PaaS 模式下的工业物联网可视化管理系统的研究与设计

薛凯

（新疆电子研究所股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830013）

物联网是通过传感器采集板卡等硬件装置，使用TCP 协议与服务器通信数据，将设备、物品通过互联网相互连接起来[1-3]。在工业生产中，生产设备往往需要人工检修、维护以及监测设备数据运行状况，这样会产生很多的人工维护成本，并且可能会使相关工作人员暴露在危险作业环境中。为了解决这个问题，工业生产结合物联网模式，通过心跳和实时数据监测的方式进行设备的检修与维护工作，设备的在线运行数据也可以通过数据可视化的形式直观地进行实时展现。工业物联网是物联网发展的一个重要的方向[4-7]，也是实现工业生产数字化的一项可行的解决方案。

进行工业物联网信息化搭建时，不仅需要从第三方厂家购买软件、定义通信协议、设计硬件通信接口，或者从头开始进行软件系统设计和开发工作，还需要采购相关的服务器、网络设备、防火墙及采集设备等硬件。在不同的工业生产环境中，工业物联网所需要在线监测的数据点位也有所不同，厂商需要对不同的平台进行代码开发、员工培训等工作，导致各个平台无法实现共享信息和数据交换，产生了很多开发成本。对于开发者与使用者而言，如何定制高效、快捷、安全的工业物联网可视化管理系统是提高开发效率的有效解决方案。PaaS(Planform as a-Service，提供平台服务)是一种新型的基于用户个性化开发的软件应用模式，开发者可以通过使用PaaS 平台提供的数据接口，快速搭建工业物联网的数据监测、在线巡检、数据大屏可视化、数据通信、云服务器服务及报表等模块，还可以部署与测试系统云应用，降低系统的开发难度和成本，快速高效地搭建工业物联网信息化运作。

1 PaaS的定义

PaaS 平台是在虚拟化云计算平台上建立支持多种业务的应用平台[8-10]，是一种分布式平台服务。PaaS 平台可以基于云计算平台为开发者提供开发接口、计算资源、服务器资源等相关定制服务。用户可以利用PaaS 平台提供的公共服务资源进行平台快速开发测试，实现应用及部署应用软件[11-12]，是一种新型的开发模式。

2 基于PaaS的平台架构设计

2.1 系统架构

在PaaS 模式中，将工业物联网可视化管理系统定位为服务者，建立工业物联网可视化管理PaaS 平台，并负责系统的更新与维护。工业物联网系统相关开发者作为服务的使用者，在不需要购买软件、开发数据库、通信协议协商等情况下，直接在网络上使用平台，快速建立自己的工业物联网可视化管理系统。这种系统没有实体，运算和程序系统搭建都是基于云进行计算和运行的，减少了开发的成本与时间。

工业物联网系统相关开发者不仅可以在PaaS平台上搭建自己的系统应用，还可以通过PaaS 平台提供的程序开发接口，按自己的需求二次开发平台的功能，满足各个工业行业的业务需求。

每一个在PaaS 平台里的工业物联网可视化管理系统都是一个基于云平台的应用，PaaS 平台还可以为开发者提供这个应用的在线状态监控，诸如CPU 使用率、带宽占用量、内存使用量等平台运行信息。并提供压力测试、单元测试等常用测试功能。

工业物联网可视化管理PaaS 平台还提供程序模块接口共享的功能，如果开发者基于平台框架开发出优秀的程序接口插件，可以分享在平台里供所有开发者用户使用，构成一个良性循环。如图1 所示，所有的工业物联网可视化管理系统将构成一个工业物联网应用云。随着接入平台的系统应用数量的增加，整个工业物联网信息化成本将不断降低。

图1 工业物联网应用云

2.2 PaaS服务平台功能设计

平台功能设计分为下列五大服务模块。

2.2.1 管理硬件采集传感器服务

用户可在平台内编辑与新增传感器，提供的默认传感器硬件设计为8 路模拟量输入、6 路数字量输入、2 路数字量输出接口以及30 个扩展接口。用户可以自行设置选择所需要的传感器输出端口，将传感器输出端口与需要监测的工业值进行绑定，设置报警阈值，传感器编号等。设置完成后，平台会根据设置的内容，自动创建传感器采集数据表和相关绑定表。采集到的数据会自动插入到传感器采集数据表中，供平台进行分析。

