CN111491001A

CN111491001A - 一种支持多类型设备接入物联网的网关系统及方法

Info

Publication number: CN111491001A
Application number: CN201910082640.4A
Authority: CN
Inventors: 李成林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-08-04

Abstract

本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种支持多类型设备接入物联网的网关系统及方法。本发明通过配置设备物模型，寻址信息，设备信息，关联设备服务，让设备在元数据模块注册，可实现设备快速接入；高层应用通过设备控制模块下发控制命令，该命令包括设备名称和命令内容；设备控制模块向元数据模块查找设备及命令，发送到设备服务，设备服务通过内部各模块，实现设备数据上报或者控制，达到设备控制的目的；设备服务将不同类型设备数据转换为统一格式JSON数据，并推送到核心数据模块，核心数据再将此数据转发到高层应用和存入数据库，实现高层应用的快速对接。

Description

一种支持多类型设备接入物联网的网关系统及方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种支持多类型设备接入物联网的网关系统及方法。

背景技术

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网通过各种信息传感器，采集物体的实时属性，比如声，光，热，电，力学，位置等信息，并发送给需求方。

根据推荐性国家标准GB/T 33474-2016 ,从功能系统组成的角度，物联网系统分为6个域：用户域，目标对象域，感知控制域，服务提供域，运维管控域和资源交换域。其中感知控制域是各类获取感知对象信息与操控控制对象的软硬件系统的实体集合。感知控制域可实现针对物理世界对象的本地化感知、协同和操控，并为其他域提供远程管理和服务接口。控制域中的实体（如传感器系统，标签识别系统，智能化设备接口系统等）可与目标对象域中的对象进行关联，实现物理世界和虚拟世界的接口绑定。

由于面对的目标对象各不一样，造成了感知控制域中的实体（如传感器系统，标签识别系统，智能化设备接口系统等）有很大差别。首先，传感器都是通过电信号差异来表征物理世界的变化，但不同的电参数（电流、电压、电阻，电感等）导致了信号的复杂多样；其次，信号采集频率随目标对象不同而不同，导致了发送的信息量不同；再次，由于信息承载的网络不同，为了适应异构的网络，同时为了保障完整性和正确性，而产生不同的传输协议。

由于以上的复杂性，感知控制域中的实体设备多种多样，类型各不相同。有的设备类型用于感知对象，有的设备类型用于控制对象。根据面对的目标对象不同，设备有着不同的信号传输方向，传输协议，转化方式。如果需要与设备进行通讯，就必须得一对一进行配置，解析不同的数据帧获得数据，对得到的数据进行不同的转化，因而导致开发过程漫长，进度缓慢。即使经过努力开发得到了一个系统，也因为适用于某一垂直领域，无法形成广泛的信息资源共享与交换。

物联网的一大重要特征，就是基于物物相连的广泛信息资源共享和交换。不同类型的设备接入物联网开发过程漫长，进度缓慢，导致了物联网发展的缓慢。这也使得物联网行业迫切需要一种特殊类型的机制，不仅能够适配各种不同类型的设备，而且能够让不同设备能够便捷快速接入，满足多应用场景的需求，保障上层业务能够快速部署。

物联网发展到今天，已经与云计算，大数据，人工智能等先进技术深度融合，快速扩展到了各行各业。物联网正在快速发展，而众多设备缺乏统一接入标准，使得各物联网平台需要根据设备类型在平台侧进行单独开发，导致了周期长，可维护性差，成本高，设备互联困难。设计统一的，便捷快速的设备接入方案，是当务之急。

在物联网高速发展的今天，各种物联网新应用层出不穷，同时物联网与云计算，大数据，人工智能深度融合，发展进入了快车道。而各种物联网应用设备种类多，协议种类多，导致开发周期长，联网缓慢，从而影响了物联网的快速发展。业务发展需求有一种让多类型设备快速便捷接入物联网，并能够实现快速设备互联的网关和方法，这种网关和方法变得越来越紧迫，已经成为物联网高速发展的关键。

