CN106657377A - 一种wia‑pa/全互联制造网络信息服务适配器及实现方法 - Google Patents

一种wia‑pa/全互联制造网络信息服务适配器及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种WIA‑PA/全互联制造网络信息服务适配器及其实现方法，该适配器可将WIA‑PA网络及其设备接入以IPv6协议为寻址方法和以XMPP协议为传输方法的全互联制造网络。其实现方法是在适配器中，将WIA‑PA的用户应用对象转换为遵循全互联网络定义的XML描述格式；在应用子层，将WIA‑PA的C/S、P/S和R/S通信模式转换为XMPP中对应的传输方式；在网络层，将WIA‑PA的网内地址映射为标准的IPv6地址，使WIA‑PA网络的每个设备都有一个虚拟的IPv6地址，外部网络可通过IPv6地址对WIA‑PA设备进行寻址。本发明所实现的适配器易于与现有网络集成，有效实现了WIA‑PA网络与互联网之间的开放互联。

Description

一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务适配器及实现方法
技术领域
本发明属于工业测控网络技术领域，涉及一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务适配器及实现方法。
背景技术
近年来，工业无线网络迅速发展。WIA-PA标准(Wireless Networks forIndustrial Automation-Process Automation，面向工业过程自动化的工业无线网络标准)是我国为满足工业无线技术需求提出并具有自主知识产权的工业无线标准。WIA-PA其物理层和MAC层完全兼容IEEE802.15.4协议。作为三大国际工业无线标准之一，WIA-PA标准的制定使我国在工业无线领域占据一席之地，研发支持WIA-PA标准的应用是非常有意义的实践。
同时，随着工业4.0和智能制造的发展，将IPv6与XMPP协议应用于全互联制造网络中是一种趋势。IPv6的使用，不仅能解决网络地址资源数量的问题，而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍。并且XMPP协议是一种基于IP技术和XML语言的即时信息传输规范。通过将XMP协议应用基于IPv6的全互联制造网络中，有助于实现物到物、人到物的标准化的信息传输目标。
然而，现有的WIA-PA协议转换技术中，部分考虑了将WIA-PA网络相关服务的数据交互进行了XML的格式转换，也有发明部分考虑了WIA-PA网络发明支持IPv6协议的转换方法。但它们都未涉及WIA-PA协议与XMPP协议之间的适配转换问题，也并未完整考虑WIA-PA网络与全互联制造网络之间的整体协议转换问题。因此，本发明所实现的WIA-PA/全互联制造网络信息服务适配器及其对应转换方法，填补了WIA-PA网络与基于IPv6的全互联制造网络之间互联互通的技术空白。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务适配器及实现方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种WIA-PA全互联制造网络信息服务适配器，包括协调器模块、Daemon模块、WIA-PA数据接收及分发模块、WIA-PA数据发送模块、入网信息处理模块、WIA-PA数据处理模块和XMPP服务器数据处理模块，
所述协调器模块其上行是将底层WIA-PA网络的数据汇集上来，解析WIA-PA的数据包，再通过Slip接口将数据传递给内部的Daemon模块，协调器模块其下行是将Slip接口接收到的数据封装为WIA-PA数据包再发送给底层WIA-PA网络设备；
Daemon模块用于根据Slip接口接收到的WIA-PA数据包的标志位发往上位机或者发给WIA-PA数据接收及分发模块或者接收来自上位机或者WIA-PA数据发送模块发来的数据包，并将数据包通过Slip转发给协调器模块；
WIA-PA数据接收及分发模块，将WIA-PA数据解析，分为入网信息和应用信息分别将信息缓存，待发送给相应的入网信息处理模块；
