论文阅读（边缘计算人工智能工业互联网）
时间：2022-10-23 21:00:01
7.15
基于边缘计算和人工智能，工业物联网传感器是指设备制造厂的状态监测传感器数据-振动、温度、相对湿度和气压。
1.MODBUS
Modbus是一种串行通信协议(适配USB）。
现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus使用比其他通信协议更广泛的主要原因是：
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公开发表，无版权要求
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易于部署和维护
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对于供应商来说，修改移动本地比特或字节没有太大限制
Modbus允许多个 (大约240个) 设备连接到同一网络进行通信，例如，测量温度和湿度的装置，并将结果发送给计算机。数据采集与监控系统（SCADA）中，Modbus通常用于连接监控计算机和远程终端控制系统（RTU）。
串行通信:指设备之间的少量数据信号线(通常是 8 根以下)、地线和控制信号线，以数据位的形式逐一传输数据。
并行通信：指使用 8、16、32 及 64 传输根或多数据线的通信方式，同时传输多个数据位的数据。
两者比较：当数据传输速率相同时，并行效率更高，可以传输更多的数据量；串行通信节省成本。并行传输对同步要求较高，信号干扰问题会显著影响通信性能。
串行通信：以帧格式传输数据，即一帧一帧的传输，每帧包含起始信号、数据信息、停止信息和验证信息。
字符帧：字符帧发送需要三个部分：起始位置 数据帧 停止位。起始位是一个位周期的低电平，位周期是每个人占用的时间；数据帧是我们要发送的 8 位或 9 数据从最低水平传输；停止位是一定时间周期的高电平。
协议版本：
Modbus协议目前用于串口、支持互联网协议的以太网和其他网络版本。Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层。
串行连接有两种变种，它们在数值数据表示和协议细节上略有不同。Modbus RTU采用二进制表示数据的方式是紧凑的，Modbus ASCII是人类可读、冗长的表达方式。这两个变种都使用串行通信（serial communication）方式。RTU格式的后续命令/数据有循环冗余校验和ASCII格式采用纵向冗余校验和校验。被配置为RTU变异节点不会设置为ASCII反之亦然。
对于通过TCP/IP有多个连接(如以太网)Modbus/TCP这种方法不需要验证和计算。所有这三种通信协议在数据模型和功能调用方面都是相同的，只有不同的包装方法。
通信和设备：
Modbus协议是一个master/slave架构协议。有一个节点master节点，其他用途Modbus参与通信协议的节点是slave节点。每一个slave所有设备都有唯一的地址。在串行和MB 在网络中，只有指定为主节点的节点才能启动命令（在以太网上，任何设备都可以发送一个）Modbus但通常只有一个主节点设备启动指令)。
一个ModBus该命令包计划执行的设备Modbus地址。所有设备都将收到命令，但只有指定位置的设备将执行和响应指令（地址0例外，指定地址0的指令为广播指令，所有接收指令的设备将运行，但不响应指令）。所有的Modbus命令包含了检查码，以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令可以指示一个RTU改变寄存器的某个值，控制或读取一个I/O指挥设备返回一个或多个寄存器中的数据。
有许多modems和网关支持Modbus协议，因为Modbus协议简单易复制。其中一些是专门为该协议设计的。使用有线、无线通信甚至短信GPRS不同的实现。但设计师需要克服一些问题，包括高延迟和时间顺序。
1.1通信协议
通信协议是指双方在完成通信或服务时必须遵循的规则和协议。协议定义了数据单元使用格式、信息单元应包含的信息和意义、连接方式、信息发送和接收顺序，以确保网络中的数据顺利传输到确定的地方。
在计算机通信中，通信协议用于实现计算机与网络连接的标准。如果没有统一的通信协议，就无法识别计算机之间的信息传输。 通信协议是指通信方事先约定的通信规则，可以简单地理解为计算机之间的共同语言。两台计算机在通信时必须使用的通信协议。
1.1.1数据单元
数据单元是网络信息传输的基本单元。一般网络连接不允许传输任何大小数据包，相反，使用分组技术将数据分成几个小数据包，并在每个小数据包中添加一些属性信息，如源IP地址、目的IP地址、数据长度等。这样的小数据包被称为数据单元。这样，每个网络传输的数据都是规格和封装方式相同的小包裹有利于数据传输的标准化，简化了数据传输方式。
1.1.1.协议数据单元
在分层网络结构，例如在开放式系统互联（OSI）在模型中，将建立传输系统的每一层协议数据单元（PDU）。PDU它包含来自上层的信息和附加到当前实体的信息PDU它将被传输到下一个较低的层。物理层实际上是以编帧的位流形式传输的PDU，这些PDU由协议栈高层建筑。接收系统通过协议栈自下而上传送这些分组，并在协议栈的每一层分离PDU相关信息。
