基于端边云协同的烟草企业物联网平台的设计与实现

摘要：物联网、云计算等新技术的发展推动了其在工业生产领域的深度应用，由此带来相应的工业生产方式发生了较大变化。烟草企业终端需要进行采集的数据量与类型越来越多，业务的远程控制需要快速进行响应。在此背景下，迫切需要对整个烟草企业物联网平台进行设计与实现。系统采用端边云协同处理技术完成整个数据采集、传输与云处理，以此推动生产方式、生产模式等创新，实现工业生产效率的提升和资源的优化。

关键词：物联网云平台；烟草企业；端边云；云计算

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.081

中图分类号：TM 92；TP 3 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）09-0-04

Design and Implementation of an Internet of Things Platform for Tobacco Enterprises Based on End-to-end Cloud Collaboration

JI Miao， YANG Hai， ZENG Qiang， LIN Yang

（Wuhan Cigarette Factory， Hubei Zhongyan Industry Co. ， Ltd. ， Wuhan 430048， China）

Abstract： The development of new technologies such as the Internet of Things （IoT） and cloud computing has driven their deep application in industrial production， leading to significant changes in industrial production methods. The amount and type of data that needs to be collected at the end of the tobacco industry's production process is increasing， and remote control of business operations needs to be responded to quickly. In this context， there is an urgent need to design and implement an IoT platform for the entire tobacco industry. The system uses end-edge-cloud collaborative processing technology to complete the entire data collection， transmission， and cloud processing， thereby driving innovations in production methods and modes and achieving efficiency improvements and resource optimization in industrial production.

Keywords： Internet of Things cloud platform; tobacco enterprise; end cloud; cloud computing

1 研究背景

数字经济已成为全球范围内产业转型升级的重要驱动力，也是我国“十四五”时期提升产业核心竞争力、实现经济高质量发展的必由之路。为抓住推进烟叶数字化转型的重要战略机遇期[1]，武汉卷烟厂逐步上线了一批数字化应用系统，由此带来多个方面的问题，主要包括：不同类型的数字化应用终端采集设备缺乏统一的接入规范和标准；数字化应用上线对基础设施资源建设提出了新需求；数字化应用的资源分散，缺乏统一的管理。在此背景下，需要对整个烟草企业物联网平台进行设计与开发，以此对整个数字化应用的全生命周期进行统一集中管理[2]。

2 关键技术

2.1 物联网

在烟草企业物联网平台的设计与实现中，通过网络技术协议将不同类型的设备与网络进行连接，以此完成数据信息的交互处理，实现不同物联网设备的追踪、定位识别与管理[3]。整个烟草企业物联网平台中，核心技术有三个部分，依次是传感器技术、嵌入式系统技术与RFID标签技术。传感器技术主要将终端采集的模拟信号进行转化，以此获取相应的数字信号；嵌入式系统技术主要是对各类终端采集信号进行预处理；RFID标签负责对各类不同的终端进行唯一化标识，方便其在物联网系统之中进行识别确认[4]。

2.2 云计算

在整个烟草企业物联网平台中，采集的数据信息主要通过云计算技术进行处理。云计算主要通过任务分发处理，来完成整个并行计算，因此云计算又被称为网格计算，能够在短时间之内完成数以万计的数据处理工作[5]。通过网络云将整个程序分解成无数小程序进行处理，之后这些处理结果返回给用户。整个云计算技术包括负载均衡、网络存储、并行计算等多种网络技术，为用户提供强大的数据服务[6]。

3 需求分析

3.1 系统业务分析

在系统需求分析阶段，首先需要完成系统的业务分析，通过不同类型用户的使用，确定整个系统需要开发的功能。整个业务功能覆盖烟草生产的全环节、全过程，方便后期对整个烟草生产数据信息进行分析与决策，降低总体管理成本，整个系统的具体业务功能包括：

（1）整个烟草生产的全过程数据信息通过各类终端进行采集，这些采集的数据信息主要是烟草各个生产阶段的关键数据信息，有异常及时进行报警，后期能够对这些数据进行溯源操作。

