CN106533934A - 一种适用于全互联制造网络的边界网关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于全互联制造网络的边界网关，包括主控模块、3G/LTE接入单元和WSN子网接入单元；所述主控模块用于定义网络协议模型中MAC层和IP层，所述3G/LTE接入单元用于实现网关和3G/LTE公共通信网络之间的数据交互；所述WSN子网接入单元用于WSN子网的组网入网；所述3G/LTE接入单元通过USB单元与主控模块连接，所述Wi‑Fi通信单元用于组建Wi‑Fi子网用于采集底层Wi‑Fi设备的数据参数或将WSN子网的数据通过Wi‑Fi传输数据；数据通过以太网控制单元传输到后台中控室。本发明针对工业现场设备通信协议种类众多，网关以IPv6技术为核心进行设计，支持底层有线/无线网络与3G/4G、WIFI、以太网等宽带网络之间的互联互通。

Description

一种适用于全互联制造网络的边界网关
技术领域
本发明属于工业网络化技术领域，涉及一种适用于全互联制造网络的边界网关。
背景技术
网关在工业通信技术发展中扮演着重要角色，数据采集与信息传输过程中涉及到不同结构类型协议栈的现场总线，而网关就是在采用不同协议的现场总线之间进行互相通信时提供数据交换和协议转换功能的设备。传统的控制设备可以通过网关与以太网以及其他网络设备相连，而无需考虑与其余异构网络间的兼容问题。网关实现不同网络间数据的传输，同时也为整个网络通信提供了有效的安全保护措施，从而保证信息传递的安全性。目前国内外对无线网关做了大量研究，并且随着通信技术不断发展，各个行业领域对网关的需求也在逐年增大。
工业现场网络是由许多在空间上分布的传感器节点或智能设备组成的一种网络，这些工业设备能够协作地监控不同位置的生产运营情况、介质属性、环境状况，进行处理后以无线或有线的方式发送出去，最终发送给智能设备管理终端。感知区域内的信息由传感器节点或智能设备处理、转发等操作，传入网关。网关将这些信息汇聚、处理、转发。网关的处理、转发功能是工业现场网络应用中的关键技术之一。
工业现场网络应用中发现有以下两个问题。首先，传输协议众多，存在互不兼容、各应用的数据格式不统一的问题，妨碍了物联网的大规模部署和互通。对此，可引进XMPP协议来解决这些问题。其次随着网络设备的不断增多，基于广域网对物联网设备进行远程管理的需求日益迫切，但在实际的管理应用中，尚缺乏标准规范和有效的管理协议。对此将CWMP协议的管理范畴由互联网延伸至物联网，可有效实现从互联网到物联网的统一设备管理。所以，发明一种适用于全互联制造网络的边界网关很有必要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于全互联制造网络的边界网关，该网关下行链路选择性支持无线传感网WSN，上行通信方式支持4G、Wi-Fi和以太网。该网关能够稳定地将各种类型的网络设备接入互联网，从而实现对各种网络的集中控制与管理。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种适用于全互联制造网络的边界网关，其特征在于：包括主控模块、3G/LTE接入单元和WSN子网接入单元；所述主控模块用于定义网络协议模型中MAC层和IP层，所述3G/LTE接入单元用于实现网关和3G/LTE公共通信网络之间的数据交互；所述WSN子网接入单元用于WSN子网的组网入网；所述主控模块包括以太网控制单元、USB单元和Wi-Fi通信单元；所述3G/LTE接入单元通过USB单元与主控模块连接，所述Wi-Fi通信单元用于组建Wi-Fi子网用于采集底层Wi-Fi设备的数据参数或将WSN子网的数据通过Wi-Fi传输数据；所述以太网控制单元将数据传输到后台中控室。
进一步，所述3G/LTE接入单元或/和WSN子网接入单元采用可插拔设计。
