CN109639467A - 基于sdn的智能产线多模态数据交互系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统及方法，所述系统包括设备层、转换层、网络层和服务器层，设备层由底层设备、传感器和数据采集节点组成，用于采集设备的作业信息并进行数据汇总；转换层由分布式智能网关组成，负责数据的格式转换及同网络层的交互；网络层采用软件定义SDN网络搭建，用于转换层转换协议的动态配置以及数据传输路径优化；服务器层通过数据库的建立存储不同的协议转换安装包，并对采集的数据进行存储以及用户服务的接入。所述系统基于SDN网络，将设备控制面和数据面解耦和，实现了网络流量的灵活控制，同时将有线和无线网络相互混合，使得数据采集网络系统更加的灵活方便，也更加适合当前的产线现状。

Description

基于SDN的智能产线多模态数据交互系统及方法

技术领域

本发明涉及工业自动化控制技术领域，具体涉及一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统及方法。

背景技术

随着信息技术的发展，传统制造业正向智能化的方向转变，而在智能制造的环境下，信息交互与数据的高效稳定通讯是实现产线智能化、信息化、自动化的关键与重要基础；为产线的数据采集、上传、下发等提供了非常重要的通道。设备联网成为未来技术发展的必然趋势，目前比较成熟的技术主要有总线通信和无线通信两种，通过在物联网内部部署Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等无线传输网络以及RS485、RS232、CAN总线等有线网络来实现信息交互和数据传输，最后通过以太网实现互联网的接入。智能产线内部包含的设备数量众多，而且现在各种设备大都根据功能定制，装备控制器与传感器/执行器之间、装备之间、装备与云平台之间的网络交互存在设备异构、服务等级不同以及网络拓扑多变的特征。实现设备与物联网的对接，一个很关键的问题就是设备节点和物联网网关的通讯。目前的技术大都是专用性一对一单协议网关，在任意两种不同协议间转换时都需要使用专用网关，在当前复杂的智能产线异构网络通讯中十分不便。而且针对不同设备需要编写不同的网关程序，甚至需要在网关中添加私有协议才能使设备成功接入，这都大大影响了系统的整体兼容性。另外还需要根据设备去制作相应的硬件接入口，不仅延长了开发周期还使得系统的维护成本上升。

发明内容

本发明的目的是针对目前现有的智能产线数据传输、通讯装置的兼容性等存在的不足，提供了一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统，SDN作为一种新型网络架构，将设备控制面和数据面解耦和，从而实现了网络流量的灵活控制，将其引入物联网网络系统中可以大大提升数据传输的管理效率和网络资源的高效利用。

本发明的另一目的在于提供一种基于SDN的智能产线多模态数据交互方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统，所述系统包括四层：设备层、转换层、网络层和服务器层，设备层由底层设备、传感器和数据采集节点组成，用于采集设备的作业信息并进行数据汇总；转换层由分布式智能网关组成，负责数据的格式转换及同网络层的交互；网络层采用软件定义SDN网络搭建，用于转换层转换协议的动态配置以及数据传输路径优化；服务器层通过数据库的建立存储不同的协议转换安装包，并对采集的数据进行存储以及用户服务的接入；

所述软件定义SDN网络搭建过程中将数据层和控制层进行了解耦和，交换机负责数据转发而将复杂的控制任务交由控制器进行处理，交换机采用分层思想，上层为可更新的软件层，中间是数据处理层，下层是效率高的硬件层；控制器则能够根据智能产线规模进行扩展，实现并行控制。

进一步地，所述设备层工作时，首先将智能产线中的底层设备按照功能和区域进行划分，某些不方便布线的区域或底层设备通过工业无线网络进行数据传输；然后将底层设备运行过程中所产生的数据信息由传感器采集汇总到每个区域配置的数据采集节点，数据采集节点对各底层设备的数据信息进行汇总打包。

具体地，所述底层设备运行过程中所产生的数据信息包括电机转速、现场温度、加工过程、工位状态等。

进一步地，所述智能网关包括：核心处理器，进行相关数据的转换处理；接口拓展模块，配备了RS-485、RS-232、USB、RJ45、SPI多类型接口；无线通讯模块，支持Wi-Fi、蓝牙无线通讯；缓存模块，缓存队列中数据，实现短时间小容量存储；电源模块，通过DC/DC交换器来提供各模块和接口所需要的工作电压。

