工業互聯網數據採集系統共性技術研究

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工業互聯網數據採集系統共性技術研究我國正處於新一輪工業革命的歷史機遇期，工業互聯網作為新型基礎設施建設的重要組成部分，是推動數字經濟與實體經濟深度融合的關鍵路徑。目前國內的工業互聯網平台，如富士康的BEACON、航天雲網的INDICS平台和浪潮推出的浪潮工業互聯網平台等都處於構建布局階段，大部分雲平台應用於一些重點企業和行業，跨領域的應用平台較少。工業互聯網平台作為連接各類應用和海量工業設備的「中間件」，必須要制定一個通用的雲平台，可以匹配多種場景，即「工業互聯網平台要從定製化走向通用化」。進行工業互聯網數據採集系統的設計涉及嵌入式終端的軟硬件設計、信息郵局的雲偵聽軟件及人機交互系統軟件的設計等，具有較高的技術門檻。本項目基於蘇州大學嵌入式人工智能與物聯網團隊長期的技術積累與探索，從技術科學視角，抽取技術共性，以通用嵌入式計算機GEC為基礎，研發出涵蓋90%以上的軟硬件設計工作量的共性模板，以此為基礎，通過「照葫蘆畫瓢」的方法，可使物聯網應用開發節約80%以上時間與成本，俗稱「八分熟」，技術門檻也大大降低，為工業數字化轉型提供創新性技術手段。若能得到有力的推廣應用，將帶來工業數字化轉型的快速變革。

目錄

案例介紹

從技術層面來看，物聯網應用的開發涉及嵌入式終端UE的軟硬件設計、信息郵局MPO的雲偵聽CS-Monitor軟件及人機交互系統HCI軟件的設計，具有較高的技術門檻，主要表現在：

（1）系統綜合度高。涉及傳感器應用設計、微控制器編程、終端UE與上位機的通信、數據庫系統、PC機偵聽程序設計、人機交互系統HCI的軟件設計等過程，是一個涉及多學科領域的高度綜合的系統。

（2）對人才要求高。因為系統綜合度高，帶來了對人才要求高。需要軟硬件協同設計，涉及軟件、硬件及行業領域知識等。

（3）對理論與實踐密切聯繫要求高。在實時性、穩定性等方面要求理論與實踐融會貫通，不斷進行軟硬聯合測試，規範地開發，保證系統的可維護性與可移植性等。

因此，物聯網應用開發具有門檻高、周期長、成本大等特點，這個問題是許多中小型終端產品企業數字化轉型的重要瓶頸之一。大多數具體的物聯網應用開發是針對特定系統而進行，許多終端企業的技術人員往往從「零」做起，對移植與復用重視不足，新項目的大多數工作必須重新開發，做重複的「輪子」，不同開發組之間也難以共用技術積累。通常，系統的設計、開發與維護交由不同的人員負責，由於設計思想不統一，會使人員分工不明確、開發效率不高，給系統的升級與維護工作帶來更多的困難。特別是研發成本較大，研發周期較長，成為數字化轉型的痛點。

在沒有現代郵局系統之前，要把一個物品從居住在南京的一個人手中寄到居住在北京的一個人手中，花費巨大!

現代郵局體系抽取了郵寄系統的共性，建立了各級郵局，大大地降低了個人郵寄成本。

物聯網應用開發涉及的數據採集、傳輸、存儲、人機接口等，涉及技術層次多，若能抽出共性技術，加以標準化，應用開發者在此基礎上進行開發，就可以大大地降低技術難度，減少開發時間和成本。

應該如何做

從技術科學層面，研究抽象物聯網應用系統的技術共性，加以凝練分析，形成可復用、可移植的構件、類、框架。實現整體建模，合理分層，達到軟硬可復用與可移植的目的。

為此，提出物聯網智能系統的應用架構及應用方法，給出軟硬件模板（「葫蘆」），以便使技術人員可以在此模板基礎上，進行特定應用的開發（「照葫蘆畫瓢」）。這個架構抽象物聯網智能系統的共性技術、釐清共性與個性的銜接關係、封裝軟硬件構件、實現軟件分層與復用。以此來有效降低技術門檻、縮短開發周期、降低開發成本、明確人員職責定位、減少重複勞動、提高開發效率。從形式上說，可以把這些內容稱為「中間件」。它不是終端產品，但為終端產品服務，有了它，可以較大地降低技術門檻。