进一步，该边界网关内部包含后台守护程序模块、XMPP服务模块、TR069服务模块和协调器模块；所述后台守护程序模块通过串口与协调器模块进行通信，后台守护程序模块用于获取网络上发的数据包或下发数据包到网络中的设备；所述XMPP服务模块和TR069服务模块套接字本地连接到台守护程序模块，实现双向对等的数据通信，完成数据获取和命令配置功能。
进一步，所述XMPP服务模块用于支持互联网与互联网客户端之间、互联网与物联网客户端之间、物联网与物联网客户端之间的信息交互；所述XMPP服务模块包括TCP通信模块、UDP通信模块、客户端认证模块、数据解析与转发模块和发布订阅管理模块，所述TCP通信模块用于互联网客户端的接入；所述UDP通信模块用于底层物联网的接入；所述客户认证模块用于对接入网络的设备进行验证，防止其他网络设备入网；所述数据解析与转发模块用于解析并处理XML数据流，若数据流中包含目的地址，则转发出去；所述发布订阅管理模块是用于管理客户端之间的订阅关系，并根据该订阅关系将客户端发布的信息发布至所有订阅了该信息的客户端。
进一步，所述TR069服务模块用于建立新线程，并将该新线程与后台守护程序模块建立连接，接收从后台守护程序模块发来的6LoWSN节点入网信息，当新线程接收到入网信息后，该新线程会为入网的6LoWSN节点创建一个虚拟设备，然后通过该虚拟设备向自动配置服务器发起连接并发送Inform报文，所述自动配置服务器在接收到Inform报文后，为其发送配置信息，当新线程接受到配置信息后，会将配置信息转换成6LoWSN管理数据包并发送到相应节点，完成配置命令。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明针对工业现场设备通信协议种类众多，网关以IPv6技术为核心进行设计，支持底层有线/无线网络与3G/4G、WIFI、以太网等宽带网络之间的互联互通；同时，在网关中内置了全互联网络研发无缝融合系列软件，包括TR069协议软件、XMPP协议软件、6LoWPAN协议软件等，形成适用于全互联网络智能设备的完整软件解决方案。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1网关的总体硬件结构图；
图2网关软件服务架构图；
图3网关内的XMPP软件运行流程图；
图4网关内的TR069代理软件运行流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为网关的总体硬件结构图，一种适用于全互联制造网络的边界网关，包括主控模块、WSN子网接入单元、3G/LTE接入单元、电源管理单元、调试单元，主控模块又包含Wi-Fi通信模块、以太网控制单元、USB单元、核心片电源管理单元、RAM存储器单元、FLASH存储器单元以及其他功能模块单元。
网关的主控模块部分采用高性能CPU，集成2.4G射频和以太网控制器，拥有常见的USB2.0接口和串口，主控模块引出USB、串口、以太网口等常见接口，部分GPIO可用户配置使用，例如RT5350芯片是Ralink公司2010年左右推出的一款单芯片IEEE 802.11n 1×1MIMOWLAN SoC，内部集成了基带处理器、射频、射频功率放大器、MIPS 24Kc CPU内核(最高主频360MHz)，一个五端口百兆以太网交换机，可满足本设计要求。
网关电源等级采用220v交流供电，应用更为广泛。网关电源管理单元提供平稳可靠的电能，可提供5V，3.3V，1.8V，1.2V等多种电压，同时拥有较高的电源转换效率，节省电能。
所述主控模块定义了网络协议模型中MAC层和IP层；所述WSN子网接入单元，主要涉及到网络层和MAC层以及PHY层，用于WSN子网的组网入网；所述以太网制单元引出两个网口，可根据需求配置为WAN口和LAN口，根据功能需要可以用LAN口连接现场设备，用于采集现场设备的数据参数；所述3G/LTE接入单元实现了网关和3G/LTE公共通信网络之间的数据交互；所述Wi-Fi通信模块功能需求可以组建Wi-Fi子网用采集底层Wi-Fi设备的数据参数，也可以用作将WSN子网的数据通过Wi-Fi传输数据。