发明内容

鉴于以上内容，本发明提出了一种支持多类型设备接入物联网的网关系统和方法。

本发明提出的一种支持多类型设备接入物联网的网关系统，包括：设备服务，核心服务 2个服务层。

设备服务层包括：控制器、执行器、初始化配置、数据转换、设备模型存储、驱动模块；核心服务层包括：核心数据、数据库、云数据、设备控制。

设备服务层，用于设备原始数据和统一格式JSON数据之间的双向转化，同时，将设备的可用资源封装成标准接口，供上层应用调用；其中：

控制器模块，用于接收来自核心服务层请求转化为设备控制事件；

执行器模块，用于接收控制事件请求，转化为控制命令；

初始化配置模块，用于设备服务的初始化化条件配置，比如端口，IP地址等；

数据转换模块，用于转化从设备中获取的原始数据，使其符合上层应用对数据格式的要求；

设备模型存储，用于暂存设备配置文档，设备信息，寻址信息等内容；

驱动模块，设备的驱动文件，将设备数据解析成高层应用数据。

核心服务层，用于收集、转发并存储来自设备的读数，提供设备和设备服务注册，及设备命令功能；其中：

核心数据模块，用于收集转发来自设备服务模块的数据；

数据库模块，用于记录来自核心数据模块、元数据模块的数据；

元数据模块，用于添加及管理设备注册信息，添加及管理设备服务注册信息，并关联设备和设备服务；

设备控制模块，用于接收客户端的控制请求，转换为对设备的控制命令。

本发明提出的一种支持多类型设备接入物联网的方法，包括以下步骤：

配置设备物模型信息，包括资源，设备资源，命令三个基本组成部分；

配置设备的寻址信息；

配置设备基本信息，关联设备物模型，寻址信息及设备服务。

本发明提到的设备，通过设备服务模块接入到核心数据。设备可以是温湿度，电流，电压，流量等传感器，也可以是开关，PLC逻辑控制器等控制设备。设备的联网方式可以是无线Zigbee, Lora, 蓝牙协议，也可以是通过RS485, RS232, 以太网等有线传输的Modbus, Bacnet, OPC-UA 等协议。

本发明的模块设备服务，核心数据，元数据，设备控制可以通过TCP 方式相互通讯。设备服务对应了不同的协议，设备可与特定协议的设备服务匹配，再加上简单设置，可快速接入到网关中，无需任何代码修改和设备修改，极大地加快了设备接入物联网的速度，为物联网应用快速开发提供了保障。

附图说明

图1 是本发明的网关系统架构示意图。

图2，图3 是本发明的设备服务流程图。

图4 是本发明的核心数据流程图。

图5 是本发明的元数据添加设备服务流程图。

图6 是本发明的元数据添加设备流程图。

图7 是本发明的设备控制流程图。

具体实施方式

本发明在网关加入了设备服务模块，解决底层设备与上层应用的交互问题，让物联网开发更加迅速，拓展更加便捷。设备服务模块的重要作用，是对下层设备的异构协议和上层的统一格式JSON数据进行双向转换，从而实现对于上层应用屏蔽底层设备的差异，实现不同类型设备的快速接入，缩短物联网开发的时间，降低开发的难度。

图1是本发明的系统架构示意图。处于底层的各种类型设备，可以通过有线或者无线的方式组网。组网方式可以是星型，总线型或者其他形式。设备类型可以是用于感知的传感器，或者用于操控的控制系统。

设备服务层用于将底层设备数据和统一格式JSON数据之间的双向转化，同时，将设备的可用资源封装成标准接口，供上层应用调用；设备与设备服务之间可以通过多种方式和协议进行交互，从传输介质上分，可以采用RS485/RS232信号电缆,以太网,无线射频等，从传输协议上分可以采用Modbus, OPC-UA, Bacnet ,蓝牙，Zigbee, Lora。

核心服务层用于收集、转发并存储来自设备的读数，并提供设备服务注册及设备命令功能；核心服务层接收来自设备服务具有统一格式JSON数据，并且以同样的格式存入数据库，转发到高层应用；提供设备注册服务，注册后设备可以被内部服务调用；同时，提供设备命令功能，客户端通过此功能，获取设备读数或者让设备产生动作。

通过模块的紧密结合，可以让网关实现屏蔽底层多类型设备的复杂性，让不同组网方式、连接协议设备都可以通过设备服务层快速接入，且上层应用可以快速访问设备或者控制设备，实现物联网应用的快速开发；为了支持这一功能，网关至少具备如下功能模块。

不同于单独接入开发的适配形式，本发明通过设备服务模块对异构设备进行统一化转换适配。设备及设备服务首先在核心服务层中的元数据模块中进行注册和配置，设备接入后自动获取匹配的设备服务；高层应用通过设备服务获取统一格式JSON数据；当服务端通过设备控制模块发送请求时，通过设备服务模块，将请求转为设备协议，达到控制设备的目的。通过这样一系列紧密配和的模块，保障了底层设备接入的多样性，也保障了上层应用的统一性，确保不同类型设备接入的便利性和快速性。

