工业互联网数据采集系统共性技术研究

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工业互联网数据采集系统共性技术研究我国正处于新一轮工业革命的历史机遇期，工业互联网作为新型基础设施建设的重要组成部分，是推动数字经济与实体经济深度融合的关键路径。目前国内的工业互联网平台，如富士康的BEACON、航天云网的INDICS平台和浪潮推出的浪潮工业互联网平台等都处于构建布局阶段，大部分云平台应用于一些重点企业和行业，跨领域的应用平台较少。工业互联网平台作为连接各类应用和海量工业设备的“中间件”，必须要制定一个通用的云平台，可以匹配多种场景，即“工业互联网平台要从定制化走向通用化”。进行工业互联网数据采集系统的设计涉及嵌入式终端的软硬件设计、信息邮局的云侦听软件及人机交互系统软件的设计等，具有较高的技术门槛。本项目基于苏州大学嵌入式人工智能与物联网团队长期的技术积累与探索，从技术科学视角，抽取技术共性，以通用嵌入式计算机GEC为基础，研发出涵盖90%以上的软硬件设计工作量的共性模板，以此为基础，通过“照葫芦画瓢”的方法，可使物联网应用开发节约80%以上时间与成本，俗称“八分熟”，技术门槛也大大降低，为工业数字化转型提供创新性技术手段。若能得到有力的推广应用，将带来工业数字化转型的快速变革。

目录

案例介绍

从技术层面来看，物联网应用的开发涉及嵌入式终端UE的软硬件设计、信息邮局MPO的云侦听CS-Monitor软件及人机交互系统HCI软件的设计，具有较高的技术门槛，主要表现在：

（1）系统综合度高。涉及传感器应用设计、微控制器编程、终端UE与上位机的通信、数据库系统、PC机侦听程序设计、人机交互系统HCI的软件设计等过程，是一个涉及多学科领域的高度综合的系统。

（2）对人才要求高。因为系统综合度高，带来了对人才要求高。需要软硬件协同设计，涉及软件、硬件及行业领域知识等。

（3）对理论与实践密切联系要求高。在实时性、稳定性等方面要求理论与实践融会贯通，不断进行软硬联合测试，规范地开发，保证系统的可维护性与可移植性等。

因此，物联网应用开发具有门槛高、周期长、成本大等特点，这个问题是许多中小型终端产品企业数字化转型的重要瓶颈之一。大多数具体的物联网应用开发是针对特定系统而进行，许多终端企业的技术人员往往从“零”做起，对移植与复用重视不足，新项目的大多数工作必须重新开发，做重复的“轮子”，不同开发组之间也难以共用技术积累。通常，系统的设计、开发与维护交由不同的人员负责，由于设计思想不统一，会使人员分工不明确、开发效率不高，给系统的升级与维护工作带来更多的困难。特别是研发成本较大，研发周期较长，成为数字化转型的痛点。

在没有现代邮局系统之前，要把一个物品从居住在南京的一个人手中寄到居住在北京的一个人手中，花费巨大!

现代邮局体系抽取了邮寄系统的共性，建立了各级邮局，大大地降低了个人邮寄成本。

物联网应用开发涉及的数据采集、传输、存储、人机接口等，涉及技术层次多，若能抽出共性技术，加以标准化，应用开发者在此基础上进行开发，就可以大大地降低技术难度，减少开发时间和成本。

应该如何做

从技术科学层面，研究抽象物联网应用系统的技术共性，加以凝练分析，形成可复用、可移植的构件、类、框架。实现整体建模，合理分层，达到软硬可复用与可移植的目的。

为此，提出物联网智能系统的应用架构及应用方法，给出软硬件模板（“葫芦”），以便使技术人员可以在此模板基础上，进行特定应用的开发（“照葫芦画瓢”）。这个架构抽象物联网智能系统的共性技术、厘清共性与个性的衔接关系、封装软硬件构件、实现软件分层与复用。以此来有效降低技术门槛、缩短开发周期、降低开发成本、明确人员职责定位、减少重复劳动、提高开发效率。从形式上说，可以把这些内容称为“中间件”。它不是终端产品，但为终端产品服务，有了它，可以较大地降低技术门槛。

