CN112732458A - 一种采用协议栈的多协议数据整合系统及方法 - Google Patents

一种采用协议栈的多协议数据整合系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用协议栈的多协议数据整合系统及方法，系统包括：自定义协议栈，用于通过不同方式存放通信协议集；中间层，包括：协议解释组件，用于利用自定义协议栈对消息队列进行协议解释并获得对应数据；消息队列组件，用于对端口上传的数据组装成消息队列供协议解释组件进行协议解释和上传；ETL数据提取组件，用于对端口上传或外挂方式的数据采取不同处理操作过程并将最终得到的处理数据加载至OPC接口层；OPC接口层，用于对所有由中间层加载的数据按特定标准输出。与现有技术相比，本发明具有对监测系统进行系统整合，将业务数据汇总并进行集中展示和分析等优点。

Description

一种采用协议栈的多协议数据整合系统及方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其是涉及一种采用协议栈的多协议数据整合系统及方法。
背景技术
随着物联网技术的发展，仪表设备的网络化已经成为一种趋势，但是其中有一类设备其硬件通信接口符合协议，但是数据格式是自定义的，通信主台需要安装配套的接收程序承担数据接收和下发。
由于不同产品的数据协议、数据主台和展示都各不相同，存在数据整合和统一展示的问题。因此需要对监测系统进行系统整合，将业务数据汇总并进行集中展示和分析。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种采用协议栈的多协议数据整合系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种采用协议栈的多协议数据整合系统，该系统包括自定义协议栈、中间层以及OPC接口层，其中：
所述自定义协议栈，用于通过不同方式存放通信协议集；
所述中间层，包括：协议解释组件，用于利用所述自定义协议栈对消息队列进行协议解释并获得对应数据；
消息队列组件，用于对端口上传的数据组装成消息队列供所述协议解释组件进行协议解释和上传；
ETL数据提取组件，用于对端口上传或外挂方式的数据采取不同处理操作过程并将最终得到的处理数据加载至所述OPC接口层；
所述OPC接口层，用于对所有由所述中间层加载的数据按特定标准输出。
进一步地，所述的特定标准包括OPC DA标准和OPC UA标准。
进一步地，所述的不同方式包括：
内嵌方式，即第三方产品供应商产品符合该多协议数据整合系统提供开放的协议规约；
插件方式，即第三方产品提供通信协议和数据上传方式，以插件的形式将该第三方协议插入协议栈，统一进行协议解释；
外挂方式，即第三方产品提供主站接收软件，自成通信链路，由该多协议数据整合系统提供外挂接口，通过约定的数据交换区读取数据。
进一步地，所述对端口上传或外挂方式的数据采取不同处理操作过程并将最终得到的处理数据加载至所述OPC接口层的过程具体包括：对端口上传或外挂方式的数据，抽取最新数据后，进行数据转换，并加载至所述OPC接口层。
本发明还提供一种基于所述的采用协议栈的多协议数据整合系统的多协议数据整合方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：于所述自定义协议栈中通过不同方式存放通信协议集；
步骤2：通过所述消息队列组件对端口上传的数据组装成消息队列；
步骤3：通过所述协议解释组件驱动所述自定义协议栈对消息队列进行协议解释并获得对应数据后上传至所述OPC接口层；
步骤4：通过所述ETL数据提取组件对端口上传或外挂方式的数据采取不同处理操作过程并将最终得到的处理数据加载至所述OPC接口层；
步骤5：于所述OPC接口层中对所有由所述中间层加载的数据按特定标准输出，至此多协议数据整合完毕。
进一步地，所述步骤5中的特定标准包括OPC DA标准和OPC UA标准。
进一步地，所述步骤1中的不同方式包括：
内嵌方式，即第三方产品供应商产品符合该多协议数据整合系统提供开放的协议规约；
插件方式，即第三方产品提供通信协议和数据上传方式，以插件的形式将该第三方协议插入协议栈，统一进行协议解释；
外挂方式，即第三方产品提供主站接收软件，自成通信链路，由该多协议数据整合系统提供外挂接口，通过约定的数据交换区读取数据。