附加到每层PDU上述信息指定给另一个系统的同一层，即对等层协调通信会话的过程。通过从传输层段剥离报头，检测协议数据，确定协议段数据作为传输层段的一部分，验证和剥离执行标志，进行处理数据段。同时，提供处理数据段的技术，包括接收协议数据单元的报告部分。使用接收到的报告部分来确定存储在应用空间中的数据的字节数。此外，使用接收到的报告部分来确定下一个协议数据单元的下一个报告部分。然后，发出一个窥视命令以获得下一个报告部分。此外，还提供用于存储的部分循环冗余校验实施循环冗余验证技术的摘要和剩余数据。
1)分层网络结构
网络的分层系统结构是一种从功能上描述网络的分层结构，每层遵守一些网络协议，实现本层功能。这是一个抽象协议，实现本层功能，并为上层提供服务。任何一层都需要通过接口使用下层服务。服务是垂直的。
分层结构清晰，有利于识别复杂系统的组件和组之间的关系，实现复杂系统的模块化，有利于系统的迭代和维护。任何一层功能的实现对其他层都是透明的。增加任何一层功能的实现都发生了变化，只要它不改变为其他层提供服务的接口，对其他层没有影响。
2）OSI
OSI计算机网络系统结构(architecture）分为以下七层：
物理层: 将数据转换为可以通过物理介质传输的电子信号，相当于邮局的搬运工。
数据链路层： 决定访问网络介质的方式。
在这一层中，数据被划分为帧，流量控制被处理。本层指定拓扑结构，提供硬件搜索，相当于邮局的拆箱工人。
网络层: 使用权数据路通过大型网络 相当于邮局的排名工人。
传输层: 从终端到终端提供可靠的连接 相当于公司中跑邮局的送信人员。
会话层: 允许用户使用简单易记的名称建立连接 相当于公司收发信、写信、拆信的秘书。
表示层: 协商数据交换格式 相当于公司简报老板，给老板写信的助理。
应用层: 应用程序与网络之间的界面。
3）协议栈
协议堆栈，又称协议堆叠，是计算机网络协议套件的具体软件实现。协议套件中的一个协议通常只为一个目的而设计，使设计更容易。因为每个协议模块通常都要和上下两个其他协议模块通信，它们通常可以想象成是协议栈中的层。最低级别的协议总是描述与硬件的物理交互。每个高级层次都增加了更多的特性。用户应用程序只是处理最上层的协议。
实际上，协议栈通常分为三个主要部分：媒体、传输和应用。一个特定的操作系统或平台通常有两个定义良好的软件接口：一个在媒体层和传输层之间，另一个在传输层和应用程序之间。
&nsp; 媒体到传输接口定义了传输协议的软件怎样使用特定的媒体和硬件（“驱动程序”）。例如，此接口定义的TCP/IP传输软件怎么与应用到传输接口定义了应用程序如何利用传输层。例如，此接口定义一个以太网硬件对话。
4）对等层
对等层是指在计算机网络协议层次中，将数据直接传递给对方的任何两个同样的层次。OSI参考模型中处于同一层次的两端就是对等层。例如，传输层与对端的传输层就是对等层。每层都利用下一层提供的服务与对等层进行通讯。为了使数据分组从源传送到目的地，源端OSI模型的每一层都必须与目的端的对等层进行通信，在这一过程中，每一层的协议在对等层之间交换信息，该信息成为协议数据单元（PDU）。位于源计算机的每个通信层，使用针对该层的PDU同目的计算机的对等层进行通信。
5）数据段
一种传输层的PDU。OSI模型每一层都对数据进行封装来形成PDU。PDU包含在模型每一层给数据添加的控制信息。这些控制信息通常被添加在数据字段前面的报头中，但也可能被添加在报尾中。OSI模型每一层都对数据进行封装来形成PDU，PDU的名称随报头提供的信息而异。这些PDU信息仅在接收设备的对等层被读取，然后被剥离，然后数据被交给下一层。
6）冗余校验
在通信领域中，冗余校验是消息中附加的用于错误检测与错误校正的数据。
1.1.1.2数据包
包是TCP/IP协议通信传输中的数据单位，一般也称“数据包”。
TCP/IP协议是工作在OSI模型第三层(网络层)、第四层(传输层)上的，帧工作在第二层(数据链路层)。上一层的内容由下一层的内容来传输，所以在局域网中，“包”是包含在“帧”里的。
在包交换网络里，单个消息被划分为多个数据块，这些数据块称为包，它包含发送者和接收者的地址信息。这些包然后沿着不同的路径在一个或多个网络中传输，并且在目的地重新组合。
任意一台主机都能够发送具有任意源地址的数据包。当数据包进行长距离的传输时需要经过许多中继站。每个中继站就是一台主机或路由器，他们基于路由信息，将数据包向下一个中继站传递。在数据传输的路途上，如果路由器遇到大数据流量的情况下，它可能在没有任何提示的情况下丢掉一些数据包。较高层的协议（如TCP协议）用于处理这些问题，以便为应用程序提供一条可靠的链路。如果对于下一个中继站来说数据包太大，该数据包就会被分片。也就是说，大的数据包会被分成两个或多个小数据包，每个小数据包都有自己的IP头，但其净荷仅仅是大数据包净荷的一部分。每个小数据包可以经由不同的路径到达目的地。在传输的路途上，每个小数据包还可能会被继续分片。当这些小数据包到达目标机器时，他们会被重新拼装到一起。按照规则规定，在中间节点上，不允许对小数据包进行拼装组合。
数据包的结构：数据包的结构非常复杂，不是三言两语能够说清的，在这里主要了解一下它的关键构成就可以了，这对于理解TCP/IP协议的通信原理是非常重要的。数据包主要由“目的IP地址”、“源IP地址”、“净载数据”等部分构成，包括包头和包体，包头是固定长度，包体的长度不定，各字段长度固定，双方的请求数据包和应答数据包的包头结构是一致的，不同的是包体的定义。 数据包的结构与我们平常写信非常类似，目的IP地址是说明这个数据包是要发给谁的，相当于收信人地址；源IP地址是说明这个数据包是发自哪里的，相当于发信人地址；而净载数据相当于信件的内容。 正是因为数据包具有这样的结构，安装了TCP/IP协议的计算机之间才能相互通信。我们在使用基于TCP/IP协议的网络时，网络中其实传递的就是数据包。理解数据包，对于网络管理的网络安全具有至关重要的意义。
