基于SaaS的智能设备监控管理系统

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基于SaaS的智能设备监控管理系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于信息系统综合和智能设备监控管理领域，特别是一种基于SaaS（Software-as-a-service，软件即是服务）的智能设备监控管理系统。\n背景技术\n[0002] 当前，国民经济各部门中智能化已露端倪，智能化产品不断涌现，智能化趋向愈来愈明显，出现了各种智能仪表、智能车辆、智能家居、智能“宠物”、智能材料甚至智能大厦。\n一些生产和经营系统也大量地采用智能技术，如各种智能生产控制系统、智能物流系统、智能制造系统、虚拟企业、电子商务等。至于这些生产和经营的管理系统，就更快地实现了不同程度的智能化，如智能铁路运输管理系统、智能空中交通管制系统、智能财务结算系统、智能金融管理系统、智能物资管理系统、智能数据库管理系统等。\n[0003] 虽然现在智能化设备在国内外的发展趋势一片大好，但是其中也或多或少存在一系列的问题。特别突出的是对于智能化设备的管理方面，现在国内外几乎所有的智能化产品都是实行一次性开发，也就是生产厂商研发、生产一个产品，然后就是销售，仅有少数几家跨国企业有能力对其产品进行全球性的售后维护与升级，随着智能设备的飞速发展和人们需求水平的提高，传统低效的设备管理维护模式与用户需求之间的矛盾将进一步加剧。\n企业需要新兴的高效的设备管理模式以降低成本，用户需要更为便利优质的设备服务。\n[0004] 本系统的应用服务可以有效解决这个问题，能够实现对智能设备的全寿命管理，即将智能设备分为设计开发、销售、售后、报废四个阶段。设计开发阶段，系统提供开发团队支持文档的管理与远程协同开发能力；销售阶段可以对销售情况进行统计以利于推广策略的制定；售后阶段能够对产品的质量进行动态跟踪或对固件进行升级，设备出现故障时可实现远程维护；报废阶段可以对设备提供回收策略利于产品线的延续和用户认可度的提高。\n[0005] 处此之外，现有的设备远程监控系统定制开发周期长，可重用度低，需要针对具体的应用需求对系统的软硬件进行重新的部署和开发。而且传统设备远程监控系统的固有特性决定其无法克服规模化障碍，即随着监控者和监控对象数量的增加，系统只有通过重新定制才能应对业务增长带来的挑战。本系统提供一种基于SaaS应用模式的解决方案，有效解决监控对象规模化所带来的问题，能够根据用户数量动态部署服务器和信息承载能力，使服务器硬件资源得到充分利用，从而减低运营成本。\n[0006] SaaS（Software-as-a-service）的意思是软件即服务，是一种基于互联网提供软件服务的软件应用模式。SaaS提供商为用户搭建信息化所需要的所有网络基础设施及软件、硬件运作平台，并负责所有前期的实施、后期的维护等一系列服务，用户无需购买软硬件，即可通过互联网使用信息系统。\n[0007] 中国电子商务研究中心预测，2010和2011年是云计算的概念导入期，2012年中国云计算应用市场将进入高速发展期，而SaaS在此两年间随着软件产品应用探索的逐步成熟、品牌集中度的提高、用户认知的大规模普及、以及互联网租用形式的成熟，SaaS应用也将逐步进入更为快速的市场发展周期。\n[0008] 本设计研究的系统属于SaaS应用服务体系，更将软件服务拓展至智能设备服务，提供智能设备基于SaaS平台的远程监控、计划定制和信息综合等应用服务。\n发明内容\n[0009] 本发明的目的是提供一种基于SaaS的智能设备监控管理系统，实现、对智能设备的全寿命管理，提供智能设备基于SaaS平台的远程监控、计划定制和信息综合等应用服务。