入网信息处理模块，解析WIA-PA数据包，获得其EUI-64位地址或者短地址，并建立虚拟的设备映射表，将WIA-PA网络节点在适配器内映射为设备列表，根据EUI-64转换的IPv6地址或短地址与XMPP服务器建立连接并通过验证；
WIA-PA数据处理模块，解析WIA-PA数据包，根据设备列表，将WIA-PA数据相应的属性信息存储在列表中，并转换为XML数据流，传给XMPP服务器；
XMPP服务器数据处理模块，接收来自XMPP服务器的数据，转发应用数据发送缓存，等待发送。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，适配器初始化：将已知的WIA-PA网络节点信息采用对象化处理，将每一个WIA-PA网络节点看作为一个用户应用对象，并对每一个用户应用对象进行XML语言进行描述；
第二步，WIA-PA设备初始化；
第三步，IPv6地址转换：将连接到适配器的WIA-PA网络节点的EUI-64转换为IPv6地址；
第四步，每个WIA-PA网络节点创建一个TCP连接：WIA-PA网络节点连入适配器后，为WIA-PA网络节点创建一个IPv6的TCP套接字连接，使其每个用户应用对象以XMPP客户端的形式接入XMPP服务器，并在适配器中为WIA-PA协议支持的读、写、发布功能与XMPP协议支持的读、写、发布/订阅功能进行分别适配，使WIA-PA网络与XMPP网络互联互通。
进一步，所述用户应用对象需转换为遵循全互联网络定义的XML描述格式，每个用户应用对象包含多种属性。
进一步，所述WIA-PA网络节点分为两种类别：一种需确定自己JID地址，该种节点既支持自身向XMPP客户端发送数据，也支持XMPP客户端向该节点发送数据；另一种为不需要确定自身JID地址，只支持自身向XMPP客户端发送数据。
进一步，JID地址组成方法为：PANID@XMPP_SERVER/短地址，其中PANID为WIA-PA网络节点自身入网后的PANID地址，XMPP_SERVER为XMPP服务器的域名，短地址为WIA-PA网络节点入网后协调器分配的短地址。
进一步，所述的读、写和发布/订阅功能的适配方法为：根据WIA-PA网络的数据包，解析获得WIA-PA应用子层定义的标识符来确定是哪一种方法，然后将其与XMPP协议对应数据服务方法进行映射，使WIA-PA网络与XMPP网络的方法互通。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明将设备在WIA-PA无线网络内部的地址转换为标准的IP地址，使底层无线网络接口转换为标准的IP网络接口，实现物联网中的智能设备与互联网的连接；将WIA-PA应用层数据格式统一转换为支持XMPP协议的XML格式，对WIA-PA无线网络内部的设备采用XML进行描述，供上层系统调用，有效解决了异构系统之间的数据交换问题，有利系统间的融合和衔接，实现数据的实时共享。
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为本发明适配器的应用系统架构；
图2为本发明适配器的硬件架构；
图3为本发明适配器的软件架构；
图4为本发明WIA-PA全互联制造网络信息服务实现方法的流程图；
图5为本发明适配器与WIA-PA网络节点交互流程。
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。
如图1为WIA-PA/XML适配器实现架构，包括以下几个部分：用户应用对象模块、应用子层模块和网络层模块。
WIA-PA网络的应用层由多个用户应用进程组成，而每个用户应用进程又由一个或多个用户应用对象构成。WIA-PA标准规定，用户应用进程和用户应用对象可遵循GB/T19769“工业过程测量和控制系统用功能块”和GB/T 21099定义的“过程控制用功能块”中的定义，也可由用户自定义。每个用户应用对象由对象标识符、对象描述信息、对象属性、对象参数等内容构成。
所以，在用户应用对象模块中，对WIA-PA网络的设备进行自定义的用户对象化处理，每一个WIA-PA设备虚拟为一个用户应用对象，其内容包括其WIA-PA网络设备的属性信息，如设备名称、地址、属性、支持方法等等，然后对其进行XML语言描述，将这些设备信息转换为标准的XML数据，并存在设备数据库中。
