基于云平台与边缘计算的物联网数据采集系统设计

一、引言

目前，工业物联网数据采集作为智能制造和工业4.0的基础，确保了前端感知的有效性，并为后续的数据处理与分析提供了必要输入。然而，在实际操作中，工业物联网数据采集面临着一系列挑战：数据量庞大，随着传感器数量的增加，产生的数据量呈指数级增长；数据质量问题，工业环境中收集的数据往往是“脏”数据，需要在存储前进行规范化和清洗，以便能够用于有效的分析；网络标准不统一，多种工业协议并存，如ModBus、OPC、CAN、MQTT等，以及一些设备制造商开发的私有协议。

设计云平台结合边缘计算模式为这些问题提供方案，云平台提供了集中式的数据处理和管理中心，可远程部署和多协议接入通道应用于各地的物联网设备。边缘计算支持大规模数据的存储与分析，并可提供统一的接口供不同设备接入。

二、总体架构

工业物联网设备通过各种通信技术如4G、Wi-Fi、LoRa等无线方式连接到云端平台。当这些工业物联网设备将数据传输到云平台时，不同设备存在不同的数据协议，例如Modbus、OPC UA、MQTT等。数据到达云平台之后，在边缘侧进行异步处理，边缘计算对原始数据进行过滤、压缩和聚合。图1为云平台加边缘计算的方式进行物联网数据接入的总体架构图。

三、系统实现的技术路线

（一）设备接入云平台

为了提供安全、可控的数据存储和处理空间，系统采用搭建云平台的私有化网络环境。为了确保各类设备能够顺畅地与私有云平台进行通信，平台支持多种接入方式。设备端安置数据传输模块，通过4G或Wi-Fi提供稳定的数据连接，完成电信号到数字信号成为数字报文通过协议转发到云平台，云平台在接收到设备端的数字信号后通过协议将其转化为业务数据并储存到数据库中。

（二）设备数据采集方式

在数据采集方面，物联网系统通常面临三种主要的设备通信方式，每种都需要不同的处理和集成策略：

1.设备通信模块直接通信：设备已经嵌入了能够进行网络通信的硬件模块，例如Wi-Fi、蓝牙、4G、LoRa等。这些设备直接连接到互联网，实现数据的实时上传和远程控制。设备自带工业局域网通信接口，支持TCP/IP协议通信。在通信模块里进行数据的读取后发送至云平台服务器。

2.接入第三方通信模块通信：旧式或低成本的设备没有内置的网络连接功能，通过添加外部通信模块来来桥接这些设备与互联网之间的连接。例如，通过RS-232、RS-485等传统串行通信方式，或通过Zigbee、Z-Wave等无线技术将数据传输到具有网络功能的网关，再由网关转发到云服务器。

（三）云平台集群化

云平台包括管理控制节点和采集节点，系统通过灵活扩展管理控制机、采集节点数量或扩容机器硬件配置实现采集处理能力灵活扩展，目录支持采用集群化部署，避免单点故障。 云平台集群化总架构图如图2所示。

（1）控制服务集群

管理控制服务在云平台中通过多机负载分担机制来确保任务的高效生成与调度。在这种架构下，不同的管理控制节点共同承担工作负荷，协同完成作业的生成和调度等关键任务。

（2）采集执行服务集群

采集节点在云平台中构建起一个采集资源池，允许系统根据需要进行动态的资源分配和管理。通过采用先进的负载均衡策略，采集任务可以在多个采集节点之间进行智能分配，确保了任务的高效执行和系统的最优性能，服务端内部采用中间件集群，其中包括Zookeeper、MySQL、Redis、Kafka等。

四、云端数据采集方式

云端数据采集方式主要包含云平台主动采集和设备主动上报两种场景。

（一）云平台主动采集

云平台作为客户端，主动与连接的设备进行交互。这种交互通常包括两个方面：

请求设备数据：云平台向设备发送指令，要求设备上报其运行状态、传感器数据或其他相关信息。

控制设备行为：云平台向设备发送控制指令，以改变设备的行为或配置。这种控制是简单的开关操作，也可以是复杂的参数调整。

（二）设备主动上报

设备主动上报数据到云平台过程涉及以下几个关键步骤：

1.设备初始化：设备在启动时会根据预设的配置信息（如网络地址、端口、协议等）准备与云平台建立连接。

2.建立连接：设备根据配置信息通过各种网络协议进行与云平台建立网络连接，如Wi-Fi、4G、LoRa等。

3.数据上报：设备按照预定的间隔或者在特定条件下，将收集的数据（如传感器读数、状态信息等）上报给云平台。

4.数据传输：数据通过网络安全地传输到云平台。这个过程中会使用加密技术保护数据。

5.数据接收：云平台上的服务接收到设备上报的数据，并进行初步处理。

6.数据解析：云平台对收到的数据进行解析，将原始数据转换为结构化的信息。

7.数据存储：解析后的数据被存储在云平台的数据库中，以便对其进行进一步处理和分析。

8.数据处理与分析：对存储的数据进行处理和分析，提取有价值的信息，支持决策制定，或者触发相应的业务逻辑。

五、结语

本文聚焦在工业物联网领域，特别是针对建筑行业中海量且多样化的设备快速接入问题进行研究。核心解决方案采用了结合云平台和边缘计算的模式，以适应物联网在建筑领域中的特殊需求，如设备类型繁多、通信协议复杂、项目周期短暂、工地地理位置分散及人员流动性大等挑战。本研究的目的在于搭建一个灵活的接入系统，能够同时支持多种设备类型或使用不同协议的设备快速接入网络，确保数据传输的高效性和安全性，为建筑行业的物联网应用提供一个全面的设备接入解决方案，推动工业物联网技术的应用普及。

作者单位： 中铁四局集团有限公司、安徽数智建造研究院有限公司

基金项目：建筑物联网应用关键技术研究-B（编号：2022-重大专项-08）。