降低难度的理论基础—共性抽取

以NB-IoT为例，建立技术架构，基本原则是：

遵循人的认识过程由个别到一般，又由一般到个别的哲学原理，从技术科学范畴，以面向应用的视角，抽取NB-IoT应用开发的技术共性，建立起能涵盖NB-IoT应用开发知识要素的应用架构，为实现快速规范的应用开发提供理论基础。

从个别到一般，就是要把NB-IoT应用开发所涉及的软件硬件体系的共性抽象出来，概括好、梳理好，建立与其知识要素相适应的抽象模型，为具体的NB-IoT应用开发提供模板（“葫芦”），为“照葫芦画瓢”提供技术基础。

从一般到个别，就是要厘清共性与个性的关系，充分利用模板（“葫芦”），依据“照葫芦画瓢”方法，快速实现具体应用的开发。

从技术科学角度，将物联网应用开发所涉及的基本知识结构抽象为终端UE、信息邮局MPO、人机交互系统HCI三个部分，如图1所示。

（1）数据上行过程描述

UE要“寄”信息过程（上行过程）：UE有个唯一标识（自身地址，即寄件人地址）；对方地址是个中转站（这就是收件人地址了），即固定IP地址与端口；MPO把通过安装在通信铁塔上基站传来的“信件”送到固定IP地址与端口这个中转站；HCI“侦听”着这个固定IP地址与端口，一旦来“信”，则把“信件”取走。

（2）数据下行过程描述

HCI要“寄”信息给终端UE过程（下行过程）：把标有收件人地址（UE的SIM卡号）“信件”送到固定IP地址与端口，信息邮局MPO会根据收件人地址送到相应的终端。

四、降低难度的实践基础—制作UE、CS及HCI标准模板

对于编程者而言，物联网应用的开发本质是进行终端UE的程序、云侦听程序CS-Monitor和Web网页（或微信小程序、手机APP等）等程序的开发，应用开发架构。

1．降低终端软硬件开发难度—抽取UE共性技术

降低硬件难度。将硬件设计的颗粒度提高到通用嵌入式计算机（GEC）级别，借助早期通用计算机概念，GEC硬件内含基本软件系统（BIOS）提供启动及程序写入手段，延申其功能到基础构件、应用构件、软件构件，目标是通电后可基本运行，为继续编程提供基础。可以融合各种微型传感器、摄像头、NB-IoT、WiFi、4G/5G、WSN等，形成面向不同嵌入式人工智能与物联网应用领域的系列GEC芯片。通过特殊方式，在GEC内动态固化所需构件。

提高UE软件颗粒度到构件的API级。不再要求寄存器级层次的编程，抽取基础构件、应用构件、软件构件知识要素，采样重定位技术，给出标准构件API的标准调用方法，构件以机器码形式驻留于GEC内，不在是层层宏定义的SDK级别包，而是清晰可见的API使用说明，RTOS也可以驻留，技术分工更加明确，应用开发难度大大降低。

按照“分门别类，各有归处”之原则给出工程模板。

为适应不同的应用场景，开发者在“照葫芦画瓢”设计自己的终端程序时，首先要确定终端需要具备怎样的功能，然后对模板工程的某些文件夹内的文件进行修改即可，不用从零开始。

在此User工程模板上进行二次开发，可避免大量的重复劳动，节省约百分之六十的时间，大大减少了编程的工作量。

2．降低通信与存储编程难度—信息邮局简化为CS-Monitor标准模板

封装UE端通信构件UECom与云端通信类HCICom：

UECom构件是MCU与MPO的沟通桥梁，属于嵌入式应用层驱动构件，通过UECom构件，可以方便地实现联网功能。无论哪个型号的通信模组，其对外功能应该是一致的，共性方面主要有初始化、发送与接收。

HCICom类是人机交互系统（HCI）和信息邮局（MPO）间的一个通信接口类，是人机交互系统（HCI）对外沟通的桥梁，其主要功能是建立连接、完成数据的发送和接收。HCICom类与底层UECom构件配合，实现了终端UE的数据与上层HCI之间的数据交互。