CN107222338A - 一种物联网节点信息通信模型及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网节点信息通信模型及通信方法,包括供源模块以及与所述供源模块连接的通信模块；所述通信模块与物联网传输层设备连接，并与传输层设备之间构建互联协议模型；所述互联协议模型包括管理协议模型、网络协议模型和路由协议模型，所述路由协议模型包括相互连接的传输控制模型和现场总线模型；所述现场总线模型与路由器中的现场总线连接；所述传输控制模型、所述网络协议模型、所述管理协议模型分别与物联网连接。本发明通过引入与物联网连接的通信模块，生成与物联网传输层设备连接的互联协议模型，一方面提供各通信部分的接口以及操作接口，另一方面形成利于信息传输的各类通信协议，有效实现物联网多样化信息处理功能。

Description

一种物联网节点信息通信模型及通信方法

技术领域

本发明涉及物联网应用与控制装置研究技术领域，尤其涉及一种物联网节点信息通信模型及通信方法。

背景技术

2005年,国际电信联盟（ITU）正式提出了物联网一词，从功能角度，ITU认为“世界上所有的物体都可以通过因特网主动进行信息交换，实现任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联无所不在的网络和无所不在的计算”；从技术角度，ITU认为“物联网涉及射频识别技术、传感器技术、纳米技术和智能技术等”。

可见，物联网集成了多种感知、通信与计算技术，不仅使人与人之间的交流变得更加便捷，而且使人与物、物与物之间的交流变成可能，最终将使人类社会、信息空间和物理世界（人-机-物）融为一体。所以，物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的。

物联网的体系架构主要由感知层设备、传输层设备、存储应用服务器、物联网信息获取能力展示平台和配网自动化信息支持应用等部分组成，针对各个部分，当前已经出现了众多物联网数据管理方法。

专利号为201310136489.0 的发明涉及物联网数据管理信息技术领域，具体而言，涉及一种物联网平台数据管理方法。物联网平台数据管理方法，包括步骤：预先获取各实体被管理对象上传数据所采用的通信协议标准；接收各实体被管理对象上传的数据；根据各实体被管理对象上传数据所采用的通信协议标准，对所述上传的数据进行解析；将解析后的数据存储至应用数据库，建立各实体被管理对象的虚拟的管理单元，调用所述应用数据库中的数据，以所述管理单元为单位进行数据管理。发明所述的物联网平台数据管理方法，对不同被管理对象所上传的采用不同通信协议的数据，进行兼容处理，不会由于感知层和网络层的多样化而导致必须采用多套管理系统，更加便捷。

专利号为201210156133.9 的发明公开了一种物联网管理系统，包括：管理设备、物联端点设备和用户终端设备，所述管理设备包括通信分类机和通信调度机，所述通信分类机连接物联端点设备，所述物联端点设备连接通信调度机，所述通信调度机连接用户终端设备。通过上述方式，发明的物联网管理系统采用PLC自动控制，无需人为操作，能够大大提高通讯速率和控制速率，降低了复杂度，降低了成本，可以更加清晰直观地观察物联管理过程。

专利号为201610653609.8 的发明公开了一种物联网管理平台，包括信息和物理两部分，其信息部分包括感知信息管理系统和控制信息管理系统，其物理部分包括运营商管理服务器及与服务器相连的各种设施，是信息结构中的感知信息管理系统和控制信息管理系统的载体；物联网管理平台通过对各种感知控制信息、公共服务信息、网络通信等进行数据采集，协议转换，数据存储处理，数据共享，业务流程梳理，实现各种专业系统管理功能。发明从物理结构、信息结构上论述了物联网管理平台的具体实现方式，体现了物联网管理平台在整个物联网体系中的核心地位和作用，对于物联网标准制定、工作开展都具有极大的促进和指导意义。

然而，随着当前物联网技术的不断进步，其集先进的传感器、计算机与信息通信技术于一身，具有节点与节点之间自组成网，目标信息智能感知、智能处理信息和智能传输与发布信息的突出优点，所以，如果能够发明一种物联网节点信息进行无障碍通信的体系结构模型，将大大增强物联网的应用效率，便于技术人员充分发挥物联网技术信息获取的优势。