进一步地，所述系统中的数据传输过程为：当设备层完成数据采集后，发出和网络的通信请求，智能网关会对终端节点进行身份验证，若未注册则会先进行身份注册并对通道的连接属性、通信波特率以及服务器的IP地址进行配置，智能网关连接完成后进行业务流的输入，根据服务的优先级进行任务的分配和调度；数据处理时智能网关会先询问是否含有本地数据转换包，如果有则直接运行进行数据转换，如果没有则通过网络配置数据转换包并进行安装，数据转换完成后，通过网络层和服务器层进行交互。

进一步地，所述系统对于数据的传输采用优先级判定，业务流按优先级分为实时传输、高优先级、一般优先级三类，当数据输入智能网关后先进行优先级判定，然后检测相应队列是否排满，若队列没有排满则进入此网关的任务数据缓冲区中等待处理，如果队列排满则会被此网关丢弃；然后根据网络层的记录分析，安排当前队列没有排满的第二网关进行任务接收和处理，通过对最小队列长度阈值和最大队列长度阈值的调控来降低数据传输延迟。

本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于SDN的智能产线多模态数据交互方法，所述方法包括以下步骤：

采用分布式传感网络进行底层设备的数据采集工作，将智能产线中的底层设备按照功能和区域进行划分，在每个传感局域网络内设置一个数据采集节点进行设备作业信息的汇总和转发；

设计一款支持多通讯协议转换的智能网关与数据采集节点连接，对数据采集节点采集的信息进行通讯协议转换，实现和网络层的通讯以及各设备联网；

搭建SDN网络架构，对边缘智能网关进行软件配置，使其能够进行不同通讯协议之间的数据转换和传输，通过网络层的调度实现网络资源的更优化使用；

通过SDN网络的数据控制面对数据转发制定传输优先级策略，保障关键数据流的可靠实时传输，通过改变网络拓扑结构以改善可能出现的网络拥塞，避免多数据流传输的时延与丢包问题；从而最终实现工业物联网和云端的数据交互，用户能够直接通过网络访问云端服务数据，从而使生产更好地面向对象和需求。

具体地，考虑到多个数据流以及多个协议同时存在，需要在网络端对数据传输制定相应的服务策略，对多智能网关进行分类和调度，实现网关和交换机，网关和网关的多对象通讯，实现资源的最大化利用。另外，在云端建立协议转换数据库，根据转换种类进行分类，可以快速供匹配的设备调用，同时对工业物联网采集数据进行建模分析，以供进一步的使用(设备故障诊断、故障预测等)，用户也可以直接通过云端进行加工订单的下达，使得智能产线更加准确地面向对象和需求。

进一步地，为适应智能制造环境下日益增加的通讯负荷以及不同层次网络通讯对性能的不同需求，所述方法的项目底层网络通讯采用以太网协议，构建有线和无线多模态差异化的数据交互，兼容串口、CANBUS、MODBUS通讯协议。

进一步地，所述智能网关作为异构网络数据交互的平台，其硬件结构包含多种接口，实现和底层设备节点的连接，考虑到制造现场情况的复杂性，借助多路串口通信接口扩展实现Zigbee、蓝牙无线通信功能，使设备连接更加方便灵活。

进一步地，所述方法在进行软件定义SDN网络搭建过程中，考虑到智能产线规模的大小，选择使用单控制器来进行网络控制，以控制器为逻辑中心，南向与数据层进行通信，北向则和应用层通信，在SDN控制之下设置多个交换机进行数据交互，数据层和控制层之间采用OpenFlow协议，交换机需要维护一个流表来支持OpenFlow并根据其进行数据的转发，控制器则负责流表的建立、维护以及下发工作。

进一步地，所述智能网关需要先对接入网关的异构网络进行配置，终端发出通信请求后，智能网关会先对终端的身份ID信息进行注册，然后对通道的连接属性、通信波特率以及服务器的IP地址进行配置；异构网络配置完成后，智能网关会先对终端进行询问，是否有含有协议转换数据包，若终端含有数据转换包则通过运行数据包进行终端和物联网之间的协议转换，当终端不含协议转换包时，则使用SDN网络从数据库中选择合适的数据转换包进行配置，实现协议转换。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供的基于SDN的智能产线多模态数据交互系统，针对智能产线信息交互需求，研究了多层次通讯协议、通讯媒介、信息交互机理，构建了智能产线多模态高效信息交互系统，有线和无线网络相互混合，在某些无法布线或者布线难度大的区域使用无线网络通讯，使得数据采集网络系统更加的灵活方便，也更加适合当前的产线现状。其中，多协议智能网关的设计，通过动态配置协议转换包来实现网关对多协议的转换，还可以有效简化网关的硬件结构，降低网关的专一性，更加方便系统的维护。

