CN105867314A - 远程监控系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够提高通信效率且减少通信成本的远程监控系统及其通信方法。本发明的远程监控系统包括：提供应用所需的信息的多个终端；各自具有通信单元、存储单元和传输控制单元的多个网关装置，每个网关装置与多个终端中的一部分进行通信；和服务器，其能够与网关装置进行通信，多个网关装置被服务器分成多个组，多个网关装置的每一个存储有该网关装置的分组信息，网关装置的传输控制单元控制来自服务器的信息的转发，当服务器根据用户的应用请求选择一个网关装置并向其发送应用指令时，被选择的网关装置接收该应用指令，并将该应用指令转发至能够与用户请求的应用所涉及的终端通信且与被选择的网关装置同组的网关装置。

Description

远程监控系统及其通信方法

技术领域

本发明涉及物联网中远程监控系统及其通信方法，尤其涉及具有休眠功能的节点的通信管理方法。

背景技术

物联网是采用信息技术，将物品与物品、物品与人结合起来而形成一个巨大网络，并在此基础上提供各种应用的系统，代表性应用领域包括智能交通、智能建筑等。物联网包括感知层、网络层和应用层三个层面，其中感知层包括各种传感器及设备等；网络层提供传感器、设备和用户间的通信功能；应用层为用户提供各种应用。

物品与物品之间的通信是实现物联网的基础，M2M(Machine-To-Machine：机器对机器)技术就是通过通信网络，实现物品与物品之间通信的技术。M2M技术通常利用运营商网络提供的通信方式进行通信，包括SMS(Short Message Service：短信通群发系统)消息、GPRS、3G等。远程监控系统就是物联网的一个典型应用场景。

对于远程监控系统而言，由于远程终端部署环境的多样性，对于需要用到的通信方式带来了很多限制，比如耗电量、带宽、费用等等。如何提高通信效率，在环境限制的条件下满足通信需求，成为物联网系统亟待解决的问题之一。为了提高通信效率出现了一些公知技术。专利文献1公开了一种可以在蜂窝网络中节约能耗的M2M业务通信方法。该专利文献公开的通信方法采用休眠的方式节约远程节点的能耗，并采用短信消息来唤醒休眠中的节点，并获取该节点的IP地址等信息，从而完成用户到该节点的通信。通过该专利文献公开的方法，能够减少远程节点的能耗，同时完成用户及服务器访问远程节点的功能。

专利文献1：US8,279,802B1

发明内容

然而，该专利文献公开的通信方式仅考虑能耗限制，并未考虑带宽、节点处理能力等方面的限制，这样可能带来通信效率的降低。另外对于存在大量远程节点的情况下，尤其是对于跨国通信的情况，每个远程节点都采用SMS消息唤醒会带来很大的通信成本。

鉴于上述现有技术中的课题，本发明提供一种物联网通信系统及方法，综合考虑远程节点的能耗、处理能力、费用等因素，从而为物联网应用提供效率高且成本低的通信方式。

本发明的第一方面的远程监控系统，其特征在于，包括：获取监控对象的信息以提供应用所需的信息的多个终端；各自具有通信单元、存储单元和传输控制单元的多个网关装置，每个网关装置经由所述通信单元与所述多个终端中的一部分进行通信；和服务器，其能够与所述网关装置的通信单元进行通信，所述多个网关装置被所述服务器分成多个组，所述多个网关装置的每一个的存储单元中存储有该网关装置的分组信息，所述网关装置的传输控制单元控制来自服务器的信息的转发，当所述服务器根据用户的应用请求选择一个网关装置并向其发送应用指令时，被选择的网关装置的通信单元接收该应用指令，并由所述传输控制单元将该应用指令转发至能够与用户请求的应用所涉及的终端通信且与被选择的网关装置同组的网关装置。

