每周一文浅谈物联网通信技术及其发展总

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作者：董玉华、邹本昊

单位：医院

作者：付允彬

单位：医院

摘要

摘要：本文主要介绍了物联网通信系统的技术架构以及在外围接口层、管理层、调度控制层、作业执行层四个层次中各种通信方式的功能和实现，并对通信技术的发展趋势进行了展望。

关键字：物联网；通信

物联网将人、计算机、物体以及动物相互连接沟通及环境与信息状态的实时共享，以其高度自动化、高可靠性、高度灵活性特点，成为提高管理水平和效率、提高生活质量的一个有效手段。它是当前所有通讯技术与计算机、互联网的结合，物联网技术的核心和关键就是各种物体之间的通讯技术以及各种信息的智能化收集、处理、传递、执行。在物联网中将计算机、物体以及动物相连的通讯方式有哪些呢

一、物联网通讯系统整体架构

为了更好地适应各种不同的应用场景，目前开发和使用了多种物联网通讯技术，也有多种的分类方法，譬如可以分为有线传输、无线传输、近距离传输、远距离传输，工业传输、互联网传输等等。从整个物联网架构上来说，可以根据物联网系统所具备的接口、管理、控制、执行四大功能模块，物联网通讯技术可以分为对应的外围接口层、管理层、调度控制层、作业执行层四个层次。那么物联网系统各个层次的通讯方式各有特点？都有哪些技术？他们又是怎么实现其控制过程的？

根据上面的系统功能和控制层次结构划分，我们可以得到物联网通讯系统模型如下图。

作业执行层是由各种各样的物料、终端和设备等组成的，这是最底层的设备执行层。其中包括堆垛机、输送机、布料机、AGV自动引导小车、机器人、分拣线等各种底层执行设备。调度层和作业执行层、作业执行层和作业执行层之间通过工业物联网通讯技术通讯，其中主要由串口通信、现场总线以及NDC等专用软件实现通讯功能。

在作业执行层之上是实现对设备调度和路径调度的调度控制层，以及实现物料管理和报表管理的管理层，实现与外围MES、ERP等管理系统进行信息交互和通讯的接口层。

调度控制层接收到管理模块产生的作业计划或者人机指令后，根据作业调度策略、路径中各个设备状态、指令执行报告等情况，对作业计划进行分解后产生作业指令，下达给相应的执行设备。

作业控制模块为调度模块中内部控制功能的一部分，在本图中可以清楚地看到调度模块进行作业控制的流程，执行设备根据接收的作业指令和识读的条码信息产生相应的执行动作

同时，这三个功能模块之间通过现场总线、以太网、共享数据库等方式，实时交互。

接口模块是一个可以独立运行的系统，可以实现与上位系统ERP、MES进行信息交互。接口层信息交换的主要内容是系统的基础信息和入出库单据。同时反馈库存实际情况。接口服务采用中间件化的体系结构，实现3种基本功能：

主动获取外部系统中的业务数据，如：物料、人员等基础数据。

主动传送业务数据给外部系统，如入库上架数据、出库下架数据、库存数据等。

外部系统主动传入业务数据：订单等入库单数据、生产计划等出库单数据。

管理模块通过接口功能从MES系统获取生产计划，从ERP系统获取入库单、退库单、提货单、人员信息、物料信息等数据，并根据设定的存取策略（譬如先进先出等）和设备运行、作业执行报告等信息，产生作业计划，下达给调度模块。

物联网管理系统可以基于微软.net平台、等开发，通过数据库服务器、应用服务器、智能客户端实现系统功能。智能客户端实现用户界面和对外观属性的定义。应用服务器实现业务逻辑和对数据的访问控制。

智能客户端为Web层提供一致的访问接口，主要用于Web用户对应用程序的访问。对于输入的数据，进行初步的判断，如在登记密码时，如果两次的密码不一致，则登记不成功，在业务外观类中，设计方法对这类错误进行处理。在智能客户端中不进行涉及到业务规则的错误的判断。

对数据实体的操作和对数据库的控制相结合，这两部分实现了应用层数据的交互。

用户界面作为管理层的一个主要功能，主要实现人机交互、设备监控、子系统监控、路径监控、任务执行监控等功能，系统正常运行不需要配置相关人员维护系统，在出现故障的时候，可以通过监控的提示信息快速完成故障排查。

