摘" 要：随着物联网技术的迅猛发展，人们对高效、安全、实时物联应用架构的需求日益迫切。为此，文章设计并实现一种创新的物联应用架构，即基于边缘代理的“端—边—云—用”体系结构。通过设备端、边缘物联代理、物联管理云平台和业务应用的有机组合，实现了数据在不同层级的处理，提高了系统的整体性能和安全性。这一架构将为物联应用提供更强大的数据处理和应用能力，支持各种物联设备的接入和应用场景的发展。在实际应用中，这一架构将为构建更加智能高效的物联应用提供有力的支持，助力物联网技术持续演进，为各行各业带来更广阔的发展前景。
关键词：物联网；边缘代理；物联管理平台；物联应用
中图分类号：TP311" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）11-0176-06
Design and Implementation of IoT Application Architecture Based on Edge Agent
HE Rui， XIN Weidong， ZHANG Bo， LI Ruixi
（Beijing North-Star Technology Development Co.， Ltd.，" Wuhan" 100044， China）
Abstract： With the rapid development of IoT technology， peoples demand for efficient， secure， and real-time IoT application architectures is becoming increasingly urgent. For this purpose， it designs and implements an innovative IoT application architecture， which is an“End-Edge-Cloud-Application”architecture based on edge agents. Through the organic combination of device side， edge IoT agents， IoT management cloud platforms， and business applications， data processing at different levels has been achieved， the overall performance and security of the system is improved. This architecture will provide stronger data processing and application capabilities for IoT applications， supporting the access of various IoT devices and the development of application scenarios. In practical application， this architecture will provide strong support for building more intelligent and efficient IoT applications， assist in the continuous evolution of IoT technology， and bring broader development prospects to various industries.
Keywords： IoT; edge agent; IoT management platform; IoT application
0" 引" 言
在如今的数字时代，物联网（IoT）的迅速发展为我们的生活和工作带来了巨大的变革。物联设备的普及与应用，使我们能够实时监测和控制各种事物，从智能家居到工业生产，再到城市基础设施，无一不受到物联网技术的深刻影响[1，2]。然而，随着物联设备数量的急剧增长，传统云计算模式在处理大规模数据时显现出一定的弊端，特别是在面对实时性要求较高的应用场景时更为明显[3-5]。这一问题的凸显使得我们必须重新审视物联网的管理与应对策略。