用户通过网页浏览器定制云端应用服务层提供的设备服务，实现对智能设备的远程管理、监控和使用等服务。\n[0010] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：\n[0011] 一种基于SaaS的智能设备监控管理系统，包括\n[0012] 智能设备层：包括各种基于智能处理器的电子电气设备，且具备通信、调试接口，其功能是为用户提供直接设备服务；\n[0013] 云端应用服务层：包括云应用服务终端、负载均衡器单元、应用服务器单元、数据服务器单元，其功能是处理设备服务请求，对设备信息进行综合处理并通过云应用服务终端具体执行；\n[0014] 用户应用层：包括任何可接入互联网并搭载网页浏览器的设备以及用户，其功能是用户通过网页浏览器定制云端应用服务层提供的设备服务，实现对智能设备的远程管理、监控和使用等服务。\n[0015] 所述智能设备层包括智能控制单元、服务执行单元以及通信接口单元，[0016] 智能控制单元：采用ARM、DSP、MCU或FPGA智能控制芯片，根据设备服务要求提供相应的控制策略;\n[0017] 服务执行单元：将智能控制单元提供的控制策略予以具体执行，产生相应的服务动作；\n[0018] 通信接口单元：采用wifi、CAN或串口通信接口，依据基于SaaS的智能设备通信协议，与云应用服务终端建立连接，实现数据的实时交互，采用JTAG调试接口完成对智能设备的远程编程调试和固件升级；\n[0019] 所述基于SaaS的智能设备通信协议的制定方法是：通信过程由云应用服务终端主动发起，以广播的形式将信息发送至智能设备层的所有设备，通信信号帧格式包括起始段、设备网络地址、设备ID、命令描述字段、数据段、数据校验段以及结束段，所述基于SaaS的智能设备与该格式信号帧中设备网络地址的值相比较，倘若其值相同，则对该请求进行解析、执行和应答操作；否则，丢弃该信号。\n[0020] 所述云端应用服务层包括云应用服务终端、负载均衡器单元、应用服务器单元以及数据服务器单元，\n[0021] 云应用服务终端：包括核心控制模块、通信接口模块以及调试及拓展接口模块，最多可以承载200个基于SaaS的智能设备的监控任务，其中核心控制模块硬件电路以ARM11为核心处理器，外拓了NAND FLASH、SDRAM存储器，NAND FLASH存储LINUX操作系统镜像，SDRAM则作为系统运行内存，两种存储器均通过地址和数据总线与核心处理器ARM11相连，供电电路、实时时钟电路、看门狗电路为核心控制模块及设备运行提供基础电路运行环境，核心模块功能是完成对云应用服务操作指令的解析，并协调通信接口模块、调试及拓展接口模块的工作；通信接口模块硬件电路包括以太网接口电路、CAN总线接口电路、RS232串口接口电路，以太网接口电路通过地址和数据总线与核心控制模块相连，使终端具备互联网通信能力；CAN总线接口电路通过UART0通信接口与核心控制模块相连，使终端具备CAN网络通信能力，RS232串口接口电路通过UART1通信接口与核心控制模块相连，使终端能够通过RS232通信协议与单个设备进行通信；通信接口模块的功能是提供多种方式的通信接口，完成与基于SaaS的智能设备信息的实时交互；调试及拓展接口模块包括CPLD控制电路、JTAG接口电路和拓展接口电路，CPLD控制电路具有时序严格、硬件灵活性大的特点，用它能够可靠实现智能芯片的编程和调试算法，CPLD控制电路通过UART2通信接口与核心控制模块相连，核心控制模块通过该总线对CPLD控制电路发出编程和调试指令，CPLD根据指令加载存储器中的编程调试算法，并通过JTAG接口电路实现对基于SaaS的智能设备的远程编程和调试，核心控制模块通过读写存储器中的编程调试算法数据能够灵活实现自定义接口的拓展工作。