发明内容

本发明目的在于提供一种物联网节点信息通信模型及通信方法，根据物联网以传感器组为核心的不同节点信息类型，结合现场通信设备的实际应用，能形成快捷高效的通信协议模型，提高数据传输的灵活性，使物联网信息控制进一步智能化、现代化和高效化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种物联网节点信息通信模型，包括供源模块以及与所述供源模块连接的通信模块；所述通信模块与物联网传输层设备连接，并与传输层设备之间构建互联协议模型；所述互联协议模型包括管理协议模型、网络协议模型和路由协议模型，所述路由协议模型包括相互连接的传输控制模型和现场总线模型；所述现场总线模型与路由器中的现场总线连接；所述传输控制模型、所述网络协议模型、所述管理协议模型分别与物联网连接。

进一步地，所述管理协议模型包括自上而下建立的系统管理模块、传输控制层、网络层、数据链路层和物理层，所述物理层与物联网连接。

进一步地，所述网络协议模型包括自上而下建立的应用层、虚拟站点层、传输控制层、网络层、数据链路层和物理层；所述应用层与物联网存储应用服务器连接，所述物理层与物联网连接。

进一步地，所述传输控制模型包括自上而下建立的传输控制层、网络层、数据链路层和物理层，所述物理层与物联网连接，所述传输控制层与现场总线实现数据传输。

进一步地，所述供源模块包括电池组及其连接的漏极开路器件，所述电池组包括浮充式蓄电池组。

进一步地，所述通信模块包括远程传输模块和近程传输模块，所述近程传输模块包括JTAG接口和现场总线，所述远程传输模块包括LTE通信组件和光纤通信模块。

进一步地，所述LTE通信组件包括TD-LTE通信芯片和LTE230通信芯片。

进一步地，所述物联网通过所述远程传输模块连接移动运营商网络。

进一步地，所述现场总线设置数据加密装置。

一种物联网节点信息通信方法，包括如下步骤:

1)节点通信访问之前，由通信模型分析任务所需的信息类别及访问物联网具体路径需经过的线路，然后给相应的物联网节点发送访问信息，并转化到通信状态等待对方应答；

2)通信应答节点收到访问信息后，如果决定响应对方就转换到通信状态；通信应答节点基于自身的通信策略向通信访问返回应答信息，并在定时限内等待对方的确认信息，超出时限无应答则结束对话；

3)当访问方收到应答方返回的信息后，会依据自己的通信策略作以下处理：若通信达成一致则结束对话；通信访问可同时与多个应答节点达成一致，这时通信访问会选出其中最优的方案执行，并给相应的通信应答发送接受／拒绝信息；

4）若步骤3）中的通信未能达成一致，通信访问认为没有继续通信的必要，它会立刻终止对话；

5）若步骤3）中的通信虽然未能达成一致，但通信访问认为有继续通信的必要，它会修改访问信息并发送给通信应答，继续对话。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过引入与物联网连接的通信模块，生成与物联网传输层设备连接的互联协议模型，一方面提供各通信部分的接口以及操作接口，另一方面形成利于信息传输的各类通信协议，从而可以有效实现物联网多样化信息处理功能。

2、本发明的通信模块包括远程及近程通信功能，可以根据实际环境和需求，自主实现远程及近程、上行及下行通信选择，具有很强的自适应功能。

3、本发明的物联网节点信息通信方法可以有效实现多节点任务管理功能，能有效实现任务分配、任务调度和负载均衡管理功能，有助于针对任务的具体需求来考虑其执行效率，寻求最优的分配策略，并对任务进行适当的划分与裁决。本发明通信模型及方法能对物联网涉及到的信息进行统一的传输管理，提供信息采集及管理支撑的通用模块，确定使用不同的功能程序和业务的扩充，匹配物联网技术中将传感器、计算机与信息通信技术集于一身的设计，为进一步系统配置和可扩展的设计实现物理网系统信息的可级联化，值得广泛推广与使用。