应用子层模块，为数据访问提供服务，可支持Client/server模式、Publish/Subscrib模式和Report/Sink模式，其具体实现采用XMPP协议，利用XMPP协议规定的消息通信方式和三种可交换节实现，其节包括IQ节、</presence>节和</message>节。
网络层模块，其实现将WIA-PA网络中的EUI-64和短地址，转换为标准的IPv6地址，使WIA-PA网络设备支持IPv6寻址，并且可以通过IPv6协议进行通信。
如图2为WIA-PA适配器的总体硬件结构图，WIA-PA适配器设备的硬件平台包括主控制单元、射频单元、电源管理单元、以太网控制单元、串口转USB调试单元、RAM存储器单元以及FLASH存储器单元。主控单元为可支持Linux嵌入式系统的处理芯片，一般要求RAM超过8M，FLASH不少于16M，并且支持以太网接口和串口等接口。
本发明WIA-PA适配器包括两个UART接口、一个网口、1个GPIO口；其中UART0作为普通串口与无线模块交互数据，UART1作为调试串口，GPIO17口用在主控运行状态指示灯。适配器电源采用可管理形式，支持采用220V电压通过WIA-PA适配器内部的电源转换，转换成5V、3.3V、1.8V、1.2V等。以太网通信电路单元引出一个网口，实现WIA-PA适配器信息交互。在本发明中射频模块由主控制器与射频芯片组成，主控制器与射频芯片组之间以SPI总线通信，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。
如图3，适配器的软件架构方案，其中箭头表示数据流的方向，各个模块功能如下：
协调器模块，其上行是将底层WIA-PA网络的数据汇集上来，解析其WIA-PA的数据包，再通过Slip接口将数据传递给内部的Daemon模块，下行是将Slip接口接收到的数据封装为WIA-PA数据包再发送给底层WIA-PA网络设备。
Daemon模块，将Slip接口接收到的数据包，根据其标志位，选择将其发往上位机或者发给WIA-PA数据接收及分发模块或者接收来自上位机或者WIA-PA发送模块发来的数据包，并将其通过Slip转发给协调器模块。
WIA-PA数据接收及分发模块，将WIA-PA数据解析，分为入网信息和应用信息分别将信息缓存，待发送给相应的处理模块。
入网信息处理模块，解析WIA-PA数据包，获得其EUI-64位地址或者短地址，并建立虚拟的设备映射表，将WIA-PA节点在适配器内映射为设备列表，根据EUI-64转换的地址与XMPP服务器建立连接并通过其验证。
WIA-PA数据处理模块，解析WIA-PA数据包，根据虚拟设备的列表，将其相应的属性信息存储在列表中，并转换为XML数据流，传给XMPP服务器。
XMPP服务器数据处理模块，接收来自XMPP服务器的数据，转发应用数据发送缓存，等待发送。
实现收发数据功能。将底层来的包，TCP或者WIA-PA数据包进行解析获得数据包，传递给上层处理；若是上层传下来的包，判断数据流向，是发送TCP还是WIA-PA数据，将其数据包封装发送给底层。
如图4，为WIA-PA全互联制造网络信息服务实现方法流程图，包括：
第一步，适配器初始化：将已知的WIA-PA网络节点信息采用对象化处理，将每一个设备看作为一个用户应用，而该用户应用包含多种属性，属性包含其名称、方法、数值、类型等等，并对其进行XML语言进行描述，进行存储；为WIA-PA协议支持的读、写、发布/订阅功能与XMPP协议支持的读、写、发布/订阅功能进行映射；
第二步，WIA-PA设备初始化：WIA-PA设备自身需求，入网后(WIA-PA网络)，若需要支持XMPP客户端操作，可确定自己JID地址，该JID组成：PANID@XMPP_SERVER/短地址，PANID指的是WIA-PA网络节点自身入网后的PANID地址，XMPP_SERVER指的是XMPP服务器的域名，短地址为节点入网后的分配的短地址；否则不需要确定自身JID地址；
第三步，IPv6地址转换：将连接到适配器的WIA-PA网络节点，根据其EUI-64转换为IPv6地址，为其创建的TCP连接时使用；