图2，图3 是本发明设备服务流程图，设备服务层包括控制器、执行器、初始化配置、数据转换、设备模型存储、驱动模块。

设备服务连接核心服务层的核心数据、元数据、及设备控制模块，其本身是被动服务，需要通过外部事件来启动。例如，高层应用通过设备控制模块发送命令给命令控制器，命令控制器负责解析事件中包含的设备和命令信息，并且向设备服务发送控制命令。

命令执行器接收到命令以后，会向设备按照上述格式发送命令；协议处理器会接收命令，并按照设备物模型的定义，将命令具体分解为基本操作，基本操作在业务处理模块中按照任务队列顺序执行，所以，每个基本操作都会被分配一个操作编号，然后开始按照顺序执行操作。

基本的操作分为对设备的读和写操作，经过协议驱动模块的转换，可以将读写操作转换为设备识别的读写命令；设备读写完成以后，其结果或者状态会在目标缓存模块中暂且保留，而读写结果要能够转换为上层统一格式JSON，还需要进行一道目标转换，转换完成后JSON格式如下所示：

{"id":"xxxxxxxxx",

"pushed":0,

"device":"deviceName",

"created":0,

"modified":0,

"origin":1958701440,

"schedule":null,

"event":null,

"readings":[{

"id":"xxxxxxxx",

"pushed":0,

"created":0,

"origin":1548146928,

"modified":0,

"device":null,

"name":"Sensor",

"value":"0.20"}]}

其中 device 是设备名称，代表需要被读写的对象设备；name 是设备可操作资源名称；value 就是读取或者需要被写入的数据；每一次操作均产生一个统一格式JSON数据，每个上报和下发指令均分配JSON 数据包，进行隔离。

图4 是本发明的核心数据流程图，核心数据收集来自设备服务的统一格式JSON数据，并流式导出到高层应用，同时在数据库中存储；设备服务通过推送的方式，向核心数据模块发送添加设备读数请求，并且要求关联设备名称；核心数据查找统一格式JSON 数据中的设备名称，并从元数据模块获取完整设备信息反馈；然后将关联的设备读数发送至数据库和流式导出模块，在此过程中，数据一直保持统一格式。

数据库用于存储核心数据和元数据模块的信息；核心数据接收来自设备服务的推送数据，按照时间顺序存储在数据库之中，在高层应用需要时，可以按照特定方法提取数据；元数据中包括设备和设备服务的完整信息，高层应用及内部模块可以通过访问数据库获取设备及设备服务的完整信息。

图5 是元数据模块添加设备服务的流程图，元数据模块管理设备服务相关的所有信息；如果设备服务已在元数据模块中注册，在设备服务启动时，自动向元数据模块请求获取设备服务名称，元数据模块反馈名称后，设备服务即可以与核心数据和元数据模块进行交互；如果设备服务还未注册，可以通过发送请求添加新设备服务，元数据模块负责将完整的设备服务信息注册并存储在数据库中，返回新注册的设备服务名称。

图6是元数据模块添加设备的流程图，元数据模块管理设备相关的所有信息；如果设备已经在元数据模块中注册，设备与设备服务已经绑定，设备可以即插即用；如果设备还未在元数据模块中注册，可以通过客户端先行添加设备物模型；再通过客户端，向元数据模块发送请求添加新设备，同时请求关联设备物模型及设备服务；元数据接收了请求，先向数据库请求设备服务信息，再请求设备物模型信息；最后，通过将获取到的设备物模型与设备服务结合，产生新设备注册信息，存储在数据库当中，并向设备服务发送关联请求。

图7 是设备控制的流程图，设备控制将来自客户端的请求，转化为控制命令，让设备产生动作；客户端发起设备动作请求，设备控制模块接收请求以后，向元数据模块请求获取设备ID；获取设备ID 以后，通过设备物模型定义，产生设备控制的命令，将控制命令交给设备服务执行，设备服务通过内部模块，实现设备控制，并获得执行结果和状态反馈。

通过以上描述可以知道，设备服务层和核心服务层的紧密配合，可以实现不同类型设备的快速便捷接入，屏蔽底层设备差异，高层应用获取统一格式数据。

配置设备物模型信息，包括基本信息，资源，设备资源，命令几个组成部分；设备物模型案例格式如下所示：

{

"description": "Example ",

"id": "5c0637dabf358c044310ded4",

"name": "Example ",

"manufacturer": "",

"model": "",

"labels": [

"sensor"