1.1.1.3封装方式
1）封装
在发送端主机，一个应用层的message(报文）（在这里，应用层的报文即应用层交给传输层的报文）被pass给了传输层。传输层拿到了报文并且append additional information（这个信息就是传输层头部信息Ht),这个头会被接收端主机的传输层所使用。应用层报文和传输层的头部信息加载一起构成了传输层segment(报文段），所以我们就说传输层报文段封装了应用层的报文。
2）封装方式
1.以太网,共享型网络\属于BMA网络类型
共享：频分技术,在一根物理电缆上同时传输多个相互不干扰的频率信号:信道
BMA,存在广播洪泛机制，使用MAC地址来作为二层地址；
存在冲突:CSMA/CD载波侦听多路访问/冲突检测,可用交换机完美解决
常用的网线：RJ-45双绞线（100米） RJ-11电话线（500米，带宽低，上传和下载带宽不一致，上转远远小于下载，下载最多8M），识别数字信号的网线：RJ-45和同轴电缆。 光纤
2.HDLC ：高级链路控制协议 ，点到点类型，没有二层的单播地址
cisco产品中串行接口默认的二层封装技术，非cisco产品默认为PPP；所有厂家的HDLC均为各自的私有标准；HDLC封装，其实就是仅进行介质访问控制工作（把电流变成二进制，把二进制变成电流）；
3.PPP 点到点协议 非cisco产品串行接口默认的二层封装技术 ：点到点网络类型
PPP协议是对HDLC的升级：
升级点：拨号
1）非直连网段ip地址，也可以互相访问；自动学习对端接口的ip地址，生成直连主机路由
2）身份核实-----认证
3）建立虚链路-----分配ip地址
1.2数据采集与监视控制系统
数据采集与监控系统（SCADA，supervisory control and data acquisition）系统是以计算机技术、通信技术以及自动化技术为基础的生产监控系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
系统架构：
SCADA的系统架构从上到下共分为数据采集、传输网络、数据汇聚、生产监控四个层次。
数据采集：实时感知生产过程中的各项数据，通过有线或者无线方式上传到数据采集模块（RTU ）中。
传输网络：感知层的数据上传到数据采集层的网络链路包括有线及无线两种方式。
数据汇聚：存储现场放据,为生产监控及其他应用提供数据。
生产监控：集中展示现场数据及设备状态，为值班人员提供数据依据及控制手段。
SCADA系统包括硬件和软件，硬件收集数据并将其送至装有SCADA软件的计算机，计算机处理这些数据并即时展现。SCADA还将所有事件记录存储到硬盘或者发送到打印机。当条件恶化时，SCADA通过声音警报给出警告。
1.3远程终端控制系统
远程终端控制系统是一种微处理器控制的电子设备，接口在物理世界中的对象到一个分布式控制系统或SCADA，通过传输系统的遥测数据，并通过从消息控制连接对象的监管制度。
1.4分布式控制系统（DCS）
也称集散控制系统，是对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机控制系统。 是随着现代大型工业生产自动化水平的不断提高和过程控制要求日益复杂应运而生的综合控制系统，它融合了计算机技术、网络技术、通信技术和自动控制技术，是一种把危险分散，控制集中优化的新型控制系统。系统采用分散控制和集中管理的设计思想，分而自治和综合协调的设计原则，具有层次化的体系结构。DCS已在石油、化工、电力、冶金以及智能建筑等现代自动化控制系统中得到了广泛应用。
分布式控制系统一般分三层：过程控制层、生产监控层和集中管理层。处于底层的过程控制层一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控层计算机。生产监控层对来自过程控制层的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。其中过程控制层采用微处理器分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之问和上下级之间通过高速数据通道交换信息。
分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。具有以下特点：
（1）高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。
（2）开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输。当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。
（3）灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。
（4）易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。
（5）协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。
（6）控制功能齐全控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。