为应对这些挑战，本文深入探讨一种创新的物联应用架构，即基于边缘代理的“端—边—云—用”体系结构。这一架构通过将数据处理能力推向设备端和边缘[6，7]并充分运用云端资源，实现了更为高效、安全、智能的物联应用[8-10]。本文将深入探究端侧数据采集、边云数据交互和云端存储与应用等领域，为实际应用提供技术支持，使基于边缘代理的物联应用架构更好地满足不断发展的需求。
1" 物联应用架构设计
考虑到应用过程中各环节需求不同，感知终端类型、数据传输协议存在多样性等特点，本文构建了“端—边—云—用”物联应用架构体系，实现了将现场感知设备数据采集到应用层数据应用的管理架构模式，有效应对物联设备大规模连接和高效数据处理的挑战。以设备端、边缘物联代理、物联管理云平台和业务应用为主要组成部分，实现了端到端的智能物联服务。整体应用架构如图1所示。
1.1" 设备端
“端”指感知设备终端，设备端是整个物联应用的起点，包括各类传感器、执行器和物联设备。这一层负责数据的采集和实时监测，通过有线或无线4G网关与上层设备或平台通信。设备端的数据通过边缘代理传输到边缘层进行初步处理，减轻云端压力。现场设备如图2所示。
1.2" 边缘物联代理
“边”指边缘物联代理，边缘物联代理位于边缘层，作为物联数据的第一站处理中心。它负责初步的数据过滤、聚合和简单的计算。通过在边缘进行部分计算，可以减少传输到云端的数据数量，降低延迟并提高系统响应速度。边缘代理还负责与设备端的通信，确保数据的实时性和完整性。通过兼容多种传输协议，实现对多种类型感知设备的数据采集、边缘计算、前端分析和指令下达，为现场管理提供实时化、自动化、多方位监控和服务的解决方案。边缘物联代理硬件设计结构如图3所示。
1.3" 物联管理云平台
“云”指云端物联管理云平台，物联管理云平台是整个架构的核心，负责集中管理物联设备，处理复杂的计算任务以及提供全局的物联服务。向下（南向）连接现场智能边缘物联代理和终端传感设备，实现感知设备的统一接入与管理，完成感知层数据的采集传输和指令下达；向上（北向）对接业务系统，提供开放的应用接口，向业务系统推送采集到的感知数据，实现数据应用及融通共享。它接收边缘层传输过来的数据进行深度分析，挖掘潜在的关联规律及存储大规模的物联数据。此外，物联管理云平台还提供对设备的远程监控、配置管理及系统运维功能。平台技术架构如图4所示。
1.4" 业务应用
“用”指用户端的软硬件交互客户端应用。业务应用是用户最直接接触的部分，通过与物联管理云平台的交互，实现对物联设备的监控、数据查询展示及与业务数据关联的融合应用。这一层面向不同的行业和应用场景，可以定制化开发，满足特定需求。业务应用包括智能城市、智能家居、工业自动化等多个领域，通过移动APP、Web、大屏驾驶舱和小程序等多种形式实现应用。
2" 关键技术研究
物联应用架构中的关键技术研究涉及端侧数据采集、边云数据交互、云端存储与应用三个关键部分，以确保系统在不同层次上的高效性和协同性。
2.1" 端侧数据采集
在物联应用架构中，端侧数据采集是系统的起点，关系到设备端数据的高效获取和传输。为了充分利用边缘物联代理支持接入的端设备，我们需要深入研究协议选择及协议扩展的能力。
2.1.1" 端设备接入协议
为实现对主流物联网技术和产品厂家的最大化兼容，本文的边缘物联代理设备通过不同种类的硬件通信接口接入各类传感器设备采集数据。根据传感器协议接口类型进行划分，如表1所示。
2.1.2" 协议扩展能力
随着物联设备的不断发展和演进，原有的协议可能无法满足新设备的接入需求。因此，我们将重点关注边缘物联代理协议的扩展能力，具体内容如下：
1）插件化协议支持。设计边缘物联代理支持插件式协议，使其能够灵活适应不同的协议标准。新设备的接入只需添加相应插件即可，无须对整个系统进行大规模的调整。
2）协议热插拔性。确保协议的热插拔性，使得系统在运行过程中可以动态添加、移除或更新支持的协议。这可以降低系统更新的成本，使系统更具可维护性。
3）协议转换器。考虑到设备会使用不同的通信协议，因此设计协议转换器组件，对不同协议的数据进行转换，以确保数据的一致性和标准性。
综合考虑这些关键技术内容，确保边缘物联代理对端侧数据采集的支持更具灵活性和可维护性。通过将系统分为设备接入层、基础服务层、支持服务层、边缘应用层和对外交互层，为物联应用架构的实际应用提供有力的技术支持，以更好地适应不断变化的物联设备和通信标准。总体架构如图5所示。
2.2" 边云数据交互
边云数据交互是整个物联应用架构中的关键连接点。研究如何优化边缘代理与物联管理云平台之间的数据传输，确保在边缘代理层进行初步的数据处理，在减轻云端压力的同时确保数据的完整性和实时性。
2.2.1" 通信协议
根据不同的端设备选择合适的接入协议至关重要。边缘物联代理到物联管理云平台的数据传输将考虑多种协议，主要包括：