2、本发明提供的基于SDN的智能产线多模态数据交互方法，通过SDN网络的服务策略配置来规划数据传输路径，使得数据交互的效率得到提升，而且有效解决了故障发生时的数据传输问题，增加了智能产线多模态数据交互系统的柔性。另外，多模态设备数据信息的采集可以为后续的智能产线的运维提供数据基础，通过云端的数据处理实现设备的故障诊断及预测，降低设备停机维修时间，保证智能产线的生产效率。同时，云服务的接入使得智能产线的生产活动可以更好地面向对象和需求，用户可以通过网络进行个性化定制服务，解决了多种类小批量的加工需求。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于SDN的智能产线多模态数据交互系统的数据交互方法示意图。

图2为本发明实施例1提供的基于SDN的智能产线多模态数据交互系统的具体数据交互流程图。

图3为本发明实施例1中智能网关的硬件结构图。

图4为本发明实施例1中SDN网络扩展示意图。

图5为本发明实施例1中对业务流按优先级处理的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例提供了一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统，所述系统包括四层：设备层、转换层、网络层和服务器层，设备层包含了智能产线的终端和数据采集节点。终端设备主要涉及产品、加工、输送三方面，产品方面包括原料添加和成品包装；加工方面包括机械臂、车床等加工设备；输送则包括产线的运动和状态检测等。由于各设备的生产厂家不同，所以底层数据传输所使用的通讯协议种类各异，目前比较多的有：ModbusTCP、ModbusRTU、OPCUA、RFID、Zigbee、Wifi等。首先将产线中的设备按照功能和区域进行划分，某些不方便布线的区域或设备通过工业无线网络进行数据传输。然后将设备运行过程中所产生的数据信息例如电机转速、现场温度、加工过程、工位状态等由传感器采集汇总到数据采集节点，数据采集节点对各设备的信息进行汇总打包后和转换层的智能网关进行连接。

所述系统的数据交互方法示意图如图1所示，具体数据交互流程如图2所示，当设备层完成数据采集后，发出和网络的通信请求，智能网关会对终端节点进行身份验证，若未注册则会先进行身份注册并对通道的连接属性、通信波特率以及服务器的IP地址进行配置。智能网关连接完成后进行业务流的输入，根据服务的优先级进行仍无的分配和调度。数据处理时智能网关会先询问是否含有本地数据转换包，如果有则直接俄运行进行数据转换，如果没有则通过网络配置数据转换包并进行安装。数据转换完成后，通过网络层和服务器进行交互。

所述智能网关的硬件结构如图3所示，核心处理器选用IXP465，它采用XScale内核以及3个完全可编程的4线程微引擎，拥有很强的数据处理能力。考虑到多种信号的接入，配备了RS-485、RS-232、USB、RJ45、SPI等多类型接口，同时含有Wi-Fi、蓝牙等无线通讯模块，满足和多设备、节点连接的需求；通过DC/DC交换器来提供各模块和接口所需要的工作电压。设备层发出通信请求后，智能网关先对终端的身份ID等信息进行注册并记录，对设备层的数据采集单元进行定义，包括标识号、所属设备、名称、通信数据流等。通信数据流的首字节为网络类型的标志位，根据不同的通信协议进行定义。之后网关对设备层发送询问是否含有协议转换数据包，若终端含有数据包则可直接从终端获取并进行安装运行，当终端没有对应协议转换数据包时，网关则根据终端的身份ID和定义的采集单元与网络层进行通信，网络层在数据库中挑选合适的数据转换包进行配置，安装完成后进行数据的协议转换并传输。

在SDN网络中，将数据层和控制层进行了解耦和，交换机负责数据转发而将复杂的控制任务交由控制器进行处理。为了使交换机的工作效率更高使用更加灵活，本实施例对于交换机的设计采用分层策略。顶层是可更新的软件数据层面，底层是相对固定但处理效率较高的硬件数据层面，中间的流数据处理层则负责顶层和底层的数据通信。考虑到所涉及物联网的规模大小，本实施例对于控制器的设计选用单一的全局控制器，为科研人员提供可用的编程平台，对全网的数据实现更方便灵活的控制。当网络规模扩大单一控制器功能不足时，可以如图4所示，通过引入多控制器来对SDN网络进行扩展。

智能产线现场设备众多，需要进行采集和交互的数据也是多种多样，为了满足多服务的要求，本实施例的系统将采取高优先级先服务的策略，如图5所示，对业务流按优先级分为实时传输、高优先级、一般优先级三类，当数据输入智能网关后先进行优先级判定，然后检测相应对列是否排满，若队列没有排满则进入位网关的任务数据缓冲区中等待处理，如果队列排满则会被此网关丢弃。网关之间通过DDS通讯协议进行数据交互，被第一网关丢弃的数据包会由网络端进行调度，选择第二网关进行处理。网关队列的管理采用RED(随机早期检测)算法，通过对最小队列长度阈值和最大队列长度阈值的调控来降低数据传输延迟。

