第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
随着工业自动化推进和生产规模扩大，工业生产过程逐渐综合，需要监测设备种类和设备数量越来越多，数据参数也变得越来越复杂[1]。工业系统需要依据不同的生产需求，将布置在工业现场的众多种类不同的传感器设备和工业设备通过网络的方式连接起来，形成一个数据相互传输的网络[2]。这对整个工业系统设备的兼容性、数据采集的实时性和数据传输安全性都提出了很高的要求[3]。
由于信息技术的发展，物联网是指通过获取传感器设备中某个指标状态信息，将此信息与互联网进行连接形成的新型网络。我们可以通过该网络对目标设备进行数据实时采集或者控制[4]。物联网实际上最简单的理解，就是在网上设备与设备相互之间可以进行共享数据信息。
在 2006 年，美国的谷歌第一次推出来“云计算”的概念[5]。云计算也是下一代的信息产业技术的关键与核心。云计算、物联网技术以及互联网技术等新一代信息技术，它们一起推动着传统工业与互联网结合，推动传统企业和互联网企业之间工业的交互[6]。云计算可以对大量数据进行储存和处理，而且还具有虚拟、高效和低廉等特点，它改变了软件和硬件的传统访问方式，给用户提供了很好的服务和计算资源[7]。
由于物联网技术和云计算技术的应用范围广泛，我们可以结合两者之间的优点，充分的发挥二者优势，形成基于物联网工业云平台系统。通过物联网技术设计出物联网关，其功能是实时采集传感器设备或者工业设备数据，还可以通过云平台实现传输网络的作用，可以对采集到数据进行云计算，在短时间里对数据进行实时处理。云平台系统对数据的进行分析处理，针对不同的数据采用不同的存储方式，当数据异常的推送报警信息。整个系统方便 Web 用户端和移动用户端对传感器设备或者工业设备进行数据监测，还可以对传感器设备或者工业设备进行远程控制。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 物联网技术国内研究现状
2009 年 8 月的无锡会议上，我们总理提出了“感知中国”的概念和设立了“感知中国”中心[8]。因此我国对物联网技术的研究进入了热潮[9]，工信部也将物联网技术作为中国信息产业发展的重点。在 2015 年之前，从我国的产业结构和生产规模上来看，物联网技术产业发展依然是处于初级阶段。经过我国大量专家学者的不懈奋斗和努力研究，在 2015 年末，中国物联网技术产业发展至 75000 亿级规模，可能在2020 年末，发展至万亿级的规模[10]。2017 年 6 月，国际提出了物联网标准，大部分产业成为物联网技术作为产业重心。因为中国制造的 2025 战略的发展和 5G 的到来，产业和互联网将进一步结合 ，使得物联网应用领域不断扩张。
近年来，在物联网博览会上阿里、华为和三大运营商等多家企业，都提出了应用了物联网技术的产品与智慧城市融合的方案，还将物联网技术视为新的发展目标。经过长期的积累，中国的物联网技术发展现阶段位于世界水平前列，物联网技术的行业应用也在逐渐扩张，在城市交通、农业和物流等各各领域，市场规模己达到数百亿[11]。
1.2.2 物联网技术国外研究现状
1999 年，在美国在国际会议上提出了“物联网”的概念。把物体通过传感器接入互联网当中，实现物体之间信息可以在网络中实时共享[12]。2005 年，国际电信联盟在信息社会的峰会上，重新推出了“物联网”的概念，说明“物联网”时代即将到来，所有物体都可以通过互联网进行数据交换。嵌入式等技术都朝向物联网技术发展，而且获得了广泛的应用[13]。2009 年的美国的 IBM 公司推出了“智慧地球”的概念，实际就是将传感器安装到需要检测和控制的物体上面，然后使用的云计算技术，实现对整个网络物体进行定位以及管理工作。使人类可以动态的管理和实时控制产业的生产过程，从而达到“智慧”的效果[14]。
欧盟智能系统集成技术平台中预测。未来的物联网技术发展要经历四个时间段。从射频技术应用、实物互联、半智能化、全智能化[15]。
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第二章 工业云平台系统的总体架构
2.1 系统总体设计需求及架构
2.1.1 统总体需求分析
由于目前工业生产规模不断扩大，工业生产划分为不同的区域，工业管理员工需要实时掌握工业设备数据和工业现场运行状态，使得管理难度增加。由于工业设备多样性，工业生产区域性，使得对工业整体统一监控管理受到一定的制约。对于传统工业的监控系统，广泛采用的是有线形式，导致整个系统局限性，工业人员只能通过现场看管或者现场安装计算机进行监控。人员现场看管，由于工业生产设备众多，分布广泛等特点，耗费大量的生产人员，也需要消耗大量的体力，传统的工业监控系统，人力和时间浪费，还会导致工业设备之间数据不能很好实时的共享，导致浪费资源的现象，增加了生产成本。传统的工业监控方式故障预防性差，当设备发送故障时不能及时处理，而且没有预防故障发生的方法，只有当出现设备故障，才知道问题所在，造成了设备损失耗费大量的资金。
工业云平台系统可以很好就解决以上需求。工业云平台系统通过物联网关把需要被监控的设备连接到云服务器，把采集的设备数据发送至云服务器，云服务器把接收到的设备数据存储至数据库，同时把接收到通信协议点的数值，与报警策略表进行对比分析，如果出现数据异常，云服务器将会向用户推送报警信息，用户根据报警级别做出相应处理。用户可以通过 Web 端和移动终端实时查看工业设备数据和设备状态等，用户权限级别高的，还可以远程对工业设备进行远程控制。这样用户就可以轻松掌握工业运营状态。
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2.2 云服务器设计方案