2.2.2 通信协议自定义服务

平台提供常见的物联网通信协议，如MQTT、ZigBee 等。此外用户可以根据开发需要自定义通信协议格式，通过自定义协议的开发模式，使平台能适应更多的开发硬件设备模块。

2.2.3 可视化数据展示服务

平台提供基于echarts.js 组件封装的可视化控件，为用户提供数据可视化图表展示服务。用户可以通过简单的拖拽操作，将之前配置好的需要监测的工业值作为数据源绑定在图表上，实现可视化无代码式或低代码式操作。用户能快捷方便地搭建数据可视化页面，以完成直观监测和统计数据的功能。

2.2.4 工业物联网基础功能接口相关服务

1）智能巡检服务接口

用户可根据平台提供的心跳协议，快速配置巡检可视化界面，实时监测设备传感器的运行状况，缩短人工实地去巡检的成本。同样，设备心跳包的协议也可以根据用户需求进行定制和修改。

2）在线监测服务接口

用户可以基于传感器采集数据表，通过简单地拖拽和上传设备图标等操作，快速配置出在线监测模块，用户可在页面上看到设备所有需要监测工业值的实时数据，以满足日常的工业数据监测需求。

3）智能报警服务接口

在设置和新增传感器的过程中，加入报警阈值设置模块。平台可根据配置好的报警阈值，返回该设备的工业监测值是否有报警行为、报警内容等信息。开发者可调用智能报警服务接口，及时通知运营者，实现了报警快速响应、快速处理的工业数字化需求。

4）在线维保服务接口

开发者可自行增加在线维保模块，该模块与物联网监测设备绑定在一起。模块内包含一套在线维保流程。管理者发布设备维保任务，维保人员执行维保任务，最后结单填写维保日志。这一套流程可在系统内自定义定制，实现了日常维保数字化的需求。

5）统计报表服务接口

平台基于echart.js 提供多种图表的格式，开发者可以通过拖拽的方式将数据源和图表绑定在一起。同样，开发者可以按照实际需求自定义报表格式，报表也可以通过拖拽的方式和数据源绑定在一起，适合工业生产经常需要的统计报表需求。

6）物联网组态图展示服务接口

平台提供组态图搭建服务接口，用户可在平台上传场景图片，如小区楼栋、变压器刨面图等。再将监测的工业值点位定位在相应位置上，即可完成物联网组态图的搭建。

7）自定义原生界面开发服务接口

在现实开发中，开发者往往需要自定义前端界面，平台提供自定义原生界面开发的接口，并兼容目前主流的前端框架，如VUE、React等，提升开发效率。

2.2.5 云服务器与网络相关功能接口服务

1）云服务器、据库部署服务接口

开发者可以在PaaS 平台申请租用公共资源，如云服务器、数据库、RabbitMQ 等云服务应用。使用这些公共资源服务云部署应用可以得到很好的网络速度和信息安全保障。

2）测试服务接口

平台提供压力测试服务，通过高流量、高并发的测试，使工业物联网可视化管理系统在生产环境中运行地更加顺利。

3）信息安全服务接口

信息安全对于工业物联网是一个重要的模块，平台为开发者提供防火墙租用、云服务器定时巡检、定时检测木马病毒和修补系统漏洞等服务器信息安全服务，并且提供https 加密通信服务，对工业物联网数据安全起到保障作用。

4）程序接口插件开发与共享服务接口

工业物联网基础功能接口可以进行二次开发，开发者也可以基于平台使用框架，结合实际需求，开发自己所需的程序接口。程序接口是插件模式，即插即用，互相独立解耦。开发者还可以通过平台共享自己开发的程序接口插件供其他开发者下载，使平台开发环境得到正向反馈和正向循环。

5）应用运行管理服务接口

开发者可以在PaaS 平台中管理自己的工业物联网可视化管理系统云应用。在应用管理界面，可以看到应用的CPU、内存、带宽使用率、注册人数统计等重要监控信息，方便开发者日常应用管理需求。