附图说明

图1是本发明的模型结构示意图。

图2是本发明的硬件结构示意图。

图3是本发明方法的通信流程图。

具体实施方式

实施例

下面结合具体实施例对物联网技术和本发明的结合及应用进行分析：

物联网技术的体系架构主要由感知层设备、传输层设备、存储与应用服务器、物联网信息获取能力展示平台和配网自动化信息支持应用等部分组成。其中，感知层设备主要包括现场各种无线传感器节点组成，这些传感器不依赖外部供电，仅从环境或自备一次长寿命电池完成长时间（5~10年）信息采集任务，完成物联网设备的工作温度、电压、电流、相角、谐波、设备倾斜角变化、振动等信息的采集，同时还采集分布式储能、发电，电动汽车等新的用电发电设备引入物联网之后所带来的量测信息。感知层设备采集的信息采用统一的格式化数据传输到汇聚节点，这些格式化信息由其所属单个传感器自有的传感器信息模型定义，应用根据每个传感器的信息模型对格式化数据进行解析，得到可用的现场实时信息。传输层设备由汇聚节点（无线数据传输基站）和汇聚网关组成，汇聚节点负责各传感器节点的入网管理、网络维护、路由查找、传感器信息解密与再加密和格式化数据传输任务，汇聚网关负责各汇聚节点的接入、汇聚信息解密、非格式化数据传感器信息接入（多个性化定制协议栈）与格式化转换，并完成传感器信息模型到IEC61850信息模型的转换与重定义、重建模。汇聚网关将获得的传感器信息归一化为IEC61850信息模型将这些信息加密后发送到应用层存储服务器。应用层设备主要包括存储服务器、应用服务器、传感器信息获取应用展示平台和一流配网自动化信息支持软件等组成。存储服务器解密接收到的汇聚网关的信息，应用IEC61850信息模型解析这些信息，并按IEC61850信息格式统一存储，分发给各应用，应用服务器运行传感器信息获取展示平台，为全域用户提供信息展示应用，一流配网自动化信息支持软件根据配网自动化应用定制其所需的信息内容，通过信息交换总线将其所定制信息按规定的格式发送到配网自动化平台，为配网自动化提供可信的信息支持。

如图1所示，通信模块与物联网传输层设备连接，并与传输层设备之间构建互联协议模型；互联协议模型包括管理协议模型、网络协议模型和路由协议模型，路由协议模型包括相互连接的传输控制模型和现场总线模型；现场总线模型与路由器中的现场总线连接；传输控制模型、网络协议模型、管理协议模型分别与物联网连接。管理协议模型包括自上而下建立的系统管理模块、传输控制层、网络层、数据链路层和物理层，物理层与物联网连接。网络协议模型包括自上而下建立的应用层、虚拟站点层、传输控制层、网络层、数据链路层和物理层；应用层与物联网存储应用服务器连接，物理层与物联网连接。传输控制模型包括自上而下建立的传输控制层、网络层、数据链路层和物理层，物理层与物联网连接，传输控制层与现场总线实现数据传输。

本发明通信模型中的通信模块支持光纤通信，TD-LTE和LTE230通信技术等，每个通信子网都有其特有的通信协议，为了实现不同通信子网间的通信，要求终端必须有协议转换功能。为此，本发明模型的核心就是实现子网间的通信协议转换，即是现场总线与物联网之间的协议转换。

物联网与通用现场总线之间的互联常采用类似隧道技术的方法实现。隧道技术是一种用于异型网络互联的技术，当两个同类网络通过中间复杂的异类网络互联时，常采用隧道技术进行分组交换。当数据帧通过路由器时，路由器并不对帧头部进行协议转换，只是将数据帧作为分组再加上自己的帧头部，向同样位于中间网络的另一路由发送。另一路由收到数据后，去掉中间网络的帧头，继续向后继网络发送。整个过程中，中间网络可被看成从一个多协议路由伸展到另一个路由的大隧道，分组完全不必关心中间经过什么样的网络，因此大大简化了路由转发和寻址的工作。物联网与现场总线互联时，隧道技术应用在现场总线的数据链路层，与物联网的传输控制层相连。

在模型中的路由器现场总线接口处，只有任何网络协议都具有的物理层和数据链路层。当路由器中的现场总线数据链路层中将物理层得到的数据帧向位于路由器模型中的物联网部分发送时，物联网接口将数据帧加入到有效的IP分组载荷字段中，以预先约定的传输服务访问点TSAP向物联网广播，其中每个TSAP与一个应用程序相连。需要从现场总线接收数据的计算机对特定TSAP进行监听，如收到符合要求的TSAP报文，则从中取出数据提交给传输层上方的应用程序。