\n[0022] 所述云应用服务终端的核心处理器ARM11上运行3个线程：云端数据发送线程、云端数据接收线程以及智能设备调试升级线程。\n[0023] 所述云端数据发送线程为主线程，完成与云端应用服务层分布式缓存守护程序MemCached的通信，具体流程是，首先根据通信接口模式拨码开关状态，设置与基于SaaS的智能设备的通信接口（太网接口、CAN总线接口或RS232串口接口三选其一），并初始化接口单元设备，设置云端应用服务域名及端口，建立与应用服务器11211号端口的TCP通信链路，然后检查TCP通信链路连接状态，若连接正常则接收来自基于SaaS的智能设备的数据并存入发送缓冲区，根据基于SaaS的智能设备通信协议，对缓存区数据进行处理，然后根据MemCached通信协议对数据进行封装，最后将封装后的数据发送至云端应用服务层分布式缓存中暂存。\n[0024] 所述云端数据接收线程的具体流程是，首先检查是否接收到本线程的退出信号，否则建立与云端服务器层5005号端口的TCP通信链路，若链路状态正常且数据格式正确，则将接收到网络数据并存入接收缓冲区后，根据基于SaaS的智能设备通信协议对数据进行封装，最后将封装后的数据通过通信接口单元发送给相应的基于SaaS的智能设备。\n[0025] 所述智能设备调试升级线程的具体流程是，首先检查是否接收到本线程的退出信号，否则建立与云端服务器层5005号端口的TCP通信链路，若链路状态正常且数据格式正确，则将接收到网络数据并存入接收缓冲区后，根据基于SaaS的智能设备通信协议对数据进行封装，最后将封装后的数据通过UART2通信接口发送给CPLD控制电路，CPLD控制电路则根据收到的数据调用相应的编程算法对基于SaaS的智能设备进行编程调试，调试信息同样通过UART2通信接口返回核心控制模块。\n[0026] 所述负载均衡器单元为云端应用服务层的入口，包括若干个路由器和负载均衡器，当有来自互联网的连接请求时，负载均衡器单元根据应用服务器负载状况动态分配网络负载，当某台应用服务器过载或故障时依然能够保证整个系统的正常运行；\n[0027] 所述应用服务器单元为应用服务器集群，应用服务器装配Ubuntu服务器版操作系统，具备Apache网页服务器、PHP支持库以及MemCached分布式缓存系统，应用服务器根据用户服务请求，驱动云应用服务终端执行相应的设备服务；\n[0028] 所述数据服务器单元为数据服务器集群，数据服务器装配Ubuntu服务器版操作系统，具备MySQL数据库，由于采用SaaS多租户架构，设计对数据库进行水平切分，即分为租户物理数据库、集中式租户数据库，在用户登录时，通过查询集中式租户数据库中相应的关系表，确定其对应租户业务数据存储在物理数据库中的具体位置。\n[0029] 所述云端应用服务层采用SaaS应用服务架构，实现应用服务器和数据服务器信息承载能力的动态拓展，云端应用服务器上的程序包括数据接收模块、系统监控器模块、客户端模块以及后台数据管理模块。所述数据接收模块监听11211号端口云应用服务终端的连接请求并新建一个线程，若通信链路连接状态正常，则接收智能设备的实时监控数据，然后将接收到的实时数据存入分布式缓存，分布式缓存作为实时数据库仅保存几组最新的监控数据。若连接断开则结束该线程，等待云应用服务终端重连请求；所述系统监控器模块为服务器守护程序，监听5005号端口云应用服务终端的连接请求，若接收到连接请求则新建一个线程，若通信链路连接状态正常则将待发送数据发送至云应用服务终端，否则结束该进程，然后根据基于SaaS的智能设备通信协议解析分布式缓存中的数据，并依据用户定制的监控服务策略（数据入库频率、数据约束等）处理分布式缓存中的数据，定时将缓存数据存入数据库，对故障数据和特征数据则直接存入数据库并产生相应异常处理服务；所述客户端模块提供用户基于浏览器的应用程序操作界面，通过向云应用服务终端发送服务请求，提供智能设备的远程管理、监控和调试等服务；所述后台数据管理模块提供系统管理员远程数据库管理和系统维护等功能。