3 关键技术

基于PaaS 的工业物联网可视化管理系统实现的关键技术在于服务接口的封装和调用，所以采用基于SOA 架构模式进行设计开发。SOA 是一种松耦合、粗粒度服务架构，是一种面向服务的系统架构[13-14]。如图2 所示，根据该模式的原理，将工业物联网PaaS 平台提供的服务功能进行封装、编译，打包成业务实体类，设计好调用接口相关信息与实体类的映射，并存入用HASH 结构存储的接口信息表中，等待开发者外部接口调用和使用，并将接口调用信息储存在服务管理模块。

图2 SOA架构设计

开发者用户在调用服务接口时，程序会发送Webserver 请求服务调用消息到服务管理模块，拦截器将请求截获后保存在接口信息表中，根据服务的名称、调用规范、功能描述等找到服务对应的接口信息和对应的业务实体类，返回给开发者。开发者再根据接口信息和业务实体类使用服务，这样做将每个服务进行了模块化部署，使平台得到了良好的解耦合和可维护性。

在实际生产环境中，由于工业物联网领域的用户基数大，网络通信频繁，PaaS 平台还面临需要适应和承受高并发大流量的应用场景问题。为了满足这一需求，在开发者到服务管理模块的逻辑通信链路中，增加消息队列机制[15-16]。消息队列的作用是将每一个PaaS 模式下的物联网管理平台应用的通信数据包相互逻辑隔离，防止出现网络冲突、丢包或者包内容受到干扰的问题，导致工业设备监测无法正常使用。

其次服务管理模块以微服务的形式分布式部署[17-18]。使平台达到负载均衡，具有处理高并发开发者请求接口调用信息的能力，并且以微服务模块部署提高了平台的鲁棒性和可维护性。

4 使用反馈

该平台已上线，尚处于试运行阶段，已在水利系统、变压器监测、机房动环监测等多个工业物联网领域拥有应用开发服务和部署使用。开发者用户反馈该平台开发工业物联网系统类应用效率快、时间周期短、数据可视化效果成熟，能适应大流量访问，受到业内好评。PaaS 模式为工业物联网类应用开发提供了可靠、稳定、开发效率提升的服务。

5 结束语

PaaS 模式提供了一种开发者可以共享自己程序接口给他人的开发环境模式，这种模式会存在一部分安全隐患。可能会有黑客攻击者上传带有病毒或者木马的物联网应用程序插件，下载使用的开发者用户的信息安全、数据安全、网络安全将会受到影响。

其次，PaaS 模式为工业物联网可视化管理平台的开发与搭建提供了很多规范化与自定义、可定制化开发的功能。在系统设计方面，研究如何更好地方便开发者的可定制方案尤为重要。同样还需要保持功能模块自定义与模块功能结构符合规范之间的平衡关系。

在未来的工作中，首先会加强安全方面的考虑，增加对开发者用户共享的程序接口插件的审查功能。定义审查规章机制，研究能识别出恶意代码的算法和人工智能，并且能实时监测PaaS 应用容器内的流量变化情况[19]，第一时间发现恶意应用程序，保护开发者用户的信息安全。其次，通过大量的调研以及寻访工作，研究和考察在工业物联网领域中，如何设计通信协议、在线维保流程节点等可自定义模块，更符合开发者需求。

通过该系统的架构设计与开发，发现在类似于工业物联网这种多模块相互协作、协调的系统结构内使用PaaS 模式进行应用搭建和系统开发，能够提高开发效率、缩短开发成本。在未来的工作里会研究和设计出更好的方案，使得PaaS 模式与工业物联网相关系统结合地更加紧密。

该文将PaaS 模式和工业物联网系统运行模式相结合，使功能模块定制服务化，该模式的高内聚低耦合性和可维护性，减少了工业物联网系统开发和部署的成本和时间。同时加入消息队列机制、微服务负载均衡功能，保障其在生产环境中的正常运行。PaaS 模式为推动工业物联网数字信息化建设提供了一套有前景的可行性方案。