CN103281199A

CN103281199A - 基于id的感知层设备在网络层的统一识别方法

Info

Publication number: CN103281199A
Application number: CN2013101552122A
Authority: CN
Inventors: 颜士博; 李向红; 王忠斌
Original assignee: Shanghai Railway Communication Co Ltd
Current assignee: Shanghai Railway Communication Co Ltd
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-04-30
Also published as: CN103281199B

Abstract

本发明涉及物联网，属于网络通信技术领域，具体涉及一种基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法，其特征在于在所述感知层和网络层之间增加一设备管理层，将所述感知层设备ID按照一定的规则映射为所述设备管理层的设备管理M-ID，用于识别所述感知层设备在所述设备管理层和网络层的表示、识别和管理，并以此作为基础，实现信息在所述感知层和网络层的信息的转换、传输和交换，实现所述感知层设备数值和状态信息在所述网络层的统一的表示和识别。本发明的优点是，解决了当前物联网系统中感知层设备在网络层的表示和识别的问题以及感知层设备信息在基于互联网的网络层传输的问题，技术原理简单、使用成本低、市场前景广。

Description

基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法

技术领域

本发明涉及物联网，属于网络通信技术领域，具体涉及一种基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法。

背景技术

国际电信联盟（ITU）在关与物联网的概念文件中指出，信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物品的阶段，而万物的相连就形成了物联网（the internet of things）。

物联网是一个由感知层、网络层、应用层构成的信息系统。由于物联网概念宽泛，涉及的领域众多，因此，决定了应用层和感知层的多样性。不过从部署来看，系统可以局限在一个特定的小型的区域内实施，也可以跨越广域网实现。感知层信息经由现场总线、局域网，到跨广域网的传输，主要是通过网络层的不断扩展来实现的。

随着近两年移动互联网的发展，移动终端的处理能力也变的越来越强大，如何使不同应用领域的人、物随时随地的享受到基于移动互联网的信息采集、传输、交换到控制，真正实现The internet of things，已逐渐成为各应用领域的迫切需求。

纵观当前市场，当今我们仍然处于物联网的初级阶段，这是由很多因素决定的，其中一个因素就是：感知层的局部属性和多样性特征。感知层设备不仅种类繁多，而且信息处理方式和传输层的协议差异非常大，增加了感知层信息在网络层传输上融合的难度。好的方面是，现场总线网络技术目前发展的也已相对成熟，大量的感知层设备也大都基于这些现场总线技术开发的，如modbus、Lonworks等。同时，现场总线+以太网局域网也已经被大量用于各类以物联网中应用中。但是，将局域网中的感知层信息，通过互联网传输当前仍然面临很多问题，如IPv4 地址的问题，用户使用成本高的问题等等，已成为制约整个物联网行业发展的重要因素。

XMPP是一种以XML为基础的开放式即时通讯协定，是经由互联网工程工作小组（IETF）通过的互联网标准，该协议具有很强的可扩展性，非常适合感知层的信息在互连网上的传输。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法，该识别方法通过在感知层和网络层之间增加一个设备管理层，感知层设备的ID在设备管理层内统一映射为设备管理M-ID，以实现感知层设备的状态信息在设备管理层内得到统一识别；同时通过网络层的XMPP通信服务器分别对设备管理层和网络层通信实体统一分配G-ID，以实现设备管理层对外的相互通信。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法，其特征在于在所述感知层和网络层之间增加一设备管理层，将所述感知层设备ID按照一定的规则映射为所述设备管理层的设备管理M-ID，用于识别所述感知层设备在所述设备管理层和网络层的表示、识别和管理，并以此作为基础，实现信息在所述感知层和网络层的信息的转换、传输和交换，实现所述感知层设备数值和状态信息在所述网络层的统一的表示和识别。

所述设备管理层内分配有用于对外通信的G-ID，所述网络层内可与所述设备管理层进行通信的通信实体同样分配有G-ID。

所述设备管理M-ID由类型、本地端口号以及感知层设备ID三部分构成。

一种用于实现上述基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法的设备管理层，其特征在于所述设备管理层包括本地MODBUS通信代理、设备属性信息表、配置模块、数值数据存储模块以及外部XMPP通信代理，所述本地MODBUS通信代理的本地端口与所述感知层设备通过总线相连，所述外部XMPP通信代理通过外部网络接口与一XMPP通信服务器连接。