\n[0030] 所述用户应用层WEB应用监控程序设计为具备HTML5.0风格的可视界面，能监控和显示协议约定的相关数据。能远程升级固件程序，远程配置软件，支持本地和远程图形化界面配置与维护。具有设备管理功能功能，出现故障时，系统能自动/远程复位，方便用户控制。\n[0031] 本发明实现智能设备基于SaaS平台的远程监控、管理和信息综合等应用服务，有效解决监控对象规模化所带来的问题，能够根据用户数量动态部署服务器和信息承载能力，使服务器硬件资源得到充分利用，从而减低运营成本。\n附图说明\n[0032] 图1 为本发明的结构示意图。\n[0033] 图2 为本发明的结构框图。\n[0034] 图3 为本发明的云应用服务终端结构框图。\n[0035] 图4 为本发明的云应用服务终端程序流程图。\n[0036] 图5 为本发明的云端应用服务层应用服务器程序流程图。\n具体实施方式\n[0037] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。\n[0038] 如图2所示，根据系统物理结构，系统可以分为智能设备层、云端应用服务层及其应用服务终端、用户应用层。智能设备层为用户提供直接设备服务；云应用服务终端建立云端应用服务层与智能设备层统一通信接口；云端应用服务层处理设备服务请求，对设备信息进行综合处理并通过云应用服务终端具体执行；用户应用层实现对智能设备的远程管理、监控和使用等服务。图1对系统结构作了更为清晰的描述。\n[0039] 首先，智能设备层由若干个智能设备组成。智能设备的形式各异，提供的服务也千差万别，比如家用设备智能洗衣机、智能空调、智能冰箱等，或者工业上的智能控制器，这些都属于智能设备。虽然存在这些差异，但依然可以将其模型抽象为智能控制单元、服务执行单元、通信接口单元3部分。智能控制单元，采用ARM、DSP、MCU或FPGA等智能控制芯片，根据一定的设备服务要求提供相应的控制策略;服务执行单元，将智能控制单元提供的控制策略予以具体执行，产生相应的服务动作。通信接口单元，采用wifi、CAN或串口等通信接口，依据基于SaaS的智能设备通信协议，与云应用服务终端建立连接，实现数据的实时交互，采用JTAG调试接口完成对智能设备的远程编程调试和固件升级。\n[0040] 现有的智能设备通过简单软硬件设计即可改造成符合本系统标准的设备。智能设备在软件开发设计阶段必须加入基于SaaS的智能设备通信协议处理模块。\n[0041] 其次，云应用服务终端输入云端应用服务层，由核心控制模块、通信接口模块、调试及拓展接口模块3部分组成。\n[0042] 核心控制模块，使用三星公司的S3C6410低功耗、高性价比RISC处理器，外拓1G字节NAND FLASH、128M字节的SDRAM存储器，NAND FLASH存储LINUX操作系统镜像，SDRAM则作为系统运行内存，两种存储器均通过地址和数据总线与ARM11相连；系统需要多个独立的供电电路来保障系统可靠稳定运行，包括1.1V ARM Core Power、1.2V VDD Alive Power、1.3V VDD INT Power、1.8V SDRAM Power、1.2V PLL Power；配置一颗纽扣电池，当系统掉电是提供实时时钟；结合看门狗电路和复位电路等为控制器及设备运行提供基础电路运行环境。该模块功能是完成对云应用服务操作指令的解析，并协调通信接口模块、调试及拓展接口模块的工作。\n[0043] 通信接口模块硬件电路包括以太网接口电路、CAN总线接口电路、RS232串口接口电路。