文献标识码：B文章编号：1003-0492（2024）04-066-06中图分类号：TP29

★陈淑芳，张人杰，聂佳（上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海200063）

关键词：异构设备；智能网关；自适应接入

随着物联网、云计算、大数据等技术的快速发展，接入物联网的终端设备中存在大量的异构设备，这些设备支持不同的协议和标准，同时具有不同的特性和要求^[1]，给设备的接入和管理带来了很大的挑战。

因此，针对复杂工业场景下通信协议复杂、泛在接入难、自动化和智能化管控能力不足的问题，本文研究构建了实时性、同步性要求高的异构工业终端设备的协议自适应接入方法，旨在解决各种不同设备、不同协议、不同数据格式之间的互联与集成，实现工业现场异构设备的自适应接入、协议互通和统一化管理^[2]，实现工业物联网边缘侧强实时高同步的数据交换与通信。

1　方案研究

面向智能制造中高实时工控设备网中异构设备多协议自适应接入的需求，本文融合工业4.0中资产管理壳的思想，利用软件定义网络，通过接入层的智能网关实现工业现场异构设备的多协议自适应接入，将边缘侧的边缘计算、机理模型等有机结合，实现工业物联网边缘侧强实时高同步的数据交换与通信，进一步实现了边缘侧资源调度与决策。

1.1　系统总体架构

系统采用边缘计算场景下“云-边-端”三层体系异构终端接入机制，支持海量终端的自适应接入^[3]。系统架构图如图1所示。

图1 异构设备自适应接入系统架构

1.2　智能网关

在工业自动化领域，通过研究工业互联网异构融合过程中广域与局域、无线与有线等端到端传输的多模态协同机理，构建具备异构设备多协议融合与统一的智能网关，高效处理不同接入方式下的自动实时感知与行为解析^[4]，并通过设备管理壳与通信管理壳技术，构建数字化标识，从而实现边缘侧多协议设备的自动化接入。基于智能网关的异构设备自适应接入框图如图2所示。

图2 基于智能网关的异构设备自适应接入框图

设计通用化设备管理壳，包括设备库管理与设备管理，构建边缘侧异构设备的数字化标识，自动适配现场总线协议簇、工业以太网协议簇、OPC协议簇等，实现多协议自适应接入。设备管理壳主要负责设备的接入、配置、状态监控及管理工作，通过与设备的通信，获取设备的状态、数据等信息，并将这些信息处理成统一的格式，供通信管理壳使用。

设计通用化通信管理壳，包括通信模型、通信配置以及SDN网络管理，负责网络通信的管理工作，识别和解析不同协议的网络数据，并将数据封装成统一的格式，进行转发和传输。SDN网络管理主要用于实现网络资源的灵活管理和调度、提高网络整体效率和安全性、保证网络通信的稳定性和可靠性^[5]。

2　自适应接入方法

异构工业设备自适应接入技术是一种实现不同类型和型号的工业设备之间互联互通的解决方案，旨在提高设备的兼容性和互操作性、促进设备之间的信息共享和协同工作。需要解决的问题包括设备的识别、标准协议之间的相互转换、非标准协议的解析，以及数据格式的统一。因此自适应接入的关键技术如下所述。

2.1　设备库构建

在平台端建立一个庞大的设备库，包括设备特征库和设备通信库。录入数据包括设备厂家和设备厂家下的各种设备型号，针对每种设备型号的通信协议、特征报文、参数模板等，每种参数模板下涉及的采集报文，每个报文下的采集项名称及数据格式等。通过设备特征库进行设备的识别，通过设备通信库进行设备的采集。

在云端建立统一的设备库，可对照图3所示设备库框图，将设备库配置分成三个层次，一是设备厂家库，二是设备厂家下的设备型号库，三是设备型号下的采集点信息库。同时，根据现场业务场景，可形成相对应的采集参数模板。

图3 设备库框图

2.2　接口适配

异构设备的多样性主要包括以下方面：

（1）从设备多样性上，按照设备能力的不同，设备种类分PLC、机器人、数控机床、电机、传感器、控制系统、阀门、HMI面板等，按照业务场景的不同，可选择设备直连和设备非直连的接入方式。设备直连通过以太网、现场总线等有线方式接入，设备非直连通过Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等网络模块接入。

（2）从接口的多样性上，数据传输接口繁多，不同种类的设备有不同的硬件接口，同一种类的设备也有不同的接口，包括RS232、RS485、CAN、RJ45等。

（3）从通讯协议的多样性上，包括近距离通信、长距离蜂窝通信、有线通信等。近距离通信主要有针对NFC、RFID、Bluetooth等接口的协议，远距离蜂窝通信主要有针对3G/4G/5G、NBIoT等接口的协议，有线通信主要有针对RS232、RS485、CAN、RJ45等接口的协议^[6]。

因此，针对不同种类的设备、不同种类的接口、不同种类的协议，需要开发相应的硬件接口适配，以实现设备的互联互通。

接口适配可以采用面向接口编程的思想，定义一种通用数据格式和协议，并将专有通信协议转换为标准协议。通过使用通用的接口和协议，不同类型的设备可以使用同一种协议和数据格式与不同的网关和系统进行交互。

2.3　设备识别

按照设备接口的多样性以及协议的多样性，对设备的识别也采用多种方式。对一些无法改造的旧设备，可通过设备库的方式进行识别；对一些智能设备，可通过SDN的网络管理进行设备发现和信息收集。