所述设备管理层内的本地MODBUS通信代理与所述感知层设备之间的总线协议可为modbus、deviceNet、Lonworks、Zigbee、Profibus、M-Bus；所述设备管理层在所述网络层的协议可为XMPP、SIP、ICQ、STUN、TURN、SOAP。

所述设备管理层的本地端口可为串口RS232\RS422\RS485、USB、433/470Mhz无线、2.4G无线、SPI。

所述设备管理层的外部网络接口可为以太网、WIFI、USB。

一种涉及上述用于实现所述基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法的设备管理层的工作方法，其特征在于所述工作方法至少包括如下步骤：a.在所述设备管理层工作前，通过所述配置模块对所述设备管理层配置如下信息：所述XMPP通信服务器地址、授权访问本设备管理层的通信实体的G-ID、所述设备管理层的G-ID、串口端的工作模式、所述设备管理M-ID与所述感知层设备ID之间的映射配置表，所述信息配置完成后保存；其中所述串口端具体指所述设备管理层的本地端口以及外部网络接口；b.启动所述设备管理层，所述设备管理层的外部XMPP通信代理自动根据上一步骤中的配置信息与互联网上的所述XMPP通信服务器建立连接，并负责维持该连接；c.所述设备管理层的本地MODBUS通信代理自动从所述网络层中接收到的信息报文中按照固定的位置提取所述总线上感知层设备的ID、数值信息以及状态信息；d.所述设备管理层的本地MODBUS通信代理根据所提取到的所述感知层设备ID，自动再加上相对应的所述本地端口号，以形成所述设备管理M-ID；e.所述设备管理层将所述设备管理M-ID作为索引，将从所述感知层设备上获取到的所述数值信息和状态信息以队列、表或缓存的形式存储在所述数值数据存储模块内，以供所述网络层内的通信实体查询，或直接由所述外部XMPP通信代理读取所述设备信息，并按照约定的格式将所述设备信息发至指定的接收端；f.所述设备管理层将所述设备管理M-ID作为索引，将从所述感知层设备上获取到的设备属性存储于所述设备属性信息表内并实时更新，以供所述网络层内的通信实体查询，或所述外部XMPP通信代理读取；g. 所述网络层内的通信实体向所述设备管理层的外部XMPP通信代理发送带有目的感知层设备ID的控制信息，所述数值数据存储模块将该控制信息内所含的目的感知层设备ID号解析后转发给所述本地MODBUS通信代理，所述本地MODBUS通信代理按照预先配置的协议格式通过与所述目的感知层设备ID号相对应的本地端口发送给所述感知层设备执行。

本发明的优点是，采用该技术构建的物联网设备管理层可以很好的解决当前物联网系统中感知层设备在网络层的表示和识别的问题，也可解决感知层设备信息在基于互联网的网络层传输的问题；同时该技术原理简单、使用成本低、市场前景广。

附图说明

图1为本发明中感知层、设备管理层以及网络层之间的关系示意图；

图2为本发明中的设备管理层的实现框图；

图3为本发明中一种设备属性信息构成示意图；

图4为本发明的典型应用实例示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法，该识别方法具体是在感知层和网络层之间增加一个设备管理层，将感知层设备ID按照一定的规则映射为设备管理层的设备管理M-ID，用于识别所述感知层设备在所述设备管理层和网络层的表示、识别和管理，并以此作为基础，实现信息在所述感知层和网络层的信息的转换、传输和交换，实现所述感知层设备数值和状态信息在所述网络层的统一的表示和识别；同时设备管理层和网络层中的通信实体也各自分配有G-ID，用于实现设备管理层和通信实体之间的表示、识别和管理。