进一步地，所述的步骤4具体包括：过所述ETL数据提取组件对端口上传或外挂方式的数据，抽取最新数据后，进行数据转换，并加载至所述OPC接口层。
本发明还提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的基于所述的采用协议栈的多协议数据整合系统的多协议数据整合方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于所述的采用协议栈的多协议数据整合系统的多协议数据整合方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用协议栈概念开发的集成通信驱动模块；面向协议栈的多路ETL数据提取组件；多协议统一解释模块；OPC UA接口程序；最终实现程序分立运行机制。
(2)鉴于在大流量数据处理状况下，中间解释层的运行负荷相当大，因此，本发明允许协议解释层模块与前端数据接收层和OPC接口层分立运行，以便灵活部署在指定的服务器上运行，以均衡硬件负荷的分配。
附图说明
图1为本发明的系统架构图；
图2为本发明具体应用案例中的SCADA系统数据统一接口图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
具体实施例
1、本发明系统的实际实现形式是一款后台运行的软件。
2、本软件被计算机操作系统调用并在后台运行，程序自动与约定的端口绑定，接收传输层上行传给该端口的数据，同时平台软件下行发给传输层的数据都也将通过该端口完成。
3、该发明有一个自定义协议栈(Protocol Stack)，栈内以三种方式存放通信协议集：
(1)内嵌方式：软件提供开放的协议规约，推荐第三方产品供应商产品符合该开放协议规约；
(2)插件方式：第三方产品提供通信协议和数据上传方式，本软件以插件的形式将该第三方协议插入协议栈，统一进行协议解释；
(3)外挂方式：如果第三方产品提供主站接收软件，自成通信链路，本软件提供外挂接口，通过约定的数据交换区读取数据。
(4)本软件以开放的数据库平台存储接收的各路上传数据，实现数据共享。
4、中间层包括以下组件：
(1)协议解释组件：包含通信协议解释、本软件内置开放协议解释，以及第三方产品协议解释，其中第三方协议按照插件的形式与本软件衔接；
(2)消息队列组件：对端口上传的数据组装成消息队列供解释组件进行协议解释和上传；
(3)ETL数据提取组件：对于端口上传的数据串，抽取(Extract)最新一条数据，进行数据转换(Transform)，并加载(Load)到OPC接口层。对于外挂方式的数据，同样通过ETL组件提取数据表中最新记录进行转换，并加载到OPC接口层。
5、OPC接口层采用OPC DA(Data Access)和OPC UA(Unified Architecture)标准。即：接收中间层加载的数据并以OPC DA/OPC UA标准输出。
6、鉴于在大流量数据处理状况下，中间解释层的运行负荷相当大，因此，本发明允许协议解释层模块与前端数据接收层和OPC接口层分立运行，以便灵活部署在指定的服务器上运行，以均衡硬件负荷的分配。
7、本发明提供可配置的，提供配置接口界面。
如图1所示：
(1)、平台软件通过系统调用，与约定的端口绑定，接收传输层上行传给该端口的数据，同时平台软件下行发给传输层的数据都也将通过该端口完成；
(2)、软件有一个自定义协议栈(Protocol Stack)，栈内以三种方式存放通信协议集：(a)内嵌方式：软件提供开放的协议规约，推荐第三方产品供应商产品符合该开放协议规约；(b)插件方式：第三方产品提供通信协议和数据上传方式，本软件以插件的形式将该第三方协议插入协议栈，统一进行协议解释；(c)外挂方式：如果第三方产品提供MTU主站软件，自成通信链路，本软件提供外挂接口，通过约定的数据交换区读取数据。
(3)、中间件组件：(a)协议解释组件：包含DataLog的通信协议解释、本软件内置开放协议解释，以及第三方产品协议解释，其中第三方协议按照插件的形式与本软件衔接；(b)消息队列组件：对端口上传的数据组装成消息队列供解释组件进行协议解释和上传；(c)ETL数据提取组件：对于端口上传的数据串，抽取(Extract)最新一条数据，进行数据转换(Transform)，并加载(Load)到OPC接口层。
实际应用案例
1、数据源
成都自来水公司SCADA系统数据源，包含以下三种类型数据：
类型一：
数据源设备：PLC可编程逻辑控制器(MotoPLC、AB PLC等)。