如图2所示，一种物联网节点信息通信模型，包括供源模块1以及与供源模块连接的通信模块；供源模块包括电池组及其连接的漏极开路器件9，电池组包括浮充式蓄电池组10。通信模块包括远程传输模块2和近程传输模块3，近程传输模块3包括JTAG接口4和现场总线5，远程传输模块2包括LTE通信组件和光纤通信模块8。LTE通信组件包括TD-LTE通信芯片6和LTE230通信芯片7。物联网通过远程传输模块连接移动运营商网络。现场总线设置数据加密装置。

浮充式蓄电池组运用了BMS系统，可以保障所连接设备更长时间的运行；BMS是现在广泛应用于供电领域的电池管理系统，它是电池与用户之间的纽带，主要对象是针对性解决二次电池的一些缺点，如存储能量少、寿命短、串并联使用问题、使用安全性、电池电量估算困难等。

现场总线所设置的数据加密装置，一方面，在安全接入和安全传输方面，采用移动终端和无线接入网建立加密网关，从而终端和主站系统侧都能安全、可靠的收发数据，另一方面，在本地数据链路层上，通过使用设备地址、认证私钥、加密私钥和随机码等多个参数保证通信安全，为调试、维护以及操作提供方便、安全等有利保证。

系统的传感器通信装置包括近距离通信装置和广域网络通信装置。在近距离通信方面，以IEEE802.15.4为代表的近距离通信技术是目前的主流技术，802.15.4规范是IEEE制定的用于低速近距离通信的物理层和媒体介入控制层规范，工作在ISM频段，免许可证的2.4GHz ISM频段全世界都可通用。在广域网路通信方面，IP互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现了信息的远程传输，特别是以IPv6为核心的下一代互联网的发展，将为每个传感器分配IP地址创造可能，也为传感网的发展创造了良好的基础网条件。传感网络相关通信技术，常见的有蓝牙、IrDA、Wi-Fi、ZigBee、RFID、UWB、NFC、WirelessHart等。

本发明通信方法的动作流程图如图3所示，我们在这里是将物联网各个感知层设备传感器节点信息看成一个整体的拓扑框架，对于物联网来说，一个无线传感器就是一个节点。因此要求物联网感知层具有多节点信息处理功能，这里的多节点信息处理功能包含节点通信功能和多节点任务管理功能。对于单个物联网感知层设备来说，它有能力对单个配电点进行负荷调节，但是当某一区域出现如信息进出波动等情况时，它就要访问其他无线传感器一起进行通信调节。在多节点技术中，该无线传感器被称为通信访问，其他无线传感器称为通信应答。所以我们的具体通信方法如下：

1)节点通信访问之前，由通信模型分析任务所需的信息类别及访问物联网具体路径需经过的线路，然后给相应的物联网节点发送访问信息，并转化到通信状态等待对方应答；

2)通信应答节点收到访问信息后，如果决定响应对方就转换到通信状态；通信应答节点基于自身的通信策略向通信访问返回应答信息，并在定时限内等待对方的确认信息，超出时限无应答则结束对话；

3)当访问方收到应答方返回的信息后，会依据自己的通信策略作以下处理：若通信达成一致则结束对话；通信访问可同时与多个应答节点达成一致，这时通信访问会选出其中最优的方案执行，并给相应的通信应答发送接受／拒绝信息；若通信未能达成一致，通信访问认为没有继续通信的必要，它会立刻终止对话；若通信虽然未能达成一致，但通信访问认为有继续通信的必要，它会修改访问信息并发送给通信应答，继续对话。

依据这种通信方法，这样就可以实现物联网通信模型在感知层和传输层设备上实现多节点任务管理功能，这些功能具体体现在以下几个方面：

①任务分配：任务分配主要是对抽象任务的分解以及对具体任务的分发。与任务分配相关的研究主要集中在资源和任务的准入控制，它受传感器节点是否可到达、能否获得所需通信带宽以及是否满足与应用相关的任务期限等等限制，因而需要针对任务的具体需求来考虑其执行效率，寻求最优的分配策略，并对任务进行适当的划分与裁决。在任务分配方面，可采用AMRTA分配策略技术。AMRTA分配策略运用自组织的“生物群智能”方法，模拟蚂蚁群落的行为，在动态环境中按区域任务需求的比例来调节行为数的划分，并采用基于等待时间的相遇模式，通过局部感知通信来预测节点密度。