第四步，每个WIA-PA节点创建一个TCP连接：WIA-PA网络节点连入适配器后，都为其创建一个IPv6的TCP套接字连接，使其可以通过适配器与服务器进行通信；
第五步，判断是否连接上服务器：如果创建TCP连接失败，则调至第四步，重新进行TCP连接，如果成功则进入下一步；
第六步，接入XMPP服务器后，可支持XMPP客户端与WIA-PA网络的数据转换与通信。其通信方法可支持如上所述的读、写、发布/订阅。
该适配器的针对WIA-PA网络设备的信息模型映射，通过在WIA-PA数据包的应用层中加入描述字段，对设备的信息进行了描述。然后在适配器中按照规定的模型映射来解析获得其设备信息，然后再转换为XML数据格式描述语言。WIA-PA网络的信息模型映射为，在消息中最前面的两个字节为用户自定义的域中分隔符和域间分隔符，这两个分隔符不相同。该方法中采用逗号作为域中分隔符，分号作为域间分隔符，其方法如下：
，；feild0；feild1；·feild2；…；feildn
其中，每个field格子支持2中描述方法，第一种为通用格式：
，；DestDevID，AttrName，Value；
第二种方法如果某个字段没有，域间分隔符不能省略，但其他可以省略。例如报文中不带Value值，则格式为：
，；DestDevID，AttrName，；
在适配器中，再将其用户应用对象需转换为遵循全互联网络定义的XML描述格式，每个用户应用对象包含多种属性，每个属性都应包含其名称、方法、数值、类型等等。例如，其属性如下表所示：
属性名称 支持方法 数据类型 描述
Name - string 对象的名称或类名
DestDevID - string 对象实例ID，唯一标识对象实例
Value - float|int 对象的值
Type - string 对象的类型
如图5，适配器与WIA-PA网络节点通信的交互流程图，在原有的WIA-PA网络基础上，为了适配WIA-PA节点，就必须适配WIA-PA协议。在不破坏原有的WIA-PA网络与其协议的基础上，只能支持WIA-PA节点自身向XMPP客户端发送数据，由于在该环境下，没有对WIA-PA节点分配JID，意味着没有对WIA-PA网络节点进行地址映射，适配器无法通过JID来寻址WIA-PA网络里的节点。但在该情况下，并不影响节点主动向适配器汇报信息，适配器再进行转发给XMPP服务器。
在另一种WIA-PA网络节点中，节点自己分配一个JID地址，该地址格式组成为PANID@XMPP_SERVER/短地址，其中PANID指的是WIA-PA网络节点自身入网后的PANID地址，XMPP_SERVER指的是XMPP服务器的域名，短地址为节点入网后协调器分配的短地址。这样，WIA-PA网络节点可以确定自身的JID地址。通过确定JID地址，它与XMPP其他客户端通信是可以双向通信。由于适配器可以在由全互联网络端发送来的目的JID地址，来确定发送给的WIA-PA网络节点也支持XMPP客户端向该节点发送数据。
图5为适配器与WIA-PA网络节点交互流程，针对可确定JID地址的WIA-PA节点，其通信可满足该通信流程，具体流程为：
第一步，节点入网完成后，需发送一个Join network report报文给适配器，并等待接收适配器返回的确认，如果在一定时间内没有收到确认后，重新发送。
第二步，适配器收到Join network report报文，该报文中携带WIA-PA节点自身的EUI-64地址，该地址可转换为IPv6地址，然后返回一个Join network ack给节点。
第三步，若适配器收到XMPP服务器转发的读请求，查阅映射表后，转发给WIA-PA节点。
第四步，节点收到读请求后，解析读请求信息，返回读响应。
第五步，若适配器收到XMPP服务器转发过来的写请求，查阅映射表后，转发给WIA-PA节点。
第六步，节点收到写请求后，解析写请求信息，返回写响应。
第七步，WIA-PA节点入网后，如果支持发布/订阅功能，会发送Report或者Publish信息给适配器，该信息中包含支持发布/订阅的设备采集或自身的属性信息。
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 (6)

