CN105407129B - 借助opcua协议以无线网络能量优化地传输数据的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种借助 OPCUA 协议以无线网络能量优化地传输数据的方法和装置。如果在移动设备中运行OPC‑UA通讯，例如，为了维修、监控、参数化等目的作为设备部件的移动接入，则通过基于询问‑应答的OPC‑UA自身的通讯行为而频繁地发送自身的通讯行为。因为在这种情况下设备几乎无法关闭发送器，所以使设备的蓄电池或电池非常迅速地放电。特别地，这在设备应当及时对偶发警告或者事件作出反应时导致了问题。但是，当应当仅就一个事件向客户端设备进行报告时，则放弃至此的轮询、即定期的询问，并且被迫通过移动网络的固有部件采用替代报告。该方法使用了例如必须已经由网络供应商提供的移动推送服务。

Description

借助OPCUA协议以无线网络能量优化地传输数据的方法和 装置
技术领域
本发明涉及一种用于在客户端/服务器系统的至少一个客户端和至少一个服务器之间通过使用OPC-UA通讯协议经由通讯网络进行通讯的方法。
背景技术
OPC UA(OPC Unified Architecture OPC统一架构)是一种用于特别是在过程自动化中为交换机器数据而进行不取决于生产商的通讯的OPC基金会的工业标准协议。OPCUA是相对较新的标准，其中最初的焦点不在于工业设备的控制，而更确切地说是在于标准化的信息交换，特别是在不同生产商的设备之间。
现在，OPC UA也直接集成到自动化技术设备中，从而产生了连续写入数据的必要性。在自动化技术设备中存在以下必要性，即在不同的设备中要交换过程信息(如过程值、测量值、参数、控制指令)。在此重要的是，信息连续地且无误差地在参与者之间传递。这在数据改变地调出(即写入变量)时是特别重要的。
OPC UA协议也能够通过因特网连接来通讯。在因特网中存在以下协议，即客户端/服务器通讯必须始终由客户端初始化，即只允许客户端向服务器提出询问，并且然后允许服务器应答该询问。然而，这与自动化设备的要求相矛盾，即通讯任何时候都必须由两个通讯伙伴来初始化。
目前，OPC UA通过其事先已经从客户端向服务器发送至少一个(或多个)询问的方式解决了该问题。该机制也在图2中被示出。当服务器(UA-S)想要向客户端(UA-C)发送数据时，服务器能够遵守协议地进行前述过程，来作为对该询问的应答。这些询问(PR1，PR2，PR3)称为“发布-询问(Publish-Request)”，所配属的应答(PA1，PA2，PA3)称为“发布-应答(Publish-Response)”。通常，维持直至三个询问。如果服务器方面对于一个时间长度不存在向客户端发送数据的需要，则其发送“空”应答，也称为“保活(Keep-Alive)”。如果客户端接收到对其询问“发布-询问”的应答“发布-应答”，则客户端向服务器发送新的询问。
该“保活”机制是重要的，因为因特网中的数据交流通过防火墙/代理服务器和类似的网元来监控。当对于一段时间经由连接没有数据交流(Traffic)时，该网元关闭连接。此外，该机制也用于，通过连接的根据规定的功能来报告通讯伙伴。利用现今的部件必须至少每10秒发送一个保活消息，以便保持发送器和接收器同步。在维修情况中应加大地考虑到将来OPC UA的扩张和手机与平板电脑的日益增多的应用。
移动设备无线地、通过无线电，例如无线局域网、蓝牙、3G、LTE来通讯。因为该设备通常借助电池或蓄电池来供电，并且该设备上运行的应用程序的能量需求直接地影响设备的运行时间，因此设备必须尽可能节能地工作。在移动设备中的最大的能量消耗产生于发送报文时。因此，应当尽可能少地激活用于发送的天线。相反，从能量平衡角度来讲，接收则是非关键的。
现在，如果在移动设备中进行OPC-UA通讯(例如，为维修、监控、参数化目的作为通向设备部件的移动接入)，则通过基于询问-应答的OPC-UA自身的通讯行为而频繁地发送。因为设备在这种状态下几乎无法关闭发送器，所以使设备的蓄电池或电池非常迅速地放电。特别地，这在设备应当及时对偶发警告或者事件作出反应时导致了问题。
在定义OPC-UA标准时并不考虑移动通讯的状况。现今已应用在设备中的移动终端设备(例如MOBIC，MOBile Industrial Communicator工业无线移动通讯器，西门子公司，一种利用可插拔的无线卡和无线局域网用于局域或全球地接入内部网和因特网的工业适用的因特网平板电脑)，通过其他的协议来通讯。