②任务调度：任务调度主要研究如何将特定的任务迁移到最合适的节点上去执行。任务调度的执行过程要求能够自适应于网络环境的动态变化。由于节能是需要考虑的首要因素，因此还要研究如何在任务调度的同时均衡使用网内能量资源，以最大化网络寿命。在任务调度方面，可采用MSUS算法。 MSUS算法根据任务的优先级、执行时间以及能量的要求来决定节点应该使用哪一种工作状态处理任务。

③负载均衡:负载均衡主要考虑通过调节各节点上的任务量和数据流量来均衡化网络内的能量消耗，并减少通信拥塞，最终延长系统寿命。由于全面量测系统网络的动态实时性较高，对于突发事件，负载均衡机制应该能够迅速将其所引起的局部突增的任务量迁移并扩散到网络中的其它区域。在负载均衡方面，可以构造不同类型的负载均衡树，从汇聚节点处迭代地对树进行扩展，并运用切比雪夫和不等式作为负载均衡的衡量标准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的一般技术人员将认识到，使用本发明的方案还可以实现许多可选的实施例。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种物联网节点信息通信模型，其特征在于：包括供源模块以及与所述供源模块连接的通信模块；所述通信模块与物联网传输层设备连接，并与传输层设备之间构建互联协议模型；所述互联协议模型包括管理协议模型、网络协议模型和路由协议模型，所述路由协议模型包括相互连接的传输控制模型和现场总线模型；所述现场总线模型与路由器中的现场总线连接；所述传输控制模型、所述网络协议模型、所述管理协议模型分别与物联网连接。

2.如权利要求1所述的物联网节点信息通信模型，其特征在于：所述管理协议模型包括自上而下建立的系统管理模块、传输控制层、网络层、数据链路层和物理层，所述物理层与物联网连接。

3.如权利要求1所述的物联网节点信息通信模型，其特征在于：所述网络协议模型包括自上而下建立的应用层、虚拟站点层、传输控制层、网络层、数据链路层和物理层；所述应用层与物联网存储应用服务器连接，所述物理层与物联网连接。

4.如权利要求1所述的物联网节点信息通信模型，其特征在于：所述传输控制模型包括自上而下建立的传输控制层、网络层、数据链路层和物理层，所述物理层与物联网连接，所述传输控制层与现场总线实现数据传输。

5.如权利要求1所述的物联网节点信息通信模型，其特征在于：所述供源模块包括电池组及其连接的漏极开路器件，所述电池组包括浮充式蓄电池组。

6.如权利要求1所述的物联网节点信息通信模型，其特征在于：所述通信模块包括远程传输模块和近程传输模块，所述近程传输模块包括JTAG接口和现场总线，所述远程传输模块包括LTE通信组件和光纤通信模块。

7.如权利要求6所述的物联网节点信息通信模型，其特征在于：所述LTE通信组件包括TD-LTE通信芯片和LTE230通信芯片。

8.如权利要求6所述的物联网节点信息通信模型，其特征在于：所述物联网通过所述远程传输模块连接移动运营商网络。

9.如权利要求6所述的物联网节点信息通信模型，其特征在于：所述现场总线设置数据加密装置。

10.一种物联网节点信息通信方法，其特征在于，包括如下步骤:

1)节点通信访问之前，由通信模型分析任务所需的信息类别及访问物联网具体路径需经过的线路，然后给相应的物联网节点发送访问信息，并转化到通信状态等待对方应答；

2)通信应答节点收到访问信息后，如果决定响应对方就转换到通信状态；通信应答节点基于自身的通信策略向通信访问返回应答信息，并在定时限内等待对方的确认信息，超出时限无应答则结束对话；

3)当访问方收到应答方返回的信息后，会依据自己的通信策略作以下处理：若通信达成一致则结束对话；通信访问可同时与多个应答节点达成一致，这时通信访问会选出其中最优的方案执行，并给相应的通信应答发送接受／拒绝信息；

4）若步骤3）中的通信未能达成一致，通信访问认为没有继续通信的必要，它会立刻终止对话；

5）若步骤3）中的通信虽然未能达成一致，但通信访问认为有继续通信的必要，它会修改访问信息并发送给通信应答，继续对话。