1.一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务适配器，其特征在于：包括协调器模块、Daemon模块、WIA-PA数据接收及分发模块、WIA-PA数据发送模块、入网信息处理模块、WIA-PA数据处理模块和XMPP服务器数据处理模块，
所述协调器模块其上行是将底层WIA-PA网络的数据汇集上来，解析WIA-PA的数据包，再通过Slip接口将数据传递给内部的Daemon模块，协调器模块其下行是将Slip接口接收到的数据封装为WIA-PA数据包再发送给底层WIA-PA网络设备；
Daemon模块用于根据Slip接口接收到的WIA-PA数据包的标志位发往上位机或者发给WIA-PA数据接收及分发模块或者接收来自上位机或者WIA-PA数据发送模块发来的数据包，并将数据包通过Slip转发给协调器模块；
WIA-PA数据接收及分发模块，将WIA-PA数据解析，分为入网信息和应用信息分别将信息缓存，待发送给相应的入网信息处理模块；
入网信息处理模块，解析WIA-PA数据包，获得其EUI-64位地址或者短地址，并建立虚拟的设备映射表，将WIA-PA网络节点在适配器内映射为设备列表，根据EUI-64转换的IPv6地址或短地址与XMPP服务器建立连接并通过验证；
WIA-PA数据处理模块，解析WIA-PA数据包，根据设备列表，将WIA-PA数据相应的属性信息存储在列表中，并转换为XML数据流，传给XMPP服务器；
XMPP服务器数据处理模块，接收来自XMPP服务器的数据，转发应用数据发送缓存，等待发送。
2.一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，适配器初始化：将已知的WIA-PA网络节点信息采用对象化处理，将每一个WIA-PA网络节点看作为一个用户应用对象，并对每一个用户应用对象进行XML语言进行描述；
第二步，WIA-PA设备初始化；
第三步，IPv6地址转换：将连接到适配器的WIA-PA网络节点的EUI-64转换为IPv6地址；第四步，每个WIA-PA网络节点创建一个TCP连接：WIA-PA网络节点连入适配器后，为WIA-PA网络节点创建一个IPv6的TCP套接字连接，使其每个用户应用对象以XMPP客户端的形式接入XMPP服务器，并在适配器中为WIA-PA协议支持的读、写、发布功能与XMPP协议支持的读、写、发布/订阅功能进行分别适配，使WIA-PA网络与XMPP网络互联互通。
3.根据权利要求2所述的一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务实现方法，其特征在于：所述用户应用对象需转换为遵循全互联网络定义的XML描述格式，每个用户应用对象包含多种属性。
4.根据权利要求2所述的一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务实现方法，其特征在于：所述WIA-PA网络节点分为两种类别：一种需确定自己JID地址，该种节点既支持自身向XMPP客户端发送数据，也支持XMPP客户端向该节点发送数据；另一种为不需要确定自身JID地址，只支持自身向XMPP客户端发送数据。
5.根据权利要求4所述的一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务实现方法，其特征在于：JID地址组成方法为：PANID@XMPP_SERVER/短地址，其中PANID为WIA-PA网络节点自身入网后的PANID地址，XMPP_SERVER为XMPP服务器的域名，短地址为WIA-PA网络节点入网后协调器分配的短地址。
6.根据权利要求5所述的一种WIA-PA/全互联制造网络信息服务实现方法，其特征在于：所述的读、写和发布/订阅功能的适配方法为：根据WIA-PA网络的数据包，解析获得WIA-PA应用子层定义的标识符来确定是哪一种方法，然后将其与XMPP协议对应数据服务方法进行映射，使WIA-PA网络与XMPP网络的方法互通。
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