现今对于该问题还没有创设解决方案。在维修情况中应加大地考虑到将来OPC UA的扩张和手机与平板电脑的日益增多的应用。
发明内容
本发明的目的在于，给出一种方法和一种装置，其消除了上述问题并且实现了在OPC-UA协议下应用移动终端设备。
用于在客户端/服务器系统的至少一个客户端和至少一个服务器之间通过使用工业通讯协议OPC-UA经由通讯网络进行通讯的方法，其特征在于，允许仅来自至少一个客户端的询问和随后仅来自至少一个服务器的应答，并且，其包括所谓的保活机制，其中当在所谓的保活时间段内不传输数据包时，使在服务器和客户端之间存在的数据连接终止，其中，客户端首先从服务器处接收第一触发报文，并且随后将其询问发送到服务器处。
据此，用于执行上述方法的装置包括发送装置，在保活时间段结束后，该发送装置在存在待传输的信息时向客户端发送触发报文。
当所计划的从服务器向客户端的通讯由正好一个OPC-UA事件报告系统的传输组成时，该方法表现得特别有利。在此，很明显的是，当客户端设备不必持续地维持除了在此期间必要的保活包之外没有进行发送的连接时，能够实现哪种能量节约及由此的运行时间延长而无需对能量存储器再充电。
有利的是，在使用当前常见的移动终端设备时，所隶属的通讯网络至少包括因特网或符合常规的移动无线标准、特别是GSM、GPRS、Edge、LTE、UMTS或HSPA的移动无线网络。
当所隶属的通讯网络是因特网，则有利地采用HTTP协议或HTTPs通道协议。
有利地，机制基于由所隶属的通讯网络实现的推送服务来执行。在此，通讯能够通过推送服务接口来实现。
如果要通过使用OPC-UA重新发布机制使用该方法以重复询问具有唯一的序列号的数据包，则对接收具有该序列号的数据包不进行确认，其中，在OPC-UA定义的时间段内直至在发送器中丢弃数据包为止，再次询问数据包都是可行的。
在引言中描述的OPC-UA协议的通讯机构中，利用基于询问-应答的机制来考虑了网络通讯的需求，其中该机制适用于每种应用情况。但是，对例如OPC-UA的基于TCP/IP的变体来说，这不是必需的。
现在，根据本发明的解决方案在客户端-和服务器方面介入到协议层。在此，OPC-UA架构的上层保持不变，因此该方法能够简明易懂地应用。
协议层的交换设置在OPC-UA内，由此，本发明是符合标准的扩展。对于在短时间间隔内的通讯来说，所有都保持不变。
但是，当只应当关于(正好)一个事件报告客户端设备时，则放弃了截至目前的轮询(Polling)，即利用代理服务器的超时值为10-30秒的周期性询问，并且通过移动网络的固有部件采取替代报告。
该方法基于例如必须已经由网络供应商提供的移动推送服务。该网络供应商提供了服务接口，OPC UA服务器利用该服务接口来报告其想要对话的客户端、例如移动终端设备，如智能手机。在根据GSM标准的移动无线网络的实例中，GSM供应商为此提供具有服务接口的移动推送服务。现在，如果要由OPC UA服务器唤醒OPC UA客户端，则OPC UA服务器通过推送服务接口来触发给OPC UA客户端的报文。这此时例如利用给移动终端设备的电话号码的隐藏文本信息来实现。客户端执行使得，在有这种隐藏信息时重新唤醒OPC-UA。随后，客户端取得了该报文或来自OPC UA服务器的报文，直至其能够重新进入休眠为止。
附图说明
借助附图进一步阐述本发明，其中示出了：
图1是根据本发明在OPC UA客户端与OPC UA服务器之间的数据交换，
图2是根据现有技术条件在OPC UA客户端与OPC UA服务器之间的数据交换，
图3是具有根据本发明的装置的示例性的网络构造，和
图4是根据现有技术条件的能量消耗与根据本发明的解决方案相比的计算。
具体实施方式
类似图2地，在图1中示出了根据本发明的机制。当服务器(UA-S)想要向客户端(UA-C)发送数据时，服务器能够进行前述过程作为对这些询问之一的应答。特别当已经超出保活时间(T0)时，根据本发明，利用触发报文(WU)来触发这些询问(PR)。此时不必使客户端持续地保持发送与接收待命。
示例性的运行可以如下所示：在客户端UA-C方面将询问PR(发布询问PublishRequest)无替代地删除。在服务器UA-S方面始终由此出发，即询问、发布询问是可用的并且将相应的应答、发布相应直接地发送至客户端UA-C。
这种新的行为能够在构建服务器和客户端之间的连接时显而易见地达成。在此实现了，在配置了数据更新后(OPC UA：Create Subscription创建订阅等)，在理想情况下客户端对于数据改变而言完全不必再激活发送器。