如图1、2所示为用于实现上述基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法的设备管理层，该设备管理层主要包括本地MODBUS通信代理、设备属性信息表、配置模块、数值数据存储模块以及外部XMPP通信代理，本地MODBUS通信代理的本地端口与感知层内的设备通过总线相连，外部XMPP通信代理通过外部网络接口与XMPP通信服务器通信连接。网络层协议采用XMPP，感知层协议采用MODBUS，其功能是：实现设备管理层所连接的总线上的感知层的设备进行统一的管理、数据收集、控制、信息传输，并在XMPP通信服务器的支援下，负责总线上的感知层设备的信息在网络层数据的双向的传输。

其中外部XMPP通信代理，负责与XMPP通信服务器建立连接、维护连接，用于接收通信服务器转发的远程控制设备的查询、控制等命令。设备管理层的外部网络接口可是以太网、WIFI、USB等。

本地MODBUS通信代理，负责对连接至本设备管理层相应端口的感知层modbus总线上的设备进行统一的管理，实现设备管理M-ID与感知层设备id之间的映射，并负责采集感知层总线设备的数值数据信息，将这些信息通过数值数据处理接口程序，存储到本地数据库中。设备管理层本地接口可为串口如RS232\RS422\RS485、USB、433/470Mhz无线、2.4G无线、SPI等。

数值数据存储模块的功能则是：提供内部感知层modbus总线设备信息的存储、更新等功能，同时负责提供xmpp通信代理接受到的远程的控制命令解析、执行的功能。

对基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法，约定如下：

①在感知层内的各设备均拥有其唯一的ID，按照一定的规则统一映射为设备管理层内的设备管理M-ID，将属于本设备管理层的所有感知层设备的设备ID，划分为一个基本的ID域，域内每个实体拥有一个唯一的ID标识；

②在网络层，将对等的通信实体也划分为一个统一的域，域内每个通信实体用一个唯一的G-ID识别，该G-ID由通信服务器统一管理，这里的通信实体主要是指：设备管理层和运行在各类设备上可以与设备管理层进行通信的软件；

③不同层次的域内ID号可相同，ID由数字、字符或符号组成或组合而成；

④至此，所有感知层设备都可以采用设备管理M-ID+网络层G-ID的方式，在整个网络层信息传输域内进行唯一的识别。

其次需要明确相邻层次之间的关系：

上层实体负责对下层所有实体的ID设备进行管理，管理的内容包括但不限于如下内容：实体的ID、实体的属性、实体的当前状态、通信连接状态等。

上层实体也负责为下层实体提供服务，服务的内容包括但不限于如下内容：控制服务、通信服务、数据收集、数据交换等。

如图1所示，本设备管理层内的ID可分为两个域，一个用于设备管理层对外的通信，即本设备管理层在网络层可与之相互信息交换的通信实体，包括:网络层内的通信实体G-ID、远程网关的G-ID，以及本设备管理层G-ID；另一个是对内的通信，用于本设备管理层对连接至本设备管理层的感知层通信实体进行统一标识、信息采集、映射与管理等。

其中设备管理层对外的G-ID，即网络层的ID ，由XMPP通信服务器统一分配和管理，网络层域内ID可以通过注册的方式获取，也可通过预分配的形式获得；基于安全考虑，设备管理层通常需要对访问本设备管理层的网络层对等的通信实体做出限定，或直接指定一个或几个远程通信实体G-ID。

其中设备管理层对内的ID，即设备管理层对感知层设备的设备管理M-ID，由连接的端口号+感知层设备ID构成，这是一种最基本的构成方法，也可以在此基础上增添需要的其它字段。该构成方式即可解决感知层设备信息在网络层传输的问题，设备识别的问题，也可解决本设备管理层设备管理域内不同设备之间的寻址和识别问题。但在实际的应用中，也可以以不同的形式出现，如：设备管理层的一个串口作为通信的对象也可以为一个独立的ID，如：端口号。一旦感知层设备所连接的设备管理层的端口固定下来，感知层设备ID与在设备管理层的设备管理M-ID之间的映射关系便唯一的确定下来。设备管理层对内的每一个物理端口均不支持异构的感知层网络，但不同的物理端口之间，可以支持异构的感知层网络。