以太网制单元可引出多达五个网口，并可以根据功能需求对网口进行配置成WAN口和LAN口，实现主控单元与广域网和局域网进行信息交互，本实施例使用两个网口，实现一个WAN口和LAN口基本功能。3G/LTE接入单元选用标准MiniPCI-E接口，拥有较强的可替代性。主控可为3G/LTE接入单元提供复位信号，使3G/TD-LTE接入单元可掉线重连。
WSN子网接入单元插接射频模块，射频由主控制器与射频芯片组成，主控制器和射频芯片可根据需要选型，本实施例中使用到433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz频段射频模块，主控制器与射频芯片组之间以SPI通信或其他主控芯片和射频芯片支持的通信方式通信，通过主控制器对射频芯片的控制命令寄存器发送读写命令来设置射频芯片的相关参数，实现射频模块的发送接收和存储处理数据的功能。
图2为网关软件服务架构图。在网关内部包含后台守护程序模块、XMPP服务模块、TR069服务模块和协调器模块。后台守护程序模块是前端无线传感器网络与XMPP网络、TR069网络、IPv6外部网络连接的桥梁。后台守护程序模块通过串口和协调器模块进行通信，可以获取网络上发的数据包，也可以下发数据包到网络中的设备，通信方式为slip协议。XMPP服务模块和TR069服务模块通过套接字本地连接到守护软件，实现双向对等的数据通信，完成数据获取和命令配置等功能。为了保证后台守护程序模块数据处理和转发的服务质量，因此采用TCP套接字通信。在后台守护服务程序模块中创建了Sniffer Sever作为TCP通信的服务器端。
后台守护程序模块通过串口与协调器模块之间连接，使用slip协议和无线传感器网络之间通信，获取无线传感器网络发来的数据包，并对数据包进行处理。到了接收端，会逐步解析到应用层，根据协议栈设计的特定的命令头部来判断具体的命令类型，从而执行相应的动作，这样只需要在应用层来区分命令还是数据，在底层都按照统一的方式传输。例如，发给XMPP Server的数据包以“0XA1 0XA2”作为数据包的开头，TR069Server的数据包以“0XB7 0XB8”作为数据包的开头。这样可以分辨出不同类型的数据包，然后将不同类型数据包以不同的方式发给不同的目标。
图3为网关内的XMPP服务模块流程图，主要是支持互联网与互联网客户端之间、互联网和物联网客户端之间、物联网和物联网客户端之间的信息交互，并在服务器中添加了对发布订阅关系维护和管理，同时能支持节点的发布订阅管理服务。全互联制造网关XMPP服务模块的设计采用了模块化体系结构，将服务模块中的每个功能按照模块化进行划分设计，每个服务模块之间不需要了解其他模块的具体工作，只需要提供模块间的接口，根据接口所提供的服务独立完成自己的工作。这样可以使得本软件具有很高的灵活性和可扩展性。根据本软件的功能主要分为几个关键的模块，分别为TCP通信模块、UDP通信模块、客户端认证模块、数据解析与转发模块和发布订阅管理模块。
所述XMPP服务模块用于支持互联网与互联网客户端之间、互联网与物联网客户端之间、物联网与物联网客户端之间的信息交互；所述XMPP服务模块包括TCP通信模块、UDP通信模块、客户端认证模块、数据解析与转发模块和发布订阅管理模块，所述TCP通信模块用于互联网客户端的接入；所述UDP通信模块用于底层物联网的接入；所述客户认证模块用于对接入网络的设备进行验证，防止其他网络设备入网；所述数据解析与转发模块用于解析并处理XML数据流，若数据流中包含目的地址，则转发出去；所述发布订阅管理模块是用于管理客户端之间的订阅关系，并根据该订阅关系将客户端发布的信息发布至所有订阅了该信息的客户端。在连入服务器的情况下，无论XMPP互联网客户端或者XMPP物联网客户端都要先进行用户认证，此认证过程的用户名与密码都在服务器的用户配置文件中。若需要添加用户，可更改用户配置文件。认证成功后，服务器为此客户端创建服务。从图3中可以看到，服务器在认证成功后的客户端主要提供两种服务，一种是为客户端交换XML节，即客户端之间进行IQ、<message/>、<presence/>提供节交换服务；其次，支持自主研发的XMPP发布/订阅管理，该管理方法已申请专利。所以，客户端未下线的情况下，此时可与已经建立连接的客户端并在线的情况下，双方可进行通讯。在客户端发送订阅请求的过程中，服务器会管理双方发布订阅关系。当订阅成功时，服务器为双方建立发布订阅关系，将订阅客户端添加入发布客户端的发布列表中。当已订阅客户端需要取消订阅时，服务器先代为取消，再向发布客户端请求取消订阅。