],

"objects": null,

"deviceResources": [{

"description": "InputRegister",

"name": "Sensor",

"tag": null,

"properties": {

"value": { },

"units": { }

},

"attributes": { "register": "1" }

}]

"resources": [{ "name": "Sensor",

"get": [{ }],

"set": null }],

"commands": [{

"id": "5c21111ebf358c045309cd42",

"name": "Sensor",

"get": {

"path": "/api/v1/device/{deviceId}/Sensor",

"responses": [{ }]

},

"put": {

"path": "/api/v1/device/{deviceId}/Sensor",

"responses": [{ }]

"parameterNames": null

}

]

}

其中基本信息包括创建及修改时间、名称、及描述信息；resource 代表设备物模型中的操作对象，deviceResource代表物理设备中可被操作的资源，command是基于resource上的设备命令；通过设备物模型，可以让物理设备抽象成数字模型，设备种可被操作资源，可以通过命令被上层应用所调用；设备物模型可以通过元数据进行注册，并存储在数据库当中；注册通过Restful API直接进行Post 操作。

配置寻址信息，寻址信息用来定位一个设备的地址；案例格式如下所示：

{

“name”: “Motor”,

“method”: “ ”,

“protocol”: “OTHER”,

“address”: “/dev/ttyS5,9600,8,1,1”,

“port”: 0

}

包括名称，方法，协议，和地址内容，其中地址内容代表了在网关外设中的地址，通过此地址即可以访问设备中的可操作资源。寻址信息，以Restful API 的方式，通过Post 方法添加到元数据当中，成为设备信息的一部分。

配置设备信息，配置设备需关联设备物模型，设备服务及寻址信息；设备信息的案例格式如下所示：

{

"description": " Speed Motor",

"name": " Speed motor",

"adminState": "unlocked",

"operatingState": "enabled",

"addressable": { "name": "Motor" },

"labels": [ ],

"location": null,

"service": { "name": " device " },

"profile": { "name": " SpeedMotor" }

}

包括设备基本信息，寻址信息，设备服务信息，及设备物模型信息；设备在元数据模块中注册的时候，需要记录设备的基本信息，同时关联预先注册在元数据模块中的寻址信息，设备物模型信息。

配置完成以后，主要的工作流程如下所示。

应用查询或控制指令下发过程：高层应用通过设备控制模块发送控制请求，请求信息包含设备名和命令名；设备控制模块访问元数据模块所保存的设备及设备服务信息，查找到设备名称，设备物模型，设备寻址信息，关联设备服务，再通过物模型转换命令名为设备服务识别命令，发送到关联设备服务，关联设备服务通过内部各模块，将命令转换为设备可识别命令，让设备发起信息上传或者动作。

信息上传的过程：主动发起信息上传的设备，将数据发送给设备服务，设备服务收到设备信息后，经过数据转换模块，将原始信息结合设备名称等信息重新组合，形成统一格式JSON 数据，转发至核心数据模块；核心数据模块再转发数据到高层应用，并且保存在数据库当中。

本发明采用了TCP 作为交互协议，开发简单，稳定可靠。

核心服务内部的数据交互：核心服务层内部核心数据、元数据、数据库和设备控制四个模块彼此需要交互信息，其交互过程采用基于TCP的Http 协议；具体的信息内容全部封装在URL 请求链接当中，格式如下：

http:// IP address + port + customized content + request content

其中 IP address 是各模块的IP 地址， port 为各模块的端口地址， customizedcontent 是自定义字符串，request content 是请求体内容；比如，请求元数据模块的存储的所有设备信息，请求链接如下所示： http://localhost:49888/dlhtech/device 。

核心服务与设备服务的交互：核心服务与设备服务的交互通过基于TCP的Http 协议，命令内容封装在URL 请求链接当中，其信息格式如下：

http:// IP address + port + device + request content

其中IP address 是设备服务的IP 地址，port 为端口号，device 为设备名称，request content 为请求内容；举例如下，请求设备服务数据上报：

http:// localhost:49888/dlhtech/device /deviceName/Sensor。

本发明相对于现有技术，有如下几方面的优点：

本发明通过加入设备服务层对异构设备进行统一化转换适配。通过这一操作，保障了底层设备接入的多样性，也保障了上层应用的统一性，确保不同类型设备接入的便利性和快速性，同时也保证了物联网系统的高可扩展性。