根据本发明的第一方面的远程监控系统，能够减少大量服务器与远程节点(至少一个网关装置)之间的通信，提高通信效率。

本发明的第二方面的远程监控系统，其是在第一方面的远程监控系统中，所述服务器在选择作为应用指令发送目标的网关装置时，根据预先存储的所述服务器与各网关装置和各网关装置相互之间的通信费用和通信质量来选择总的通信费用低且通信质量满足应用的需求的网关装置。

根据本发明的第二方面的远程监控系统，能够在保证应用需求的前提下降低信息发送成本。

本发明的第三方面的远程监控系统，其是在第一或第二方面的远程监控系统中，所述服务器将相互之间的地理位置在规定距离之内或由同一个运营商提供网络连接或支持的应用相同的网关装置分为同一组。

根据本发明的第三方面的远程监控系统，在监控节点与服务器距离较远的情况下有利用于提高信息发送效率，降低信息发送成本。

本发明的第四方面的远程监控系统的通信方法，其中所述远程监控系统包括获取应用所需的信息的多个终端、各自与该多个终端中的一部分进行通信的多个网关装置和能够与该多个网关装置进行通信的服务器，所述远程监控系统的通信方法的特征在于，包括：所述服务器对所述网关装置进行分组的步骤；所述服务器根据用户的应用请求选择一个网关装置并向其发送应用指令的步骤；被选择的网关装置接收接收所述应用指令，并将该应用指令转发至能够与用户请求的应用所涉及的终端通信且与被选择的网关装置同组的网关装置的步骤。

根据本发明的第四方面的远程监控系统的通信方法，能够减少大量服务器与远程节点(至少一个网关装置)之间的通信，提高通信效率。

本发明的第五方面的远程监控系统的通信方法，其是在第四方面的远程监控系统的通信方法中，所述服务器在选择作为应用指令发送目标的网关装置时，根据预先存储的所述服务器与各网关装置和各网关装置相互之间的通信费用和通信质量来选择总的通信费用低且通信质量满足应用的需求的网关装置。

根据本发明的第五方面的远程监控系统的通信方法，在监控节点与服务器距离较远的情况下有利用于提高信息发送效率，降低信息发送成本。

本发明的第六方面的远程监控系统的通信方法，其是在第四或第五方面的远程监控系统的通信方法中，所述服务器将相互之间的地理位置在规定距离之内或由同一个运营商提供网络连接或支持的应用相同的网关装置分为同一组。

根据本发明的第六方面的远程监控系统的通信方法，在监控节点与服务器距离较远的情况下有利用于提高信息发送效率，降低信息发送成本。

根据本发明的远程监控系统及其通信方法，能够减少大量服务器和远程节点间的通信，提高通信效率。并且，能够减少服务器发出的消息数量，在监控节点与服务器距离较远的情况下有利于提高信息发送效率，减少信息发送成本。

附图说明

图1是本发明的远程监控系统的概略结构图。

图2是本发明的服务器的概略结构图。

图3是本发明的网关装置的概略结构图。

图4表示表示本发明的远程监控系统的通信流程。

图5表示本发明的实施例的网关装置的信息表的一例。

图6表示本发明的实施例的网关装置状态表的一例。

图7表示本发明的实施例的网关装置间通信费用及质量表的一例。

图8表示本发明的实施例的消息需求表的一例。

图9表示本发明的服务器的工作流程。

图10表示本发明的网关装置的工作流程。

具体实施方式

本发明的远程监控系统及其通信方法能够在多种场合应用，例如施工设备的监控管理，工厂学校等大型设备的监控和管理等。为便于说明，下面以施工设备的远程监控中的应用为例说明本发明。

首先说明本发明的远程监控系统的概略结构。

图1是本发明的远程监控系统的概略结构图。如图1所示，本发明的基于物联网的远程监控系统包括服务器、网关装置及其下属传感器。网关装置和多个传感器组成一个远程监控节点，传感器具有采集信息、控制设备等功能，并通过网关装置与服务器进行通信。服务器维护网关装置及其连接的监控节点的相关信息。网关装置负责连接传感器网络，并与服务器进行交互。在本发明中，远程监控节点可以是一个也可以是多个。每个远程监控节点中至少包括一个网关装置。此外，本实施方式中网关装置下属的是传感器，但是作为获得监控对象的信息的装置，还可以是射频标签等其它各种终端。