如果OPC-UA客户端期望(按标准可选择地定义的)OPC-UA“重新发布(Republish)”机制，那么能够如下地进行：
待传输的数据包(OPC UA报告消息)是连续地用序列号编号的。接收器不对具有相应序列号的数据包的接收进行确认。在一个时间段结束后，给客户端的报告过期，就如在标准中所设置的一样。OPC-UA客户端(仅)在该时间段内能够询问重复(重新发布)数据包。在重新发布询问中，OPC-UA客户端报告，其想要从哪个序列号开始重新发送的数据。通常，在移动设备中不使用重新公布机制。如果移动设备使用该机制，这是可行的，然而为了发布，OPC-UA客户端必须将其发送器激活。
如果采用HTTPS通道协议作为传输协议，则上述同样适用，如对于OPC-Binary一样，因为通道在内部使用相同的协议。
如果采用HTTP作为传输协议，则必须考虑HTTP的询问应答范式：这由此来实现，即存在唯一的发布询问，通过“分块数据编码(Chunked Data Encoding)”为该询问发送多个应答。从http协议的角度仅涉及唯一的应答。
如果进行传输监控，则必须在HTTP层上设置强制分离/新连接，其以监控的条件为导向。在这种情况下，必须在由监控预定的间隔内将发送器激活，因此至少在能量消耗方面具有缺点。但是，在应用于自动化技术设备中的范畴内，这通常变得不重要，因为次是已经对基础设施进行了控制。
优选地，应用要求权利的方法以实现执行对具有典型的低通讯频率的事件(Event)的节能地应答。OPC-UA不基于借助“轮询”通讯的询问机制，而是执行具有同等意义的所谓的“回叫接口(Callback Interface)”。通过借助相应的推送服务接口(GW)在移动的客户端和服务器方面智能地集成到通讯堆栈中，前述对于应用来说能够简单地实现。
通常，会话(Session)的寿命是非常长的，因而，在需要时再次构建连接(http/TCP连接)是有利的。对应用来说，该工作方法简单地实现。
下面，示例性地描述了服务器推送模式的执行，也再次参阅图1和图3中的示图。
OPC-UA客户端UA-C发出询问、PR0发布询问，OPC-UA堆栈在客户端方面(由客户端应用Client APP，C-APP、OP-UA-Client API，C-API、网络协议套接层IP Socket Layer，IP-SL构成)缓存了该询问。OPC-UA服务器UA-S在有事件时发出具有发布-应答信息的触发报文，WU唤醒消息。OPC-UA客户端堆栈将应答、发布应答发送到客户端。
下面，作为有利的实施例，图3中描述了移动客户端C-APP，其应当仅用于报告故障。在报告的情况下，用户应该立刻访问数据并且能够相应地使用这些数据。通讯通过因特网I和/或移动无线网络M NW来进行。在此，适用以下边界条件：网络中的代理服务器“保活”周期为10秒并且平均每天传输两至三个事件。在500毫秒之后实现天线部件的去激活。
推算能量需求：
现今的解决方案，类似图4A：
客户端必须每小时询问服务器360次，以便检验是否有新的报文。如果客户端不这样做，则代理服务器会结束会话并且其可能必须重新构建完整的会话。
由此，除了空闲能量之外，作为能量消耗T1…T360有：
每天必须发送24*360＝8640个询问(Requests)。
每次将天线部件激活至少0.5秒。作为活跃的天线时间，在此至少有：
每天8640*0.5＝4320秒＝72分钟。
比较所提出的解决方案：
3个事件每天产生3个唤醒活动TE1，TE2，TE3。
因此，活跃的天线时间是：
每天3*0.5秒＝1.5秒。
由此可以证实显著的节能潜力。移动终端设备的电池或蓄电池运行时间的预期延长处于倍数范围中。如果将OPC-UA协议无改动地例如应用在移动无线设备上或具有能量存储器的同类设备上，则在耗电时预期会有更强烈的损失，也就是说，设备的运行时间仅几个小时，因为发送器是如上近似永久地活跃的。
OPC-UA协议不提供以下移动设备的应用，在其中客户端使其发送需求最小化。在此的方法用最小化的调用在OPC-UA的通讯架构中实现了显著的能量节约。这保证了，利用改动几乎排除了行为中未考虑到的副作用。方法能够作为标准的改进方案来实现，这样两个通讯伙伴始终表现得标准兼容(并且由此与第三方设备兼容)。
另一个有利的作用是，能够明显简化服务器和客户端中的管理，因为取消了对发布询问的完全管理。

Claims (16)