工业云平台系统云服务器架构组成，包含有负载均衡、MQTT 消息代理服务器集群、后端管理系统、Redis 数据库和 MySQL 数据库。
如下图所示：
图 2-2 云服务器组成图
负载均衡集群主要处理大量用户访问数量的问题。在系统里的最关键的问题就是负载均衡技术[23][24]。由于目前 Internet 的发展，大量用户访问同一个站点的现象使得整个网络负荷加重。为了解决高负荷的网络问题和提高整体系统的性能，我们可以在多个节点之间，通过分发任务的形式进行处理。负载均衡技术是收集各个节点的性能和相关参数，然后将任务进行适当的调度与分发。使用低成本高效率的方式，增强集群系统的服务整体性能。把用户端的连接请求，通过策略方式均匀分配至系统中的与之相对应的节点上。目前主要负载均衡方法可以在软件方面，也可以硬件方面。
软件负载均衡相对缺点很多，由于软件的装载运行会造成资源浪费，对于性能很高的模块，对资源浪费越严重，当访问请求量比较多的时候，软件的性能是服务器能否正常工作的关键点。软件的可扩展性会受到一些操作系统的限制。而且系统会存在漏洞，将会导致安全性能差。硬件负载均衡。是通过硬件工具实现的。是安装在服务器之外。硬件设备位于在操作系统之外，可以提升系统总体性能，具备多样策略和智能流量管理，使得负载均衡性能达到最好。
本系统采用的硬件负载均衡是 F5 BIG-IP 设备。BIG-IP 系列使用用户量多和使用范围广泛，它主要的强大的功能是基于 Web 管理界面和能够处理 SSL 证书。F5 除了具备硬件负载均衡的特点之外，具备的优势是可以广域网进行优化管理器、拥有加密通道、拥有广域网的传输速度和能够优化传输道路。
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第三章 物联网关硬件功能模块及环境搭建............................................26
3.1 物联网关核心主板模块及操作系统...........................................26
3.1.1 物联网关核心主板模块................................. 26
3.1.2 物联网关操作系统...................................26
第四章 物联网关软件功能模块与实现..................................... 39
4.1 物联网关软件总体架构...............................................39
4.2 物联网关软件总体工作流程........................................ 40
4.3 基于 Modbus RTU/TCP 协议底层数据采集模块.......................................41
第五章 工业云平台测试与分析................................................59
5.1 物联网关数据采集和控制仿真测试与分析................................ 59
5.1.1 mqttfx 基本功能介绍.............................................60
5.1.2Modbus Slave 基本功能介绍.................................62
第五章 工业云平台测试与分析
5.1 物联网关数据采集和控制仿真测试与分析
使用 mqttfx 和 Modbus Slave 这两个仿真软件，为了可以直观的感受数据的采集和控制功能。使用 mqttfx 模拟 Web 端或则移动手机端对工业设备数据进行接收和发送。因为在实际当中用户发送至服务器的数据，和我们在 mqttfx 软件发送的数据是一样的，只是方便我们直观的查看。后者 Modbus Slave 来模拟工业设备数据，在里面设备协议地址表示要采集的设备采集或控制通信协议点。
例如需要采集中央空调的湿度、温度和压力这三个通信协议点。我们需要在Modbus Slave 软件中设置三个协议地址，如上文所说通信协议点的最高位为表示Modbus 的功能码类型。“4”代表物联网关的数据采集功能，“5”代表物联网关的数据控制功能。详细测试过程如下。
图 5-1 仿真系统测试组成图
总结与展望
总结
随着信息技术的发展，传统行业使用逐渐与互联网技术相结合向着智能工业发展。本文基于“工业 4．0”的设计构思，结合物联网、云平台、工业设备及移动终端设备，在了解国内外物联网工业云平台系统系统研究现状的前提下，对基于物联网工业云平台系统进行了设计与开发。
（1）查阅了大量的文献，分析物联网技术、云平台发展现状，本文搭建一个工业云平台。介绍了云服务器组成部分，对云服务器进行了优化处理。优化了订阅树机制采用哈希表的发布/订阅关系维护算法，优化了数据存储方式，结合了 MQTT 发布/订阅模式与 Redis 和 MySQL 两种数据库组合的数据存储体系。
（2）根据客户端需求设计相关功能模块主要有数据监控模块、预警告警模块、远程控制模块和系统更新等功能模块。
（3）分析物联网关要实现的功能模块，对物联网关主要芯片进行了选择，最总设计出一套完成的物联网关。并且完成了物联网关环境搭建，移植 linux 系统和 4G 模块。
（4）深入了解 Modbus 协议和 MQTT 协议，设计一种 Modbus 协议和 MQTT 协议融合物联网关软件，从总体上提升工业云平台系统实时性。利用了 CGI 相关技术和Web 完成了物联网关初始化配置。
参考文献（略）