图2表示服务器的概略结构。如图2所示，服务器包含存储单元、控制单元和通信单元。其中通信单元用于与远程监控节点也就是其中的网关装置进行通信，控制单元用于接收远程监控节点中的网关装置的相关信息，对网关装置进行分组，并确定应用信息从服务器向网关装置发送的具体方式。存储单元保存与该服务器相关的网关装置信息以及该服务器支持的应用的相关信息。其中，各网关装置与服务器和各网关装置相互之间的通信质量、通信费用等信息也保存在存储单元中，在需要计算的时候用于计算出通信质量能够满足应用的需要且通信费用最低的网关装置作为发送应用指令的目标网关装置。

图3表示网关装置的概略结构。如图3所示，网关装置由通信单元、存储单元和传输控制单元组成。通信单元用于与服务器、其他相邻网关装置以及传感器进行通信。存储单元用于存储本监控站点的传感器信息以及相邻网关装置的信息。传输控制单元在收到服务器发送来的信息之后，根据相邻网关装置以及信息的应用类型等对信息进行转发。此处所说的相邻网关装置，既指地理位置相近的网关装置也就是在规定距离以内的网关装置，也指由同一运营商提供网络通信的其它网关装置。

图4表示远程监控系统的通信流程。如图4所示，网关装置启动时，向服务器发送注册信息，其中包含网关装置自身的信息和下属传感器的信息，服务器向网关装置发送确认信息。服务器收到网关装置信息后，根据网关装置信息进行分组，并将分组信息发送回网关装置。网关装置在运行中向服务器报告状态信息。当应用层需要向网关装置发送消息时，根据应用信息及网关装置状态信息，在同组网关装置中选择适当的网关装置发送多播消息，目标网关装置在接收到多播消息之后，根据消息内容，把消息发送到相邻网关装置。通过这种方式，能够减少服务器发出的消息数量，在监控节点与服务器距离较远的情况下有利于提高信息发送效率，减少信息发送成本。

图5表示网关装置配置信息表。配置信息包含网关装置的通信单元信息、位置信息、通信费用信息、下属传感器数量及类型等。例如ID为2的网关装置，其能够通过蜂窝网络和WiFi进行通信，其地理位置已知，通信费用为中。ID2的网关装置下属20个传感器，这些传感器能够测量振动和监控设备，即，这些传感器对应测量振动这一应用和监控设备这一应用。

图6表示网关装置状态信息表。该表包含网关装置通信单元的状态、带宽情况、缓存状态以及相邻网关装置列表等。在该图所示的ID1的网关装置中，其蜂窝网络为活动状态，而蜂窝数据为休眠状态。在带宽方面，蜂窝数据的带宽为256kbps，如果数据太大的话，则ID1的网关装置的蜂窝数据不能满足应用要求的带宽，而宽带的带宽为10Mbps，能够满足一般的应用要求的带宽。

图7表示网关装置间通信费用及通信质量表。表中包含各个网关装置之间的通信费用，例如网关装置的蜂窝网络通过短信发送一条消息的费用，或者网关装置之间通过数据通道发送数据的费用。通信质量表，其中包含各个网关装置之间的通信质量情况，包括延时、丢包率等综合评价后的结果。如图7的网关装置间通信费用表所示，ID1的网关装置与ID2的网关装置之间通信的费用为1，与ID3的网关装置之间通信的费用为2。ID2的网关装置与ID4的网关装置之间无法通信。在考虑网关装置之间的通信费用时，考虑其中一个网关装置与其它所有网关装置之间的通信费用的总和。例如，以ID1的网关装置作为服务器选择的网关装置时，其与其它网关装置的通信费用总和为4.5(＝1+2+1.5)。ID3的网关装置与其它网关装置的通信费用总和为4.2(＝2+1+1.2)。所以，如果服务器与ID1的网关装置的通信费用和服务器与ID3的网关装置的通信费用相等，则优选服务器选择ID3的网关装置。

