《物联网白皮书》--物联网及能源产业：是谜团还是契机

►通讯协议

在互联网和自动化系统之中，执行数据撷取的方式大不相同。一般来说，SCADA/RTU 仍然主宰自动化领域的机器对机器通讯。电力产业使用的数据撷取通讯协议，一般为主机/从机或客户端/服务器。SCADA 主机 (客户端) 联机至装置，并定期轮询数据。RTU 等装置及网关一般会由大量实体点集中数据，透过IED直接联机或提供。实作从机 (服务器) 的装置听取传入的联机要求，建立通讯会话，然后听取数据读取要求及控制作业。这是所有常见通讯协议使用的方式，包括Modbus、DNP3、IEC 61870-5-101/104 及 IEC 61850。现代通讯协议也支持时间戳、数据质量及主动提供报告等功能，以减少延迟及带宽。一旦建立通讯会话，装置就可在扫描作业间的空档回报数据变更。

以上所述的所有通讯协议，均设计在各种通讯技术提供可靠作业，包括低带宽和不可靠的传输。现代通讯协议也能导出装置点列表，以促进互操作性。

在工业层级方面，OPC UA 通讯协议取代旧型 OPC，是工业物联网 (IIoT) 理想选择。这项客户端/服务器通讯协议，不再绑定Microsoft Windows操作系统，而提供了安全性功能，支持 Web 服务接口及信息模式，目前定义为 IEC 62541。

不过，以上通讯协议均未使用于 IT、Web 和互联网应用。前述应用使用完全不同的通讯协议系列。虽然 Web 采客户端/服务器方式，但依据的架构不同，且使用的是无联机的 HTTP 通讯协议。Web 浏览器联机至服务器，传送读取或写入要求，然后关闭联机。Web 服务器并不会追踪记录联机。这种方式提供可扩充性，可同时容纳非常大量的客户端。

HTTP 及其安全版本的 HTTPS，正透过使用所谓“Web 服务”的方式，增加在机器对机器通讯之中的使用情形。由于有越来越多装置内建 Web 服务器进行设定和监控，因此也加入可编程接口，使用具象状态传输 (REST) 接口，支持存取装置数据和设定。基本上这是以 HTTP/HTTPS 来交换结构化为 XML 或 JSON 讯息的数据。

紧密和松散结合架构的比较

客户端/服务器相当适合自动化应用，因为系统架构获得妥善定义，并且非常稳定。SCADA 主机使用 RTU、网关和 IED 的地址和点列表预先设定，RTU 及网关则使用装置的地址和点列表预先设定。架构因此得以紧密结合，所有装置可安全有效地交换实时数据。不过，若要新增新装置就必须更新系统设定。

客户端/服务器的替代方案为发布/订阅方式。在这类架构中，只要装置有需要报告的数据或事件，就会主动发布讯息。有一种特殊类型的服务器会负责代理，管理消息队列，将其组织为各个主题。客户端应用程序订阅主题，以便接收数据。使用发布/订阅及讯息，将产生松散结合的架构。新装置可轻松新增至系统，并开始在特定主题发布数据。客户端应用程序将接收数据、识别数据源自新装置，然后依此调整本身架构。显然就网络安全及互操作性能力而言，管理松散结合架构本身就存在着各种挑战。

最常见的物联网 IoT 愿景是松散结合的装置及传感器网络，透过传讯架构发布数据，使用各种 Web 服务及传讯通讯协议，例如消息队列遥测传输 (MQTT)、受限应用协议 (CoAP)、数据分配服务 (DDS)、进阶消息队列协议 (AMQP)。除了AMQP 以外，以上大部分通讯协议都尚未普遍使用。AMQP 通讯协议用于金融业，支持交易模式，因此更为复杂，不适合用于边缘装置。就我们所知，以上通讯协议都未用于能源产业的自动化系统和装置。

在电力产业及 IEC 61968 标准的通用信息模型 (CIM) 之中，已提案纳入使用传讯架构。使用传讯可在装置和企业应用程序之间建立桥梁；这两者运作环境的需求完全不同。

其中一家厂商 Intel 已经提出 IoT 网关开发平台，支持各式各样的通讯技术，并提供软件支持传讯通讯协议及安全性。这类装置可链接这两种不同环境。

不过为了实现真正的互操作性，装置和应用程序也必须共享通用数据模型，这就是IEC 61850和CIM为电力产业完成的成果。

语义

物联网IoT 的一大挑战，就是要理解传感器产生的大量数据。厂商推动的愿景，是让大量装置和传感器共同运作，提供数据给精密的软件应用程序。不过，为了达成以上愿景，应用程序需要了解数据意义，也就是所谓的语义学。传感器读取的是电压还是温度？温度是摄氏或华氏度数？比例系数为何？

为了达到互通目标，装置需要发布自己的数据模型，而软件应用程序则需要依此自行设定，基本上实作所谓“即插即用”的模式。

能源产业透过 IEC 61850 及 CIM，在数据建模和电力网络“物”的语义方面，具有强大的领先优势。不过，我们可以发现愿景仍未完全实现，IEC 61850 所提供的，大多只有相同厂商装置之间的互操作性。