如图1、2和3所示，该设备管理层的工作方法具体过程如下：

首先，在设备管理层工作以前，需要通过配置模块对设备管理层配置如下信息：XMPP通信服务器地址、授权访问本设备管理层的远程通信实体的G-ID、本设备管理层的G-ID、串口端的工作模式、设备管理M-ID与感知层设备ID之间的映射配置表，上述信息配置完成后保存；其中串口端具体指设备管理层的本地端口以及外部网络接口；

一旦以上配置完成，每次设备管理层启动时，设备管理层的外部XMPP通信代理会自动根据以上的配置信息与互联网上的XMPP通信服务器自动建立连接，并负责维持该连接；

一旦串口的工作模式确定下来之后，设备管理层对应的接口通信代理协议功能，便唯一的确定下来，设备管理层的本地MODBUS通信代理的本地端口就可以自动从接收到的信息报文中按照固定的位置提取总线上感知层设备的ID、数值信息、状态信息等；

设备管理层的本地MODBUS通信代理将提取到的感知层设备的slave ID，自动再加上类型和端口号，便形成统一的设备管理M-ID，该过程可由通信代理模块自动完成，也可查表的形式获得；

设备管理层把设备管理M-ID作为索引，将获取到的数值、状态等信息以队列、表或缓存的形式存在设备管理层内的数值数据存储模块内，供外部网络传输实体的查询，或直接由外部XMPP通信代理功能模块读取这些信息，并按照约定的格式将这些信息发给指定的接收端；

设备管理层将把设备管理M-ID作为索引，将获取到的设备的属性值进行更新，供外部网络实体的查询或外部代理服务功能模块读取；其中设备的属性包括IO输入、IO输出、温度值、压力值和流量值等；

设备管理层接收的是对感知层设备控制的信息，该控制信息内包含有感知层设备的目的ID，则将目的ID解析后直接转发给对应端口的本地MODBUS通信代理，由该对应端口的本地MODBUS通信代理按照预先配置的协议格式发给感知层设备执行；

此外，该设备管理层对内提供通信服务的端口也可以独立拥有一个管理M-ID号，该M-ID号既为该端口所连接的设备管理号，可按照以上处理方式对该设备进行管理和数值查询、存储，或直接实现透传的方式。

如图4所示为基于本设备管理层及其工作方法而构建的一个典型的应用系统场景，该系统包括：远程控制终端、XMPP通信服务器、设备管理层、应用服务器、现场总线、各类感知层设备，其中所述设备管理层和远程控制终端分别通过以太网局域网和移动互联网连接至XMPP通信服务器，XMPP通信服务器负责在移动终端和总线设备管理层之间建立通信链路，设备管理层连接着现场总线，负责将总线上的感知层设备信息经过XMPP通信服务器实时的转发给远程控制端，同时接收经通信服务器转发过来的操控指令，转发到总线上。

以上过程，还包含报文的校验、解析、封装等等一系列通用的处理过程，因此，无论是文字还是提供的图示都没有加以说明。

本实施例中所述及的设备管理层及其工作方法，其功能既不是传统意义上的协议转换器，也不同于交换机和路由器，而是集设备管理、信息交换、信息传输为一体的多功能性设备,也有别于常见的传统的MODBUS网关，如MODBUS/以太网网关。对本设备管理层的一种具体的定义可表述为：物联网感知层设备即modbus slave设备并不指明信息的目的ID，设备管理层仅起到对所连接的内部感知层设备进行统一管理、收集设备采集的数据、更新数据、传输操作指令等。对外则接收外部对其管理的感知层设备的查询，包括属性、状态、数据，以及接收、传输、执行外部对感知层设备的操控指令，由上层的具体的应用程序负责处理MODBUS总线上的感知层设备采集的数据处理和控制问题。

实施本实施例中的方法，具有如下效果：该实施例不仅可以解决感知层设备信息在互联网网络层统一识别的问题，而且还可以很好的解决感知层设备信息在互联网网络层传输的问题，该发明原理技术实用，实施方便，成本低，扩展性好。