降低難度的理論基礎—共性抽取

以NB-IoT為例，建立技術架構，基本原則是：

遵循人的認識過程由個別到一般，又由一般到個別的哲學原理，從技術科學範疇，以面向應用的視角，抽取NB-IoT應用開發的技術共性，建立起能涵蓋NB-IoT應用開發知識要素的應用架構，為實現快速規範的應用開發提供理論基礎。

從個別到一般，就是要把NB-IoT應用開發所涉及的軟件硬件體系的共性抽象出來，概括好、梳理好，建立與其知識要素相適應的抽象模型，為具體的NB-IoT應用開發提供模板（「葫蘆」），為「照葫蘆畫瓢」提供技術基礎。

從一般到個別，就是要釐清共性與個性的關係，充分利用模板（「葫蘆」），依據「照葫蘆畫瓢」方法，快速實現具體應用的開發。

從技術科學角度，將物聯網應用開發所涉及的基本知識結構抽象為終端UE、信息郵局MPO、人機交互系統HCI三個部分，如圖1所示。

（1）數據上行過程描述

UE要「寄」信息過程（上行過程）：UE有個唯一標識（自身地址，即寄件人地址）；對方地址是個中轉站（這就是收件人地址了），即固定IP地址與端口；MPO把通過安裝在通信鐵塔上基站傳來的「信件」送到固定IP地址與端口這個中轉站；HCI「偵聽」着這個固定IP地址與端口，一旦來「信」，則把「信件」取走。

（2）數據下行過程描述

HCI要「寄」信息給終端UE過程（下行過程）：把標有收件人地址（UE的SIM卡號）「信件」送到固定IP地址與端口，信息郵局MPO會根據收件人地址送到相應的終端。

四、降低難度的實踐基礎—製作UE、CS及HCI標準模板

對於編程者而言，物聯網應用的開發本質是進行終端UE的程序、雲偵聽程序CS-Monitor和Web網頁（或微信小程序、手機APP等）等程序的開發，應用開發架構。

1．降低終端軟硬件開發難度—抽取UE共性技術

降低硬件難度。將硬件設計的顆粒度提高到通用嵌入式計算機（GEC）級別，藉助早期通用計算機概念，GEC硬件內含基本軟件系統（BIOS）提供啟動及程序寫入手段，延申其功能到基礎構件、應用構件、軟件構件，目標是通電後可基本運行，為繼續編程提供基礎。可以融合各種微型傳感器、攝像頭、NB-IoT、WiFi、4G/5G、WSN等，形成面向不同嵌入式人工智能與物聯網應用領域的系列GEC芯片。通過特殊方式，在GEC內動態固化所需構件。

提高UE軟件顆粒度到構件的API級。不再要求寄存器級層次的編程，抽取基礎構件、應用構件、軟件構件知識要素，採樣重定位技術，給出標準構件API的標準調用方法，構件以機器碼形式駐留於GEC內，不在是層層宏定義的SDK級別包，而是清晰可見的API使用說明，RTOS也可以駐留，技術分工更加明確，應用開發難度大大降低。

按照「分門別類，各有歸處」之原則給出工程模板。

為適應不同的應用場景，開發者在「照葫蘆畫瓢」設計自己的終端程序時，首先要確定終端需要具備怎樣的功能，然後對模板工程的某些文件夾內的文件進行修改即可，不用從零開始。

在此User工程模板上進行二次開發，可避免大量的重複勞動，節省約百分之六十的時間，大大減少了編程的工作量。

2．降低通信與存儲編程難度—信息郵局簡化為CS-Monitor標準模板

封裝UE端通信構件UECom與雲端通信類HCICom：

UECom構件是MCU與MPO的溝通橋樑，屬於嵌入式應用層驅動構件，通過UECom構件，可以方便地實現聯網功能。無論哪個型號的通信模組，其對外功能應該是一致的，共性方面主要有初始化、發送與接收。

HCICom類是人機交互系統（HCI）和信息郵局（MPO）間的一個通信接口類，是人機交互系統（HCI）對外溝通的橋樑，其主要功能是建立連接、完成數據的發送和接收。HCICom類與底層UECom構件配合，實現了終端UE的數據與上層HCI之間的數據交互。