以太网接口电路采用DM9000A快速以太网MAC控制器，并通过地址和数据总线与S3C6410相连，使终端具备互联网通信能力；CAN总线接口电路采用MCP2551高速CAN收发器进行接口转换，S3C6410通过UART0与MCP2551相连，使终端具备CAN网络通信能力；\nRS232串口接口电路采用MAX202E标准RS232电平转换器通过UART1通信接口与控制器相连，使终端能够通过RS232通信接口与单个设备进行通信。通信接口模式由通信接口模式拨码开关的状态决定，即以太网通信接口状态、CAN通信接口状态和RS232通信接口状态。\n通信接口模块的功能是提供多种方式的通信接口，完成与智能设备信息的实时交互。\n[0044] 调试及拓展接口模块，采用Altera公司MAX3000A系列的EPM3128A CPLD作为接口模块控制器。CPLD具有时序严格、硬件灵活性大的特点，用它能够可靠实现智能芯片的编程和调试算法。CPLD控制电路通过UART2通信接口与核心控制器相连，核心控制器通过该总线对CPLD控制电路发出编程和调试指令；CPLD根据指令加载存储器中的编程调试算法，并通过JTAG接口电路实现对智能设备的远程编程和调试；核心控制通过读写存储器中的编程调试算法数据能够灵活实现自定义接口的拓展工作。\n[0045] 基于SaaS的智能设备通信过程由云应用服务终端主动发起，以广播的形式将信息发送至智能设备层的所有设备，通信信号帧格式包括起始段、设备网络地址、设备ID、命令描述字段、数据段、数据校验段、结束段。起始段为2字节16进制数“0xFE 0xFE”；设备网络地址字段为4字节16进制数，假如设备实际网络为“192.168.0.3”，则该字段值为“0xC0 \n0xA8 0x00 0x03”；设备ID字段为8字节16进制数，描述设备分类及其在网络中的标识。\n数据段和数据校验段的长度不确定，结束段为2字节16进制数“0xFF 0xFF”。智能设备与该格式信号帧中设备网络地址的值相比较，倘若其值相同，则对该请求进行解析、执行和应答操作；否则，丢弃该信号。\n[0046] 云应用服务终端上使用定制的LINUX操作系统，并运行智能设备监控程序，该程序能够根据通信接口模式，实时获取智能设备运行参数，然后将数据进行封装后发送至云端应用服务层，同时能够接收来自云端应用服务层的服务指令，通过通信端口传递给智能设备，智能设备根据指令产生相应的服务动作。为实现上述功能，该程序包括3个线程：云端数据发送线程、云端数据接收线程、智能设备调试升级线程。\n[0047] 云端数据发送线程为主线程，完成与云端应用服务层分布式缓存守护程序MemCached的通信。MemCached 是一个高性能的分布式内存对象缓存系统，通常用于动态Web应用以减轻数据库负载。它通过在内存中缓存数据和对象来减少读取数据库的次数，从而提供动态、数据库驱动网站的速度。MemCached基于一个存储键/值对的hashmap。其在操作系统上运行一个守护进程，不断监听11211端口的连接请求。客户端可以用任何语言来编写，只要符合MemCached通信协议，即可完成与分布式缓存系统的读写操作。云端数据发送线程正是这样的一个客户端程序。其具体流程是，首先根据通信接口模式拨码开关状态，设置与智能设备的通信接口（太网接口或CAN总线接口或RS232串口接口三选其一），并初始化接口单元设备。设置云端应用服务域名及端口，建立与MemCached的TCP通信链路。然后检查TCP通信链路连接状态，若连接正常则接收来自智能设备的数据并存入发送缓冲区。根据基于SaaS的智能设备通信协议，对发送缓存区数据进行处理。然后根据MemCached通信协议对数据进行封装。最后将封装后的数据发送至云端应用服务层分布式缓存中暂存。\n[0048] 云端数据接收线程主要功能是接收来自云端应用服务层的指令，并依据指令驱动智能设备执行相应的服务任务。