Claims

1.一种基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法，其特征在于在所述感知层和网络层之间增加一设备管理层，将所述感知层设备ID按照一定的规则映射为所述设备管理层的设备管理M-ID，用于识别所述感知层设备在所述设备管理层和网络层的表示、识别和管理，并以此作为基础，实现信息在所述感知层和网络层的信息的转换、传输和交换，实现所述感知层设备数值和状态信息在所述网络层的统一的表示和识别。

2.根据权利要求1所述的一种基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法，其特征在于所述设备管理层内分配有用于对外通信的G-ID，所述网络层内可与所述设备管理层进行通信的通信实体同样分配有G-ID。

3.根据权利要求1所述的一种基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法，其特征在于所述设备管理M-ID由类型、本地端口号以及感知层设备ID三部分构成。

4.一种用于实现权利要求1中所述基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法的设备管理层，其特征在于所述设备管理层包括本地MODBUS通信代理、设备属性信息表、配置模块、数值数据存储模块以及外部XMPP通信代理，所述本地MODBUS通信代理的本地端口与所述感知层设备通过总线相连，所述外部XMPP通信代理通过外部网络接口与一XMPP通信服务器连接。

5.根据权利要求3所述的一种用于实现所述基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法的设备管理层，其特征在于所述设备管理层内的本地MODBUS通信代理与所述感知层设备之间的总线协议可为modbus、deviceNet、Lonworks、Zigbee、Profibus、M-Bus；所述设备管理层在所述网络层的协议可为XMPP、SIP、ICQ、STUN、TURN、SOAP。

6.根据权利要求3所述的一种用于实现所述基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法的设备管理层，其特征在于所述设备管理层的本地端口可为串口RS232\RS422\RS485、USB、433/470Mhz无线、2.4G无线、SPI。

7.根据权利要求3所述的一种用于实现所述基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法的设备管理层，其特征在于所述设备管理层的外部网络接口可为以太网、WIFI、USB。

8.一种涉及权利要求4-7所述的用于实现所述基于ID的感知层设备在网络层的统一识别方法的设备管理层的工作方法，其特征在于所述工作方法至少包括如下步骤：a.在所述设备管理层工作前，通过所述配置模块对所述设备管理层配置如下信息：所述XMPP通信服务器地址、授权访问本设备管理层的通信实体的G-ID、所述设备管理层的G-ID、串口端的工作模式、所述设备管理M-ID与所述感知层设备ID之间的映射配置表，所述信息配置完成后保存；其中所述串口端具体指所述设备管理层的本地端口以及外部网络接口；b.启动所述设备管理层，所述设备管理层的外部XMPP通信代理自动根据上一步骤中的配置信息与互联网上的所述XMPP通信服务器建立连接，并负责维持该连接；c.所述设备管理层的本地MODBUS通信代理自动从所述网络层中接收到的信息报文中按照固定的位置提取所述总线上感知层设备的ID、数值信息以及状态信息；d.所述设备管理层的本地MODBUS通信代理根据所提取到的所述感知层设备ID，自动再加上相对应的所述本地端口号，以形成所述设备管理M-ID；e.所述设备管理层将所述设备管理M-ID作为索引，将从所述感知层设备上获取到的所述数值信息和状态信息以队列、表或缓存的形式存储在所述数值数据存储模块内，以供所述网络层内的通信实体查询，或直接由所述外部XMPP通信代理读取所述设备信息，并按照约定的格式将所述设备信息发至指定的接收端；f.所述设备管理层将所述设备管理M-ID作为索引，将从所述感知层设备上获取到的设备属性存储于所述设备属性信息表内并实时更新，以供所述网络层内的通信实体查询，或所述外部XMPP通信代理读取；g. 所述网络层内的通信实体向所述设备管理层的外部XMPP通信代理发送带有目的感知层设备ID的控制信息，所述数值数据存储模块将该控制信息内所含的目的感知层设备ID号解析后转发给所述本地MODBUS通信代理，所述本地MODBUS通信代理按照预先配置的协议格式通过与所述目的感知层设备ID号相对应的本地端口发送给所述感知层设备执行。