4 无线电监测站物联网平台总体工程技术架构