那么根据这些功能的实现和模块层次的划分，每个模块需要获取哪些数据，又需要输出什么结果呢？各个功能模块之间的信息交互内容都有哪些呢？

接口层通讯方式

接口的方式可以采用接口表、WebService、Remote、DCOM等方式。

接口表方式是用于与使用数据库表交换数据的系统进行集成的选项。此集成选项仅应用于企业服务和发布通道，并始终通过使用JMS队列进行异步处理。接口队列表标识接收系统处理各自接口表中的记录的顺序。有两个队列表，一个用于入站事务，另一个用于出站事务。接收系统必须按照发送系统创建记录的相同顺序处理这些记录。所有入站和出站事务必须有一个插入到相应入站或出站队列表的记录。该记录包含一个TRANSID值，这是用于标识交易数据写入到的接口表的唯一标识。对应接口表使用该TRANSID值标识与交易关联的一个或多个记录。可通过在对应接口表中查找带有给定TRANSID值的所有记录，来标识交易的内容。

WebService是一种跨编程语言和跨操作系统平台的远程调用技术。所谓跨编程语言和跨操作平台，就是说服务端程序采用java编写，客户端程序则可以采用其他编程语言编写，反之亦然！跨操作系统平台则是指服务端程序和客户端程序可以在不同的操作系统上运行。

Remote接口方式用于标识其方法可以从非本地虚拟机上调用的接口。任何远程对象都必须直接或间接实现此接口。只有在“远程接口”（扩展java.rmi.Remote的接口）中指定的这些方法才可远程使用。实现类可以实现任意数量的远程接口，并且可以扩展其他远程实现类。RMI提供一些远程对象实现可以扩展的有用类，这些类便于远程对象创建。

DCOM接口方式称为：分布式组件对象模型，是一系列微软的概念和程序接口，利用这个接口，客户端程序对象能够请求来自网络中另一台计算机上的服务器程序对象。DCOM基于组件对象模型（COM），COM提供了一套允许同一台计算机上的客户端和服务器之间进行通信的接口。它支持不同的两台机器上的组件间的通信，而且不论它们是运行在局域网、广域网、还是Internet上。借助DCOM应用程序将能够任意进行空间分布。

管理层通讯方式

.Net管理功能是所有业务逻辑的处理和用户交互，与设备无关。

Net管理系统的运行是任务驱动的，管理的主服务根据请求信息产生和处理任务。作为以业务为主的后台管理服务，产生任务时只需考虑源和目标点，而不需考虑中间的搬运过程，而所有中间的搬运过程、与设备信息交互均由调度系统完成。

管理层是采用一种称为.NETRemoting的通讯方式，它是一种分布式处理方式。它提供了一种允许对象通过应用程序域与另一对象进行交互的框架。在Windows操作系统中，是将应用程序分离为单独的进程。这个进程形成了应用程序代码和数据周围的一道边界。如果不采用进程间通信（IPC）机制，则在一个进程中执行的代码就不能访问另一进程。这是一种操作系统对应用程序的保护机制。然而在某些情况下，我们需要跨过应用程序域，与另外的应用程序域进行通信，即穿越边界，这时就需要用到Remoting通讯技术。

在Remoting中是通过通道（channel）来实现两个应用程序和域之间对象的通信的。首先，客户端通过Remoting，访问通道以获得服务端对象，再通过代理解析为客户端对象。这就提供一种可能性，即以服务的方式来发布服务器对象。远程对象代码可以运行在服务器上（如服务器激活的对象和客户端激活的对象），然后客户端再通过Remoting连接服务器，获得该服务对象并通过序列化在客户端运行。

在Remoting中，对于要传递的对象，设计者除了需要了解通道的类型和端口号之外，无需再了解数据包的格式。这既保证了客户端和服务器端有关对象的松散耦合，同时也优化了通信的性能。它主要包括：远程对象、信道、格式化程序、格式化程序提供程序、消息接收器等几部分。