1）MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）。一种轻量级、开放、简单的消息协议，适用于设备间的实时通信，具有低带宽和资源消耗的特点。
2）CoAP（Constrained Application Protocol）。面向有限设备和网络的约束型应用协议，具有轻量级、低能耗、简单的特性，适用于物联设备的通信。
3）HTTP/HTTPS（Hypertext Transfer Protocol/Secure）。标准的互联网协议，提供广泛的支持，适用于设备与云端的通信，尤其是与标准Web服务集成后更具优势。
通过深入研究这些协议的特性，我们将能够为不同类型的设备提供最优的接入方案，以实现端设备数据的高效采集与传输。
2.2.2" 数据安全
在对端侧数据采集的研究中，安全性和隐私保护是不可忽视的重要因素。主要包括：
1）数据安全加密。分为硬件加解密或软件加解密两种方式。硬件加解密依赖硬件加密芯片设计的要求，软件加解密依赖上层平台安全机制。使用硬件加密方式时，主控从加密芯片获取秘钥文件（用于数据加解密），对端采用同样方式进行解密，实现数据保护。
2）身份认证和授权。引入有效的身份认证和授权机制，确保只有合法设备才能接入边缘代理，通过约定主题/URL和数据格式与云平台进行数据交互，防范未经授权的访问。
3）数据脱敏和匿名化。网络传递数据应经过加密，保证数据在采集、传输和处理过程中不被偷窥、窃取、篡改。存储业务数据时需要对数据进行加密，确保不可被破解。
2.3" 云端存储与应用
云端存储与应用是物联管理云平台的核心功能，我们将重点研究数据模型抽象、时序数据存储与清洗以及可靠、稳定的应用服务。
2.3.1" 数据模型抽象
设计通用的物联数据模型，以适应各类传感设备和不同的应用场景。确保数据模型的可扩展性，方便未来添加新的设备类型和数据特征。同时通过语义建模使数据模型更加贴近实际业务需求，提高数据的语义准确性。
2.3.2" 时序数据存储与清洗
时序数据在物联应用中占据重要地位，选择适用于时序数据存储的数据库，以确保数据的高效插入和查询。同时实施数据清洗策略，去除异常数据和噪声。引入质量控制机制，确保存储数据的质量，包括数据去重、异常值检测和数据纠偏等。
2.3.3" 可靠、稳定的应用服务
对云端应用层进行微服务拆分，实现不同功能模块的独立部署与维护。物联云平台通过提供五大基础能力，保障各类应用场景设备数据安全、快速接入，稳定连接及数据传输，应用系统安全稳定运行，如图6所示。
3" 系统设计与实现
为验证本文物联应用架构的适用性和有效性，我们通过边缘物联代理设备采集设备数据并上传至物联管理云平台，将这些数据应用于电网相关智慧工地、智慧矿山和储能电厂智慧工地项目中。
3.1" 物联管理云平台
物联管理云平台主要提供设备接入、设备管理、数据转发、监控运维等功能，其中包括产品管理、设备管理、分组管理、场景联动、消息订阅、监控运维等功能模块。目前平台已实现了多个项目产品模型的创建及对应设备的接入，产品管理功能如图7所示，设备管理功能如图8所示。
3.2" 典型应用
智慧工地应用以全面加快落实国家“数字新基建”为建设目标，进一步发挥移动互联、物联网、云计算、大数据、5G等新一代信息通信技术在基建领域的应用价值，围绕人、机、料、法、环等关键因素，彻底改变传统基建施工现场参建各方现场管理的交互方式、工作方式和管理模式，通过本文提出的物联应用架构，建设状态全面感知、过程全面覆盖、管理全面可控、数据全面共享的“智慧工地”管控体系，打造项目管理的“智慧”大脑。物联应用架构在多个项目中的使用均取得了较好效果。基于塔吊设备的应用如图9所示，设备安装期采集数据如图10所示，设备运输过程采集数据如图11所示。
4" 结" 论
本研究中设计并实现了基于边缘代理的“端—边—云—用”物联应用架构。通过边缘代理集成多种通信协议，实现对多种类型感知设备的数据采集、边缘计算和前端分析；通过物联管理平台集中管理物联设备，处理复杂的计算任务和提供全局的物联服务，实现与应用的解耦，更好地服务于多端应用。该物联应用架构有效解决了物联设备的数据对接和数据应用问题，为解决物联网中的管理和应用问题提供一种创新的思路，为相关领域提供一个值得参考的实际案例和解决方案。
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作者简介：何锐（1991—），男，汉族，湖北荆州人，工程师，硕士研究生，研究方向：AI、物联技术在电力工程信息化中的应用。
收稿日期：2023-12-05