核心数据模块接收来自设备服务的统一格式JSON 数据，转发给高层应用并且存储在数据库当中；高层应用通过流式导出，实时获取设备数据，也可以通过接口获得设备历史数据，便利于未来的物联网应用的开发。

元数据模块保存设备及设备服务的详细信息，并且记录了关联关系；注册过的设备只需要接入网关系统，就会自动关联匹配的设备服务，做到无缝接入。

高层应用通过设备控制发送控制命令，控制命令通过设备服务，实现对设备的控制。

模块之间通过TCP 进行交互，交互格式简单，交互效果稳定可靠，便利于高层应用开发。

作为对详细描述的结论，应该注意本领域的技术人员将会很清楚可对优选实施例做出许多变化和修改，而实质上不脱离本发明的原理。这种变化和修改包含在所附权利要求书所述的本发明范围之内。

Claims

1.一种支持多类型设备接入物联网的网关系统，其中：

设备服务层包括：

控制器模块，用于接收来自核心服务层请求，并将请求转化为设备控制事件；

执行器模块，用于接收控制事件请求，转化为控制命令；

初始化配置模块，用于设备服务的初始化条件配置；

数据转换，用于转化从设备中获取的原始数据，使其符合上层应用对数据格式的要求；

驱动模块，设备的驱动文件，将设备的数据解析成高层应用数据；

核心服务层包括：

核心数据模块，用于收集、转发及存储来自设备服务模块的数据；

元数据模块，用于添加及管理设备注册信息，添加及管理设备服务注册信息，并关联设备及设备服务；

设备控制模块，用于接收客户端的控制请求，转化为对设备的控制命令。

2.根据权利要求1所述，支持多类型设备接入物联网的网关系统，其中：2个服务层包含的所有模块，交互数据采用TCP方式。

3. 根据权利要求1和2 所述的支持多类型设备接入物联网的网关系统包括了数据库模块，保存来自设备服务推送的统一格式JSON 信息，以及设备的物模型，寻址信息，关联设备服务和基本描述。

4.根据权利要求1或2或3所述支持多类型设备接入物联网的系统，其中：所述元数据模块在新增设备时，查询是否已经有该设备在数据库模块中，如果是，则回复设备名称；如果是新设备接入，则配置添加设备物模型，寻址信息，关联设备服务和基本信息。

5.根据权利要求1至4中任一所述支持多类型设备接入物联网的网关系统，其中：所述核心数据模块接收多个设备上报数据或者针对多个设备下发指令，其中，流转数据均采用统一格式JSON数据，每个上报数据或者下发指令均分配数据包，进行分隔。

6.一种支持多类型设备接入物联网的方法，包含以下步骤：

配置设备的物模型，其包括资源，设备资源，命令和基本信息四个部分；

配置设备的寻址信息；

7.根据权利要求6所述支持多类型设备接入物联网的方法，将数据转换为终端或者应用识别的数据，包括以下步骤：

高层应用通过设备控制模块发送控制请求，请求信息包含设备名和命令名；设备控制模块访问元数据模块所保存的设备及设备服务信息，查找到设备名称，设备物模型，设备寻址信息，关联设备服务，再通过物模型转换命令名为设备服务识别命令，发送到关联设备服务，关联设备服务通过内部各模块，将命令转换为设备可识别命令，让设备发起信息上传或者动作。

8.根据权利要求6或7所述支持多类型设备接入物联网的方法，将数据转换为终端或者应用识别的数据，包括以下步骤：

主动发起信息上传的设备，将数据发送给设备服务，设备服务收到设备信息后，经过数据转换模块，将原始信息结合设备名称等信息重新组合，形成统一格式JSON 数据，转发至核心数据模块；核心数据模块再转发数据到高层应用，并且保存在数据库当中。

9.根据权利要求6或7或8所述支持多类型设备接入物联网的方法，将数据转换为终端或应用识别的数据，包括以下步骤：

所述设备服务，核心数据模块，元数据模块，设备控制模块之间的数据流均为TCP 数据。

10.根据权利要求6或7或8所述支持多类型设备接入物联网的方法，还包括以下步骤：

在新增设备时，查询是否已经有该设备在元数据模块中，如果是，则返回设备名称；如果是新增设备，则配置设备物模型，寻址信息，基本信息及关联设备服务。