当然，除了考虑费用，还要考虑通信的质量。如图7的网关装置间通信质量表所示，ID3的网关装置与ID1、ID2和ID4的网关装置间通信的质量分别为“一般”、“一般”、“好”，能够满足应用要求的通信质量。

综和通信费用和通信质量，由于选择ID3的网关装置的总费用小于选择ID1的网关装置的总费用，所以服务器能够选择ID3的网关装置作为发送应用指令的目标网关装置。由于ID2与ID4的网关装置之间无法通信，所以不考虑选择ID2与ID4的网关装置。

图8所示的消息需求表，其中包含应用需要发送消息的服务质量需求，以及该应用所发消息对应的传感器类型等。在该表中，ID1的网关装置的丢包率可以较高，而且无需双向通信，其下属传感器类型为温度和湿度。ID2的网关装置的延时可以较高。

如图9所示，本发明中服务器的工作流程。服务器在启动后等待网关装置注册信息，接收到网关装置注册信息之后，服务器根据网关装置的地理位置等对网关装置进行分组操作，评测网关装置间通信费用和通信质量，并将分组信息发送到各个网关装置中。之后，当应用层需要向网关装置发送消息时，控制单元分析消息的需求，确认该消息是否需要采用多播方式发送，如果不需要，则采用单播方式发送该消息，如果需要，则获取所有目标网关装置的信息，并选择合适的网关装置，创建对应的多播消息并将多播消息发送至所选择的网关装置。图9中间流程为分组的具体步骤，首先选择一个未分组的网关装置，然后将其与已分组网关装置进行对比，如果该未分组网关装置位于某一已分组网关装置附近，也就是与某一已分组网关装置的距离在规定距离以内，或者由同一运营商提供网络连接，或者该网关支持的应用与某一分组网关装置相同，则将该网关装置标记为对应网关装置组的成员。当然，将网关装置分组不限于上述三种方案，也能够包括其它各种可行的方案。图9右侧流程为网关装置发送消息时选择网关装置的流程。首先将所有目标网关装置按照已分组情况进行归类，然后对每个组进行筛选，从目标网关中选择某一网关装置，判断通过其发送消息是否能满足服务质量需求，并计算通过该网关装置转发消息的总费用，最终选择整个组中费用最低的一个网关装置作为发送目标。利用此过程对所有网关装置组进行筛选，最终得到发送该多播消息需要的网关装置列表。之后服务器生成多播消息，向筛选出的网关装置进行发送。

图10是网关装置收到消息之后的处理流程。首先网关装置从消息中提取相关信息，如果是多播消息，则从中获取所有目标网关装置的信息，然后查询本地存储的网关装置邻居列表，并向对应网关装置转发该消息。

以上对从服务器向网关装置发送应用指令的下发模式进行了说明，但是本发明的远程监控系统也具备由网关装置收集来自终端的信息并将其发送至服务器的上传模式。

在经过图9所示的步骤对网关装置进行了分组之后，各网关装置从各自下属的传感器收集数据。例如服务器需要每小时更新一次某个节点的所有的温度信息，则该节点的网关装置每小时从其下属的温度传感器收集温度数据。当然，各网关装置从各自下属的传感器收集数据可以是以一定周期进行，也可以在任意时间进行。在收集到温度数据之后，根据存储在各网关装置中的网关装置的分组信息，在满足通信质量的前提下确定通信费用最少的网关装置。同组的各网关装置将各自收集到的温度数据发送到确定的通信费用最少的网关装置，再由该网关装置将所有的温度数据发送到服务器。

以建筑机械远程监控为例，为了提升故障响应速度，减少物流成本，生产厂家需要动态监控建筑机械的状态，并发送控制命令进行远程诊断等操作。而随着建筑机械市场的国际化，建筑机械的施工场所可能和生产厂家位于不同国家，例如生产厂家位于中国，需要监控位于澳大利亚的多处矿山的设备。在这种情况下，在部署矿山设备的过程中，首先对矿山设备进行分组，例如挖掘设备作为一组，或者同一家客户的不同矿场设备作为一组，并把组内的设备列表发送到相关设备上。在本例中，一个组即相当于一个远程监控节点，它包括至少一个网关装置，并且每个网关装置都下属有一个或多个传感器。分组信息被存储在网关装置中。