具体流程是，首先检查是否接收到本线程的退出信号，否则建立与云端服务器层5005号端口的TCP通信链路，若链路状态正常且数据格式正确，则将接收到网络数据并存入接收缓冲区。云端服务器层5005号端口由一个系统监控器守护程序监控，只要与该守护程序建立TCP通信链路，即可实现数据的双向传输。然后接收缓冲区中的数据则根据基于SaaS的智能设备通信协议对数据进行封装。最后将封装后的数据通过通信接口单元发送给相应的智能设备。\n[0049] 智能设备调试升级线程主要功能是接收来自云端应用服务层的编程调试指令，并通过调试及拓展接口模块的通信，调用存储于CPLD的编程算法，将调试程序下载至智能设备。具体流程是，首先检查是否接收到本线程的退出信号，否则建立与云端服务器层5005号端口的TCP通信链路，若链路状态正常且数据格式正确，则将接收到网络数据并存入接收缓冲区后，根据基于SaaS的智能设备通信协议对数据进行封装。最后将封装后的数据通过UART2通信接口发送给CPLD，CPLD则根据收到的数据调用相应的编程算法对智能设备进行编程调试，调试信息同样通过UART2通信接口返回核心控制器。\n[0050] 云端应用服务层，由云应用服务终端、负载均衡器单元、应用服务器单元、数据服务器单元4部分组成。负载均衡器单元为云端应用服务层的入口，由若干个路由器和负载均衡器组成，当有来自互联网的连接请求时，能够根据应用服务器负载状况动态分配网络负载，当某台应用服务器过载或故障时依然能够保证整个系统的正常运行；应用服务器单元为应用服务器集群，应用服务器装配Ubuntu服务器版操作系统，具备Apache网页服务器、PHP支持库以及MemCached分布式缓存系统。应用服务器根据用户服务请求，驱动云应用服务终端执行相应的设备服务；数据服务器单元为数据服务器集群，数据服务器装配Ubuntu服务器版操作系统，具备MySQL数据库。由于采用SaaS多租户架构，设计对数据库进行水平切分，即分为租户物理数据库、集中式租户数据库。在用户登录时，通过查询集中式租户数据库中相应的关系表，确定其对应租户业务数据存储在物理数据库中的具体位置。\n[0051] 云端应用服务层采用SaaS应用服务架构，实现应用服务器和数据服务器信息承载能力的动态拓展。应用服务器上的程序包括数据接收模块、系统监控器模块、客户端模块、后台数据管理模块。\n[0052] 数据接收模块监听11211号端口云应用服务终端的连接请求并新建一个线程，若通信链路连接状态正常，则接收智能设备的实时监控数据，然后将接收到的实时数据存入分布式缓存，分布式缓存作为实时数据库仅保存几组最新的监控数据。若连接断开则结束该线程，等待云应用服务终端重连请求。\n[0053] 系统监控器模块为服务器守护程序，监听5005号端口云应用服务终端的连接请求，若接收到连接请求则新建一个线程。若通信链路连接状态正常则将待发送数据发送至云应用服务终端，否则结束该进程，然后根据基于SaaS的智能设备通信协议解析分布式缓存中的数据，并依据用户定制的监控服务策略（数据入库频率、数据约束等）处理分布式缓存中的数据，定时将缓存数据存入数据库，对故障数据和特征数据则直接存入数据库并产生相应异常处理服务。\n[0054] 客户端模块提供用户基于浏览器的应用程序操作界面，通过向云应用服务终端发送服务请求，提供智能设备的远程管理、监控和调试等服务。后台数据管理模块提供系统管理员远程数据库管理和系统维护等功能。用户应用层WEB应用监控程序设计为具备HTML5.0风格的可视界面，能监控和显示协议约定的相关数据。能远程升级固件程序，远程配置软件，支持本地和远程图形化界面配置与维护。具有设备管理功能功能，出现故障时，系统能自动/远程复位，方便用户控制。\n[0055] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。