（2）对于采集的数据信息，云端主要采用云计算技术进行总体分析与决策，完成不同类型业务的处理，满足烟草企业物联网平台的功能处理需求。

3.2 系统功能需求分析

烟草生产的全过程数据信息通过物联网终端采集之后，首先传输到边侧的服务器端，之后服务器中的数据信息传输到云端，即省级部署的节点之中。整个系统的具体相应功能包括：

（1）数据采集：物联网终端负责对各类数据信息进行采集，之后传输到边缘计算终端，之后边端将数据信息传输到平台端。

（2）传输过程加密：整个数据传输采用加密与解密技术进行，有效保障整个烟草物联网平台数据信息的安全性。

（3）数据缓存机制：烟草企业生产数据采集的时候如果无网络信号或者网络较差，需要将这部分采集的数据信息进行缓存处理，后期在网络信号恢复时候进行传输，保障数据信息的完整性，满足终端、边端与云端之数据交互的需要。

（4）采集数据传输链路采用华为5G通信平台进行管理，整个传输链路呈现低时延、多接口、高性能与大链接的特点，能够支持4G/5G、双频Wi-Fi、千兆/万兆以太网等设备同时接入。双频Wi-Fi是一种无线网络技术，它使用两个不同的频段来传输数据，传统的Wi-Fi网络通常使用2.4 GHz频段，而双频Wi-Fi则同时使用2.4 GHz和5 GHz频段。

4 系统设计

4.1 系统设计原则

整个烟草企业物联网平台设计开发之中，需要遵循多方面系统设计原则，以此提升整个系统的安全性、可维护性及友好性，具体系统设计原则内容如下：

（1）系统可维护性：在进行系统功能设计的时候，良好的系统维护性是重要的设计原则。不同系统功能之间的耦合度需要降低，后续相关的升级与扩展也需要严格遵循此原则，根据用户的使用体验进行优化，有效降低系统升级维护的成本。

（2）系统安全性：在整个系统日常开发中，需要在代码层与应用层加入保护措施使得整体系统的安全性得到保障，一旦数据或应用程序出现任何问题时能够实时进行预警，及时进行整改，保障系统相关数据的快速恢复。

（3）系统使用友好性：在不同用户功能的操作之中，系统使用的友好程度是重要的衡量指标。用户操作完成的时候，系统需要给出各类操作提示信息，方便用户能够对整个功能模块进行响应与处理，顺利完成系统各项功能的操作。

4.2 体系架构设计

围绕整个烟草物联网平台管理的需求，整体体系架构按照四层的模式来进行设计，此分层设计模式能够有效的降低功能间的耦合度，提升整个物联网平台后续的可扩展性。烟草企业物联网平台采用的四层分别是基础设施、应用整合层、平台应用层与终端接入层，每一层的重点关注的内容有些不同。具体系统体系架构图如图1所示。

详细各个架构内容如下：

（1）可视终端接入层：系统对外提供不同的展现方式，用户能够通过移动终端、PC、PDA等方式完成系统的浏览与操作，有效提升用户的使用体验。

（2）平台应用层：此层的主要目标是为系统使用的各个用户提供不同的操作功能，具体包括烟草生产设备启动引导、身份鉴权、设备重置、全自动仓储智能控制与实时监控、故障报警、多协议接入管理等功能；用户结合烟草业务的不同，基于端边云协同的技术完成相应模块的操作处理。

（3）平台应用整合层：此层的主要工作是不同用户完成功能操作之后，主要在业务逻辑层进行总体的响应与处理，具体包括应用整合、数据整合、业务整合等内容，相应底层数据层与之对应的业务数据被功能模块所调用，以便能够更好地对用户的操作需求进行响应。

（4）基础设施层：此层主要为整个边侧提供基础设施，包括操作系统、数据库系统、主机服务器及存储系统、网络及通信系统、智能终端控制设备、网关控制、物联网采集终端等。

4.3 网络架构设计

在烟草企业物联网平台中，主要的业务处理功能分为数据采集、传输与处理。物联网平台采用B/S网络模式进行设计，整个业务在完成处理之后进行反馈。用户操作命令通过网络发送到物联网终端，之后在终端浏览相应的处理结果，整个烟草生产业务处理过程的数据信息存储在数据库中。整个网络设计依次分为云端、网络端及终端三个部分，详细内容如下：