（1）设备库识别

云端设备库构建后，可根据现场应用情况下发设备库到智能网关，智能网关根据设备库中设备类型、特征报文、通信协议等信息，按照协议特征+设备寻址的方式逐个设备扫描，从而识别设备协议及设备类型；识别到设备后，形成在线设备列表。

（2）SDN网络管理识别

SDN网络管理通过自动识别网络中的拓扑结构和设备信息，并将其存储在拓扑数据库中，包括设备配置、链路状态、流量控制等。通过在智能网关里部署SDN控制器及其相应的模块，使用基于OpenFlow协议的消息与网络中的多协议设备进行交互^[7]，发现并收集设备的类型、位置、支持的协议等信息；在设备发现与信息收集的基础上，使用抽象模型对多种协议和设备的行为进行统一的描述和建模。最后可根据抽象和建模的结果，制定相应的控制策略，同时通过实时监控网络流量的状态和设备的运行情况，对控制策略进行优化和调整，以实现网络的最佳性能和可靠性。

2.4　协议转换

协议转换主要通过软件算法来解析和管理不同设备的协议。智能网关识别到设备列表后，根据设备协议类型，使用相应的协议解析算法来读取和解析设备的数据[8]。将不同设备的通信协议转换成统一的协议，不同设备的数据格式转换成统一的格式，以便于设备之间的信息交互及数据的共享和集成。

设备管理壳通过使用不同的通信协议及格式，例如DLT645、Modbus、MQTT等，实现多种协议之间的转换，也可以将不同协议的数据格式进行适配。例如，将DLT645协议的电表数据转换为Modbus协议的电表数据。

2.5　设备通信

云端根据识别到的设备列表，可对每个设备进行通信配置，根据设备通信库中配置的多个参数模板信息，选择跟现场要求匹配的参数模板，下载到智能网关；智能网关根据通信配置相关信息实现异构设备的数采功能，最终将采集到的数据按照统一的通信协议和数据格式上传到云端进行显示和分析。

3　试验验证

本文基于上述方法，在本地实验室搭建了测试环境，对其可行性进行验证。

参考工业互联网“云-边-端”和通信网络架构体系，本文构建的试验验证系统的架构如图4所示。

图4 试验验证系统架构

参与验证的设备种类分以太网设备和现场总线设备，包括PLC控制器、电表、多功能仪表、传感器、注塑机；设备接口包括485、CAN、以太网；协议包括Modbus、Profibus-DP、CANopen、ModbusTCP、MQTT等。

具体步骤如下：

（1）在云端建立设备库，将设备的通信协议、基本功能和配置存放于设备特征库中，下载到智能网关；

（2）在智能网关中，通过地址+特征库的方式进行扫描，实现设备识别；

（3）识别到设备后，形成云端在线设备列表，配置设备通信库，开启数采功能；

（4）采集到数据后，转换成统一的数据格式，按照统一的通信协议上传到云端进行显示和分析。

在平台页面查看到的现场总线端的页面如图5、图6所示。

图5 现场总线端设备识别设备显示

图6 现场总线端设备数据显示

在平台页面查看到的以太网端的页面如图7、图8所示。

图7 以太网端识别设备显示

图8 以太网端设备数据显示

上述多协议自适应接入测试在实验室进行了初步验证，测试结果表明，该方法可以成功地发现并识别各种设备及协议，实现了数据的上传下达。

4　结束语

异构工业设备自适应接入技术是实现工业4.0、智能制造等应用场景中设备连接和协同工作的重要技术手段。本文提出的这种异构设备多协议自适应接入的方法，通过实验验证表明该方法能够实现对多种协议和设备的统一管理和控制，能够有效提高网络的性能和可靠性，具有高灵活性和可扩展性，为未来网络的发展提供了新的思路和方向，对于促进工业设备的互联互通和智能制造的发展具有重要意义。

作者简介：

陈淑芳（1984-），女，江西宜春人，工程师，硕士，现就职于上海电器科学研究所（集团）有限公司，主要从事工业自动化及嵌入式应用方面的研究。

张人杰（1992-），男，湖南常德人，工程师，硕士，现就职于上海电器科学研究所（集团）有限公司，主要从事工业控制及通信方面的研究。

聂　佳（1981-），女，湖北武汉人，高级工程师，硕士，现就职于上海电器科学研究所（集团）有限公司，主要从事工业控制及通信方面的研究。

参考文献：

[1] 黎明, 张云, 关大力, 等. 数字化车间异构设备数据源集成关键技术研究与应用[J]. 航空制造技术, 2022, 65 (7) : 38 – 43.

[2] 黄勇光, 黄兵. 基于数据融合的海量物联设备接入协议自适应转换系统[J]. 电子设计工程, 2023, 32 (10) : 64 - 68.

[3] 应俊, 蔡月明, 刘明祥, 等. 适用于配电物联网的低压智能终端自适应接入方法[J]. 电力系统自动化, 2020, 44 (2) : 22 - 27.

[4] 袁博. 面向软件定义的智能物联网网关的研究与设计[D]. 杭州: 杭州电子科技大学, 2020.

[5] 辛荣寰, 陈礼波, 曹童杰. 基于软件定义网络架构的多接入边缘计算+工业互联网策略研究[J]. 邮电设计技术, 2021 (6) : 73 - 77.

[6] 王艳. 物联网网关异构协议中间件关键技术研究[D]. 深圳: 深圳大学, 2016.

[7] 侯明星, 亓慧. 基于SDN的异构型物联网安全解决方案研究[J]. 智能处理与应用, 2017 (12) : 38 - 40.

[8] 陈俊峰. 物联网异构设备接入协议解析与特征识别的研究与实现[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2020.

摘自《自动化博览》2024年4月刊