数据范围：水厂、控流泵站和加压泵站实时工况数据。
通信协议：标准工业协议(Modbus TCP、Ethernet/IP)。
类型二：
数据源设备：RTU数据采集终端。
数据范围：供水管网测压点、水质点和远程水表等实时工况数据。
通信协议：供应商自定义协议。
类型三：
数据源设备：指定采购RTU产品。
数据范围：供水管网监测点实时工况数据。
通信协议：指定供应商的非标自定义协议。
2、数据传输路径
对于上述三种类型数据源的数据传输可采用有线和无线两种通信方式，数据连接也可分成在线式连接和Polling方式连接，其中，Polling方式的循环周期根据站点类型不同而各不相同，每次上传数据记录可以是一次上传一条,也可以是一次上传多条数据。
类型一数据源的数据传输路径可以是有线方式(宽带网络或VPN网络)，也可以是无线方式，但必须是4G网络，以满足在线连接的要求。
类型二和类型三数据源的数据通过无线通道传输，通常采用GPRS或CDMA通信方式，因此，类型二和类型三数据源采用Polling方式连接。
3、数据接收端
类型一数据源的数据接收端为监控平台InTouch的DAServer/IOServer，然后，数据分两路一路写入实时数据库Historian；另一路则直接推送到InTouch-View监控界面上。
类型二数据源的终端设备供应商应当提供设备通信的OPC标准工业接口，以便直接与InTouch平台的DAServer/IOServer接口相连：
一次上传一条数据的终端设备：数据接收与类型一的方式相同，数据分两路一路写入Historian实时数据库；另一路则直接推送到InTouchView监控界面上。
一次上传多条数据的终端设备：其数据队列按时间序列排序，第一条数据为时标最早的数据，最后一条数据是时标最后的数据。数据接收后，队列数据按时标一次存储到Historian实时数据库的工况数据表；最后一条数据(即最新一条数据)同时推送到InTouchView监控界面上。
类型三数据源的终端设备作为指定采购设备，允许使用自带的第三方通信协议，并通过ODBC接口向Historian实时数据库插入数据，并绑定到InTouchView界面的Tag变量，实现动态数据的跟踪显示。鉴于Historian是高速存储数据库，对数据传输速率有一定的要求，因此，对于读写速率大于等于30秒的数据存储操作，需要适当调整数据传输速率，以适应Historian实时数据库的要求。
SCADA系统数据统一接口如图2所示。
4、标准通讯规约细则
为了规范新厂家接入标准，对大多数设备厂家协议进行整合，结合国际标准的通信协议，将“数据规范”和“上传规范”进行整合后，制定出一个可以满足成都水司使用的企业数据标准。
为了方便开发使用，制定出本通讯规约，其描述了蓝牙和远程通讯的各种指令格式以及内部信息数据定义。
4.1、基本规则
所有通讯都遵循一问一答形式，所有包都必须回复。蓝牙数据包15秒无答复为无响应，远程通讯20秒无回复为无响应，远程通讯重复3次无响应为连接断开；
蓝牙端，蓝牙设备为主端，终端不会主动发起通讯；
远程通讯，终端为主端，服务器不会主动发起通讯；
通讯帧采用json作为数据交互格式；
每个通讯帧都是一个json对象。
4.2、通讯帧
格式包括两种：通讯请求帧和通讯回复帧，两种帧格式不同，通讯回复帧比通讯请求帧多一组ret键值。根据command不同，content的内容不一样，有些command没有content。
通讯请求帧
Figure BDA0002876273880000071
通讯回复帧
Figure BDA0002876273880000072
硬件识别信息，值为string类型，最长为10个字符，只可以为数字。这个键值是终端的唯一识别号，每个终端的识别号都不同。
通讯序列号作为通讯帧的唯一识别，值为一个long数值。目前该值为通讯时的时间，值为1970到现在的秒数值，UTC+8。
作为通讯帧的用途，通讯命令为string类型，最长30个字符。通讯回复帧的通讯命令为原有命令后加_ret，示例，请求帧：”do_something”，回复帧：”do_something_ret”
回复信息为通讯回复帧独有，值为”OK”或”Error”，意义为通讯请求是否正确完成。一般”Error”没有content部分。
通讯包内容：content中的内容为通讯命令所附带的通讯内容。
4.3、通讯流程简述
当通讯帧到达接收端后，接收端应该先判断通讯帧的完整性，判断json数据格式是否正确，能否解析，如果无法解析则抛弃该通讯帧。