（1）云端：云端主要是省级部署的节点，其主要与不同的边侧进行数据信息交互，将日常烟草生产过程的关键数据信息进行上报。

（2）网络端：在整个平台网络设计中，网络端负责云端与终端之间的数据信息传输。整个系统主要功能是完成烟草生产全过程的数据信息采集、处理与分析，记录每一个生产过程的数据信息，方便后期出现质量问题进行溯源。整个烟草生产过程中产生的各类不同数据信息存储在系统数据库中，整个系统按照不同部门的用户类型区分不同的操作功能，用户进入系统完成这些功能模块的操作，以此满足烟草生产线不同业务的操作需要。

（3）终端：主要包括各类智能处理设备，包括工控机、摄像头、传感器、智能终端等，以此完成各类数据信息的采集与处理。不同种类的数据信息完成采集之后，结合具体的场景通过NB-IoT、Wi-Fi、4G、5G等不同网络模式完成数据信息的传输。

5 系统实现与应用效果分析

在烟草行业“十四五”网络安全和信息化发展规划中，具体提出构建“平台赋能、数据驱动、融合创新、安全可控”的网信发展新格局。按照工业互联网体系技术架构，结合武汉卷烟厂实际运行情况，以边缘计算、超融合技术为切入点，设计工厂数字化应用基础架构。通过该项目研究制定物联网终端接入和数采规范，实现工业互联网络接入IP化和标准化，提高接入效率，实现武汉卷烟厂智能应用的统一管理，使用工业互联网平台省级和边侧节点实现对应用的上架、申请、部署、运行、运维以及设备数据协同等全生命周期管理，有效沉淀不同业务场景的应用效果，形成协同管理规范，为后继相关、相似场景的进一步推广打下良好基础。基于工业互联网平台的烟草企业物联网平台的应用效果如下所示：

（1）三维可视化管理：整个平台中完成烟草生产线、厂房等三维建模，提升可视化的便利性，主要采用VR、BIM与GIS相关技术进行实现。

（2）数据全面感知，设计优于标准规范：整个烟草企业物联网平台基于国家与行业相关标准规范，采用系统工程的设计理念，能够将各个子系统进行充分融合；平台能够全面采集烟草生产各个环节的数据信息，采用微服务的设计理念，整个数据信息传输支持不同网络模式。

（3）智慧化分析与决策：整个系统采用云计算技术进行分布式计算与分析，快速完成各类异常与隐患分析，提升数据分析效率。

（4）一体化运维：通过移动端、平台端等跨平台的设计开发应用模式，提升各个部门的数据信息共享效率，对整个烟草生产全过程进行一体化监控与运维管理。

6 结束语

目前设计开发的烟草企业物联网平台能够及时对各类工业数据信息进行采集与传输，平台端对采集的数据信息进行实时监测，同时能够完成设备远程控制、统计分析等模块操作，为烟草企业物联网平台的运维提供信息化的高效率管理方式，降低各类安全隐患与风险发生的概率。

参考文献

[1] 王帆．烟草物流的数字化赋能影响因素研究[J]．中国储运，2023（11）：8-9．

[2] 陈浩，杨明，黄丹．我国烟草物流协同发展现状与趋势[J]．中国市场，2023（07）：11-12．

[3] 周杰，王申，田敏．基于无线传感器网络的远程医疗监护系统设计[J]．科技与创新，2019（13）：59-60．

[4] 胡伟，李博为，孟建明，尹志良．物联网技术在烟草机械设备中的应用[J]．内燃机与配件，2020（03）：2-3．

[5] 尚晏莹．“互联网+”商业模式创新影响因素及路径研究-以制造企业为例[D]．西安：西安理工大学，2019（05）：21-22．

[6] 潘博．“双碳”目标下烟草物流碳排放管理机制研究与探索[J]．物流技术与应用，2022（05）：33-34