实施例2：

本实施例提供了一种基于SDN的智能产线多模态数据交互方法，所述方法包括以下步骤：

采用分布式传感网络进行底层设备的数据采集工作，将智能产线中的底层设备按照功能和区域进行划分，在每个传感局域网络内设置一个数据采集节点进行设备作业信息的汇总和转发；

设计一款支持多通讯协议转换的智能网关与数据采集节点连接，对数据采集节点采集的信息进行通讯协议转换，实现和网络层的通讯以及各设备联网；

搭建SDN网络架构，对边缘智能网关进行软件配置，使其能够进行不同通讯协议之间的数据转换和传输，通过网络层的调度实现网络资源的更优化使用；

通过SDN网络的数据控制面对数据转发制定传输优先级策略，保障关键数据流的可靠实时传输，通过改变网络拓扑结构以改善可能出现的网络拥塞，避免多数据流传输的时延与丢包问题；从而最终实现工业物联网和云端的数据交互，用户能够直接通过网络访问云端服务数据，从而使生产更好地面向对象和需求。

具体地，考虑到多个数据流以及多个协议同时存在，需要在网络端对数据传输制定相应的服务策略，对多智能网关进行分类和调度，实现网关和交换机，网关和网关的多对象通讯，实现资源的最大化利用。另外，在云端建立协议转换数据库，根据转换种类进行分类，可以快速供匹配的设备调用，同时对工业物联网采集数据进行建模分析，以供进一步的使用(设备故障诊断、故障预测等)，用户也可以直接通过云端进行加工订单的下达，使得智能产线更加准确地面向对象和需求。

具体地，为适应智能制造环境下日益增加的通讯负荷以及不同层次网络通讯对性能的不同需求，所述方法的项目底层网络通讯采用以太网协议，构建有线和无线多模态差异化的数据交互，兼容串口、CANBUS、MODBUS通讯协议。

具体地，所述智能网关作为异构网络数据交互的平台，其硬件结构包含多种接口，实现和底层设备节点的连接，考虑到制造现场情况的复杂性，借助多路串口通信接口扩展实现Zigbee、蓝牙无线通信功能，使设备连接更加方便灵活。

具体地，所述方法在进行软件定义SDN网络搭建过程中，考虑到智能产线规模的大小，选择使用单控制器来进行网络控制，以控制器为逻辑中心，南向与数据层进行通信，北向则和应用层通信，在SDN控制之下设置多个交换机进行数据交互，数据层和控制层之间采用OpenFlow协议，交换机需要维护一个流表来支持OpenFlow并根据其进行数据的转发，控制器则负责流表的建立、维护以及下发工作。

具体地，所述智能网关需要先对接入网关的异构网络进行配置，终端发出通信请求后，智能网关会先对终端的身份ID信息进行注册，然后对通道的连接属性、通信波特率以及服务器的IP地址进行配置；异构网络配置完成后，智能网关会先对终端进行询问，是否有含有协议转换数据包，若终端含有数据转换包则通过运行数据包进行终端和物联网之间的协议转换，当终端不含协议转换包时，则使用SDN网络从数据库中选择合适的数据转换包进行配置，实现协议转换。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统，其特征在于，所述系统包括四层：设备层、转换层、网络层和服务器层，设备层由底层设备、传感器和数据采集节点组成，用于采集设备的作业信息并进行数据汇总；转换层由分布式智能网关组成，负责数据的格式转换及同网络层的交互；网络层采用软件定义SDN网络搭建，用于转换层转换协议的动态配置以及数据传输路径优化；服务器层通过数据库的建立存储不同的协议转换安装包，并对采集的数据进行存储以及用户服务的接入；

所述软件定义SDN网络搭建过程中将数据层和控制层进行了解耦和，交换机负责数据转发而将复杂的控制任务交由控制器进行处理，交换机采用分层思想，上层为可更新的软件层，中间是数据处理层，下层是效率高的硬件层；控制器则能够根据智能产线规模进行扩展，实现并行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统，其特征在于：所述设备层工作时，首先将智能产线中的底层设备按照功能和区域进行划分，某些不方便布线的区域或底层设备通过工业无线网络进行数据传输；然后将底层设备运行过程中所产生的数据信息由传感器采集汇总到每个区域配置的数据采集节点，数据采集节点对各底层设备的数据信息进行汇总打包。