然后判断通讯帧的通讯命令，并且根据通讯命令读取相应的包内容。
如果包内容格式正确，接收端执行相应操作，把执行结果回复给发送者。
回复的信息帧包括相同的硬件识别信息、通讯序列号，通讯命令号为该指令的回复类型。
如果执行成功，则ret回复OK，content中包含正确回复信息。
如果执行失败，则ret回复Error，无content内容。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种采用协议栈的多协议数据整合系统，其特征在于，该系统包括自定义协议栈、中间层以及OPC接口层，其中：
所述自定义协议栈，用于通过不同方式存放通信协议集；
所述中间层，包括：协议解释组件，用于利用所述自定义协议栈对消息队列进行协议解释并获得对应数据；
消息队列组件，用于对端口上传的数据组装成消息队列供所述协议解释组件进行协议解释和上传；
ETL数据提取组件，用于对端口上传或外挂方式的数据采取不同处理操作过程并将最终得到的处理数据加载至所述OPC接口层；
所述OPC接口层，用于对所有由所述中间层加载的数据按特定标准输出。
2.根据权利要求1所述的一种采用协议栈的多协议数据整合系统，其特征在于，所述的特定标准包括OPC DA标准和OPC UA标准。
3.根据权利要求1所述的一种采用协议栈的多协议数据整合系统，其特征在于，所述的不同方式包括：
内嵌方式，即第三方产品供应商产品符合该多协议数据整合系统提供开放的协议规约；
插件方式，即第三方产品提供通信协议和数据上传方式，以插件的形式将该第三方协议插入协议栈，统一进行协议解释；
外挂方式，即第三方产品提供主站接收软件，自成通信链路，由该多协议数据整合系统提供外挂接口，通过约定的数据交换区读取数据。
4.根据权利要求1所述的一种采用协议栈的多协议数据整合系统，其特征在于，所述对端口上传或外挂方式的数据采取不同处理操作过程并将最终得到的处理数据加载至所述OPC接口层的过程具体包括：对端口上传或外挂方式的数据，抽取最新数据后，进行数据转换，并加载至所述OPC接口层。
5.一种基于如权利要求1所述的采用协议栈的多协议数据整合系统的多协议数据整合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：于所述自定义协议栈中通过不同方式存放通信协议集；
步骤2：通过所述消息队列组件对端口上传的数据组装成消息队列；
步骤3：通过所述协议解释组件驱动所述自定义协议栈对消息队列进行协议解释并获得对应数据后上传至所述OPC接口层；
步骤4：通过所述ETL数据提取组件对端口上传或外挂方式的数据采取不同处理操作过程并将最终得到的处理数据加载至所述OPC接口层；
步骤5：于所述OPC接口层中对所有由所述中间层加载的数据按特定标准输出，至此多协议数据整合完毕。
6.根据权利要求5所述的一种基于所述的采用协议栈的多协议数据整合系统的多协议数据整合方法，其特征在于，所述步骤5中的特定标准包括OPC DA标准和OPC UA标准。
7.根据权利要求5所述的一种基于所述的采用协议栈的多协议数据整合系统的多协议数据整合方法，其特征在于，所述步骤1中的不同方式包括：
内嵌方式，即第三方产品供应商产品符合该多协议数据整合系统提供开放的协议规约；
插件方式，即第三方产品提供通信协议和数据上传方式，以插件的形式将该第三方协议插入协议栈，统一进行协议解释；
外挂方式，即第三方产品提供主站接收软件，自成通信链路，由该多协议数据整合系统提供外挂接口，通过约定的数据交换区读取数据。
8.根据权利要求5所述的一种基于所述的采用协议栈的多协议数据整合系统的多协议数据整合方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括：过所述ETL数据提取组件对端口上传或外挂方式的数据，抽取最新数据后，进行数据转换，并加载至所述OPC接口层。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5至8中任一项所述的基于所述的采用协议栈的多协议数据整合系统的多协议数据整合方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5至8中任一项所述的基于所述的采用协议栈的多协议数据整合系统的多协议数据整合方法的步骤。
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