在需要发送远程诊断命令时，位于生产厂家的控制中心判断远程诊断命令的对象，例如某矿产公司的所有挖掘机设备，并根据判断结果选择对应的设备分组，之后在该设备分组中选择通信成本最低的一个设备发送诊断命令。当然该设备能够满足通信质量的要求。该设备在收到诊断命令后，根据命令的内容确定需要组内的转发的设备列表，并将该诊断命令进行转发。通过这样的远程监控系统和上述的通信方法，能够减少昂贵的跨国通信量，节约通信成本，并提高命令发送的效率。

在挖掘机的生产厂家设定为某矿产公司的所有挖掘机设备每天向生产厂家的控制中心报告各挖掘机设备的运行状态的情况下，在收集到运行时间数据之后，根据存储在各挖掘机设备的分组信息，在满足通信质量的前提下确定通信费用最少的网关设备。该矿产公司的各挖掘机设备将各自收集到的温度数据发送到确定的通信费用最少的网关设备，再由该网关设备将所有的温度数据发送到生产厂家的控制中心。在这样的上传模式下工作的远程监控系统和通信方法，也能够减少昂贵的跨国通信量，节约通信成本，并提高数据收集的效率。

Claims (6)

1.一种远程监控系统，其特征在于，包括：

获取监控对象的信息以提供应用所需的信息的多个终端；

各自具有通信单元、存储单元和传输控制单元的多个网关装置，每个网关装置经由所述通信单元与所述多个终端中的一部分进行通信；和

服务器，其能够与所述网关装置的通信单元进行通信，

所述多个网关装置被所述服务器分成多个组，所述多个网关装置的每一个的存储单元中存储有该网关装置的分组信息，

所述网关装置的传输控制单元控制来自服务器的信息的转发，

当所述服务器根据用户的应用请求选择一个网关装置并向其发送应用指令时，被选择的网关装置的通信单元接收该应用指令，并由所述传输控制单元将该应用指令转发至能够与用户请求的应用所涉及的终端通信且与被选择的网关装置同组的网关装置。

2.如权利要求1所述的远程监控系统，其特征在于：

所述服务器在选择作为应用指令发送目标的网关装置时，根据预先存储的所述服务器与各网关装置和各网关装置相互之间的通信费用和通信质量来选择总的通信费用低且通信质量满足应用的需求的网关装置。

3.如权利要求1或2所述的远程监控系统，其特征在于：

所述服务器将相互之间的地理位置在规定距离之内或由同一个运营商提供网络连接或支持的应用相同的网关装置分为同一组。

4.一种远程监控系统的通信方法，其中所述远程监控系统包括获取应用所需的信息的多个终端、各自与该多个终端中的一部分进行通信的多个网关装置和能够与该多个网关装置进行通信的服务器，所述远程监控系统的通信方法的特征在于，包括：

所述服务器对所述网关装置进行分组的步骤；

所述服务器根据用户的应用请求选择一个网关装置并向其发送应用指令的步骤；

被选择的网关装置接收接收所述应用指令，并将该应用指令转发至能够与提供用户请求的应用的终端通信且与被选择的网关装置同组的网关装置的步骤。

5.如权利要求4所述的远程监控系统的通信方法，其特征在于：

所述服务器在选择作为应用指令发送目标的网关装置时，根据预先存储的所述服务器与各网关装置和各网关装置相互之间的通信费用和通信质量来选择总的通信费用低且通信质量满足应用的需求的网关装置。

6.如权利要求4或5所述的远程监控系统的通信方法，其特征在于：

所述服务器将相互之间的地理位置在规定距离之内或由同一个运营商提供网络连接或支持的应用相同的网关装置分为同一组。