3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统，其特征在于，所述智能网关包括：核心处理器，进行相关数据的转换处理；接口拓展模块，配备了RS-485、RS-232、USB、RJ45、SPI多类型接口；无线通讯模块，支持Wi-Fi、蓝牙无线通讯；缓存模块，缓存队列中数据，实现短时间小容量存储；电源模块，通过DC/DC交换器来提供各模块和接口所需要的工作电压。

4.根据权利要求1所述的一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统，其特征在于，所述系统中的数据传输过程为：当设备层完成数据采集后，发出和网络的通信请求，智能网关会对终端节点进行身份验证，若未注册则会先进行身份注册并对通道的连接属性、通信波特率以及服务器的IP地址进行配置，智能网关连接完成后进行业务流的输入，根据服务的优先级进行任务的分配和调度；数据处理时智能网关会先询问是否含有本地数据转换包，如果有则直接运行进行数据转换，如果没有则通过网络配置数据转换包并进行安装，数据转换完成后，通过网络层和服务器层进行交互。

5.根据权利要求4所述的一种基于SDN的智能产线多模态数据交互系统，其特征在于：所述系统对于数据的传输采用优先级判定，业务流按优先级分为实时传输、高优先级、一般优先级三类，当数据输入智能网关后先进行优先级判定，然后检测相应队列是否排满，若队列没有排满则进入此网关的任务数据缓冲区中等待处理，如果队列排满则会被此网关丢弃；然后根据网络层的记录分析，安排当前队列没有排满的第二网关进行任务接收和处理，通过对最小队列长度阈值和最大队列长度阈值的调控来降低数据传输延迟。

6.一种基于SDN的智能产线多模态数据交互方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

采用分布式传感网络进行底层设备的数据采集工作，将智能产线中的底层设备按照功能和区域进行划分，在每个传感局域网络内设置一个数据采集节点进行设备作业信息的汇总和转发；

设计一款支持多通讯协议转换的智能网关与数据采集节点连接，对数据采集节点采集的信息进行通讯协议转换，实现和网络层的通讯以及各设备联网；

搭建SDN网络架构，对边缘智能网关进行软件配置，使其能够进行不同通讯协议之间的数据转换和传输，通过网络层的调度实现网络资源的更优化使用；

通过SDN网络的数据控制面对数据转发制定传输优先级策略，保障关键数据流的可靠实时传输，通过改变网络拓扑结构以改善可能出现的网络拥塞，避免多数据流传输的时延与丢包问题；从而最终实现工业物联网和云端的数据交互，用户能够直接通过网络访问云端服务数据，从而使生产更好地面向对象和需求。

7.根据权利要求6所述的基于SDN的智能产线多模态数据交互方法，其特征在于：为适应智能制造环境下日益增加的通讯负荷以及不同层次网络通讯对性能的不同需求，所述方法的项目底层网络通讯采用以太网协议，构建有线和无线多模态差异化的数据交互，兼容串口、CANBUS、MODBUS通讯协议。

8.根据权利要求6所述的基于SDN的智能产线多模态数据交互方法，其特征在于：所述智能网关作为异构网络数据交互的平台，其硬件结构包含多种接口，实现和底层设备节点的连接，考虑到制造现场情况的复杂性，借助多路串口通信接口扩展实现Zigbee、蓝牙无线通信功能，使设备连接更加方便灵活。

9.根据权利要求6所述的基于SDN的智能产线多模态数据交互方法，其特征在于：所述方法在进行软件定义SDN网络搭建过程中，考虑到智能产线规模的大小，选择使用单控制器来进行网络控制，以控制器为逻辑中心，南向与数据层进行通信，北向则和应用层通信，在SDN控制之下设置多个交换机进行数据交互，数据层和控制层之间采用OpenFlow协议，交换机需要维护一个流表来支持OpenFlow并根据其进行数据的转发，控制器则负责流表的建立、维护以及下发工作。

10.根据权利要求6或9所述的基于SDN的智能产线多模态数据交互方法，其特征在于：所述智能网关需要先对接入网关的异构网络进行配置，终端发出通信请求后，智能网关会先对终端的身份ID信息进行注册，然后对通道的连接属性、通信波特率以及服务器的IP地址进行配置；异构网络配置完成后，智能网关会先对终端进行询问，是否有含有协议转换数据包，若终端含有数据转换包则通过运行数据包进行终端和物联网之间的协议转换，当终端不含协议转换包时，则使用SDN网络从数据库中选择合适的数据转换包进行配置，实现协议转换。