调度层的通讯

调度是连接信息管理层和设备控制层的纽带，负责将任务分解到各个运输段，并根据运输段控制器的定义下达相应的控制指令，同时实时采集控制器的信息，根据控制设备的功能定义和指令完成情况转化成物料出入库请求。

调度模块采用了面向对象的方法设计，通过接口插件化模式向下集成控制子系统，这种结构维护和升级改造都方便。每个控制单元是一个单独的线程，系统通过控制总线和各个控制单元进行信息交互，当子控制系统故障时，不会影响整个系统的运行，当子控制系统故障恢复后，系统自动保持连接。

调度模块主要实现对各种执行设备的实时调度、调度服务的人机交互，调度服务内部业务逻辑的实现以及对数据库的访问。它既要访问数据库存取数据，又要对过程进行控制，实现管理主服务和事件服务的业务逻辑。

调度系统与其它系统接口之间用到了不同的通讯协议，从下图中我们可以看到，调度模块一共有4种通讯方式，与PLC的OPC现场总线方式、与管理主服务、事件主服务和调度界面的.NETREMOTING方式，与AGV上位机的TCP/IP方式，与堆垛机的串口通讯方式。

OPC全称是OLEforProcessControl，为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁，OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，以OLE/COM机制作为应用程序的通讯标准。OLE/COM是一种客户/服务器模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。应用程序与OPC服务器之间必须有OPC接口。

串口通信是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。对于串口而言，通信距离可达米。通信使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。

了解每个接口的通讯协议是故障诊断必须了解的基础知识，因为不同的协议将会涉及到不同的诊断方法。譬如：

对于TCP/IP类型的接口，需要关心设备的IP地址

对于OPC类型的接口，需要关心设备的IP地址、SIMATICNET中的配置

对于串口类型的接口，需要关心串口参数的设置

对于.NETREMOTING类型的接口，需要关心设备的IP的地址，正确的配置文件

执行层的通讯

作业执行层面对的是各种各样的设备、物料、计算机、甚至是人、动物等等，因接受信息的对象不同，通讯方式也是各种各样，有蓝牙、wifi、RFID、光纤，甚至手机通讯领域的2G、3G信号等，下面介绍几种典型底层执行设备的通讯方式。

1、穿梭车通讯

调度系统一般不直接与穿梭车通讯，而是通过电控系统PLC通讯，通过调度系统可以监控设备的运行状态和故障信息，并查看和改写输送机携带的信息。

2、AGV自动引导小车通讯

AGV有专门的通讯软件，譬如瑞典公司的NDC、我国沈阳小松机器人公司自主研发的通讯软件等，软件可以实现对AGV进行作业调度、路径规划、充电管理等各种通讯指令的下达和小车状态的获取。

3、分拣控制

在大部分的的底层电气设备控制系统中，一般是采用的PLC现场总线通讯方式，譬如西门子simticNET，通信配置工具为simtic，在配置过程中，需要确认PLC的IP地址、通讯站点等。分拣控制一般有单独的通讯系统，可以独立地实现通讯功能，它通过PLC以现场总线的方式进行通讯。我们可以查询和设置PLC的CPU状态。

4、堆垛机控制

堆垛机通讯有两种方式，一种是串口通信，一种是局域网转串口方式，在与上位调度系统通讯的过程中，一般采用MOXA（摩萨卡），在配置过程中需要确认通讯端口号和通讯速率、校验位等内容。

物联网通讯技术发展趋势

在不久的将来，物联网通讯技术将使各类物体在感应装置的协助下，使物品之间相互关联。信息的传输可以通过云计算平台，分发到各类物件上，令所有的物品联合成一个具备识别、定位、追踪、控制、监管等一系列智能化的网络，这样一个物联网，需要各类信息通信技术的配合，如5G，有线千兆宽带等等的支持。5G的传输速度和传输质量能支持人们在各类感官技术交互体验。更由于5G的无线性质，使用户的使用场所也得以解放。多种网络的共同协助倒推物联网通讯技术的发展，使物联网通讯技术不仅以技术为中心，同时服务于用户的体验，集合了多种网络多类型接入网络的方式，提供了用户前所未有的体验，而物联网互联网的配合，更能极大地满足服务用户。

参考文献

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