图4为网关内的TR069服务模块运行流程图。在流程图中可以看到，TR069服务模块在开始运行之后，会创建一个新线程。这个新线程将会与后台守护程序建立连接，并准备接收从后台守护程序发来的6LoWSN节点入网信息。当新线程接收到入网信息后，该线程会为入网的6LoWSN节点创建一个虚拟设备，然后通过该虚拟设备向自动配置服务器发起连接，并发送Inform报文。在自动配置服务器的角度来看，该虚拟设备就是一个真实的6LoWSN节点，并在接收到Inform报文后，为其发送配置信息。当新线程接受到配置信息后，会将其转换成6LoWSN管理数据包，并发送到相应节点，完成配置命令。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种适用于全互联制造网络的边界网关，其特征在于：包括主控模块、3G/LTE接入单元和WSN子网接入单元；所述主控模块用于定义网络协议模型中MAC层和IP层，所述3G/LTE接入单元用于实现网关和3G/LTE公共通信网络之间的数据交互；所述WSN子网接入单元用于WSN子网的组网入网；所述主控模块包括以太网控制单元、USB单元和Wi-Fi通信单元；所述3G/LTE接入单元通过USB单元与主控模块连接，所述Wi-Fi通信单元用于组建Wi-Fi子网用于采集底层Wi-Fi设备的数据参数或将WSN子网的数据通过Wi-Fi传输数据；所述以太网控制单元将数据传输到后台中控室。
2.根据权利要求1所述的一种适用于全互联制造网络的边界网关，其特征在于：所述3G/LTE接入单元或/和WSN子网接入单元采用可插拔设计。
3.根据权利要求1所述的一种适用于全互联制造网络的边界网关，其特征在于：该边界网关内部包含后台守护程序模块、XMPP服务模块、TR069服务模块和协调器模块；所述后台守护程序模块通过串口与协调器模块进行通信，后台守护程序模块用于获取网络上发的数据包或下发数据包到网络中的设备；所述XMPP服务模块和TR069服务模块套接字本地连接到台守护程序模块，实现双向对等的数据通信，完成数据获取和命令配置功能。
4.根据权利要求3所述的一种适用于全互联制造网络的边界网关，其特征在于：所述XMPP服务模块用于支持互联网与互联网客户端之间、互联网与物联网客户端之间、物联网与物联网客户端之间的信息交互；所述XMPP服务模块包括TCP通信模块、UDP通信模块、客户端认证模块、数据解析与转发模块和发布订阅管理模块，所述TCP通信模块用于互联网客户端的接入；所述UDP通信模块用于底层物联网的接入；所述客户认证模块用于对接入网络的设备进行验证，防止其他网络设备入网；所述数据解析与转发模块用于解析并处理XML数据流，若数据流中包含目的地址，则转发出去；所述发布订阅管理模块是用于管理客户端之间的订阅关系，并根据该订阅关系将客户端发布的信息发布至所有订阅了该信息的客户端。
5.根据权利要求4所述的一种适用于全互联制造网络的边界网关，其特征在于：所述TR069服务模块用于建立新线程，并将该新线程与后台守护程序模块建立连接，接收从后台守护程序模块发来的6LoWSN节点入网信息，当新线程接收到入网信息后，该新线程会为入网的6LoWSN节点创建一个虚拟设备，然后通过该虚拟设备向自动配置服务器发起连接并发送Inform报文，所述自动配置服务器在接收到Inform报文后，为其发送配置信息，当新线程接受到配置信息后，会将配置信息转换成6LoWSN管理数据包并发送到相应节点，完成配置命令。
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