1.一种用于在客户端/服务器系统的至少一个客户端(UA-C)和至少一个服务器(UA-S)之间通过使用OPC-UA通讯协议经由通讯网络(N)进行通讯的方法，所述通讯网络的特征在于，允许仅来自至少一个客户端(UA-C)的询问(PR)和随后仅来自至少一个服务器(UA-S)的应答(PA)，并且，所述通讯网络包括保活机制，即当在保活时间段(T0)内不传输数据包时，使在所述服务器(UA-S)和所述客户端(UA-C)之间存在的数据连接终止，
其特征在于，
所述客户端(UA-C)接受来自所述服务器(UA-S)的第一触发报文(WU)，并且随后将该客户端的询问(PR0)发送到所述服务器(UA-S)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所计划的从所述服务器(UA-S)到所述客户端(UA-C)的通讯由正好一个OPC-UA事件报告系统的传输组成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所隶属的所述通讯网络包括因特网(I)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所隶属的所述通讯网络包括符合常规的移动无线标准，特别是GSM、GPRS、Edge、LTE、UMTS或HSPA的移动无线网络(M NW)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所隶属的所述通讯网络中采用HTTP协议。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所隶属的所述通讯网络中采用HTTPS通道协议。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述机制基于由所隶属的所述通讯网络(M NW)实现的推送服务来执行。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述通讯通过推送服务接口(GW)来实现。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，OPC-UA重新发布机制应当用于重复询问具有唯一的序列号的数据包，其特征在于，对具有该序列号的所述数据包的接收不进行确认，其中，在所述OPC-UA所定义的时间段内直至在发送器中丢弃所述数据包为止，能够再次询问所述数据包。
10.一种根据权利要求1至9中任一项所述的方法在技术设备中的应用，以用于该设备的技术组件的状态监控。
11.一种用于经由通讯网络(N)执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的装置(UA-S)，所述通讯网络的特征在于，允许仅来自至少一个客户端(UA-C)的询问和随后仅来自所述装置(UA-S)的应答，并且，所述通讯网络包括保活机制，其中，当经过保活时间段(T0)不传输数据包时，使在服务器(UA-S)和所述客户端(UA-C)之间存在的数据连接终止，其特征在于，所述装置(UA-S)包括发送装置(S-API)，在所述保活时间段(T0)结束后，该发送装置在存在待传输的信息时向所述客户端(UA-C)发送触发报文(WU)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置是能量自给型传感器。
13.一种用于通过通讯网络(N)执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的装置(UA-C)，所述通讯网络的特征在于，允许仅来自所述装置(UA-C)的询问(PR)与随后仅来自服务器(UA-S)的应答(PA)，并且，所述通讯网络包括保活机制，其中，当经由保活时间段(PTI)不传输数据包时，使所述服务器(UA-S)和所述装置(UA-C)之间存在的数据连接终止，其特征在于，所述装置(UA-C)具有用于触发报文(WU)的接收(C-API)和用于向所述服务器(UA-S)发送询问(PR)的部件。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述通讯网络是因特网。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置是能量自给型的设备。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置是移动的设备。
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