CN113015145A - 支持多协议的时空信息网络适配器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种支持多协议的时空信息网络适配器，包括目前广泛使用的十种物联网接口协议(ZigBee,LoRA,Bluetooth,RFID，NB‑IoT，4G/5G，WLAN/LAN,ModBUS,RTP/RTSP/RTCP和Mavlink)，实现了不同协议传感器统一接入的问题，从而避免了多种异构的感知设备需要对应部署多种接入设备导致网络复杂度上升，成本过大的问题。适配器在协议解析部分，传输方式为物理空口传输的ZigBee,LoRA,Bluetooth通信协议统一采用国际上广泛使用的ModBus现场总线协议接入适配器中。而采用了物理空口传输和通信运营商网络服务的混合组网传输模式的NB‑IoT、RFID协议，RTP/RTSP/RTCP协议以及通过配备了4/5G通信的小型无人航空器中接入的Mavlink协议，是将数据传输到适配器中的感知综合管理系统进行解析。4G/5G，WLAN/LAN这类通信协议是用于适配器和服务器之间建立网络连接。

Description

支持多协议的时空信息网络适配器
技术领域
本发明属于地球空间观测与物联网领域，具体涉及支持多协议的时空信息网络适配器。
背景技术
目前数字城市和智慧城市的建设过程中，为了准确获取城市的运行状态。城市中部署了大量的感知设备(传感器)，例如视频传感器、温度传感器、土壤湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降水传感器、气敏传感器、力敏传感器、声敏传感器、位移传感器等。这些传感器接口协议是异构的，为了接入它们，一般采用基于互联网的观测模式，实现对地观测的集成管理以及统一接口，数据可以实现在线处理。但是这种方式大多都采取的是“端对端”的通信模式，也就是，大量观测的传感器在采集数据后，都直接将数据发送到服务器。服务器都与数据源(传感器)直接建立通信的优点就是容易，可轻松地部署各种感知设备，并可以在一个平台上完成传感器观测结果的获取，传感器观测状态的规划，以及传感器信息的预警。但是，在智慧城市中，即便是一个街区，都会部署数以万计的异构传感器，如果继续采用这种传统的观测方式，必然会导致服务器的数据量增大，导致服务器出现不稳定的因素。同时，大量的感知数据传入服务器，也会受限于网络传输的质量。最严重的后果就是服务器会经常的出现宕机现象。传统的“端对端”的通信技术将不再能满足今天的这种物联感知协议的接入。
发明内容
因此，本发明提出一种支持多协议的时空信息网络适配器，依区域布设该适配器，解决不同协议传感器统一接入的问题，避免了感知设备和采集设备的过度分散的问题。同时可以对采集的数据进行初步的分析处理，并通过OGC(Open Geospatial Consortium)接口规范统一上传到服务端，从而降低了发送到服务端的数据包的数量，确保了网络系统的稳定性。
根据本发明实施例的一方面，一种支持多协议的网络适配器，包括：
硬件模块，其包括电源；作为ZigBee、LoRA、Bluetooth、RFID及NB-IoT接收基站的无线电收发器；PC；主控模块；储存阵列；人机交互模块和与外部服务器通讯的通讯模块；
软件接入模块，其包括：
感知综合管理系统，用于接入和聚合物联接口协议向适配器传输的数据，数据可视化展示，传感器设备及历史传输数据的查询，各协议传感器的在线注册服务及通过RTP/RTSP/RTCP协议传输的视频传感器控制服务，向服务端(SOS,SAS)上传数据和信息，接收来自于服务端(SPS)的传感器规划信息；和
数据流解析模块，用于将接收到的数据根据数据传输协议进行解析，建立数据库，并且将数据保存在储存阵列中。
在一些示例中，感知综合管理系统采用云部署结合本地部署的模式，系统中的数据库部署在云服务器上。
在一些示例中，对于采用纯物理空口传输的ZigBee，LoRA，Bluetooth通信协议，直接与主控模块进行数据交互；
RFID通信协议包含有融合网络和独立通信两种方式：传感器将直接通过RFID的ISO/IEC18000规范，将观测数值发送至适配器中的感知综合管理系统；对于采用物理空口与通信运营商网络混合组网的模式，RFID射频天线通过物理空口读取传感器中的标签信息，传感器的观测数据通过ZigBee/LoRa透明传输到适配器的无线电接收机上，进而上传至数据库中；
对于采用了NB-IoT协议的地面感知网络，采用TCP/IP或者UDP协议建立网络连接，NB-IoT站点本身具备数据通信与ModBus协议封装的功能，通过适配器暴露的公网IP地址与端口，实现数据从NB-IoT的站点向适配器的推送，感知综合管理系统对这些感知数据进行解析与储存；
RTP/RTCP/RTSP协议的视频控制流及数据流传输分别通过TCP和UDP网络传输协议的形式传输到适配器的感知综合管理系统中；
对于Mavlink协议的解析，解析后的Mavlink协议将通过UDP传输遥测数据流与视频数据流至适配器的感知综合管理系统中。
在一些示例中，感知综合管理系统通过HTTP的GET请求以JSON的形式接收来自NB-IoT协议传输的数据，ZigBee和Lora协议传输的数据用ModBus-RTU封装数据包，并通过TCP传输至感知综合管理系统，RTP/RTCP/RTSP协议的视频数据流和控制流通过UDP和TCP网络传输协议的形式，BLE协议传输的数据通过TCP网络传输协议，Mavlink协议通过UDP传输遥测数据流与视频数据流以及RFID协议通过HTTP传输数据至管理系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是支持多协议的时空信息网络适配器。
图2是多种异构协议接入适配器技术总览。
图3是海康威视服务调用说明图。
图4是Mavlink 1.0版本的消息包。
图5是感知综合管理系统接入ZigBEE协议数据流程图。
图6是感知综合管理系统在接入ZigBEE协议时发送的读指令报文示意图。
图7是感知综合管理系统接入NB-IoT协议数据流程图。
图8是感知综合管理系统接入BLE协议数据流程图。
图9是感知综合管理系统接入RFID协议数据流程图。
图10是感知综合管理系统首页。
具体实施方式
以目前物联感知协议为例，从无线通讯协议划分，包括了ZigBee，LoRA，Bluetooth，RFID，以及NB-IoT等，从数据通信协议划分，包括了WLAN/LAN,ModBus,RTP/RSTP/RTCP和Mavlink等。本发明提供支持多协议的时空信息网络适配器(简称适配器)，提升了异构感知资源的接入与数据的处理能力。适配器具备ZigBee，LoRA，Bluetooth,RFID，NB-IoT，4G/5G，WLAN/LAN，ModBus，RTP/RTSP/RTCP和Mavlink 10种不同物联接口协议的统一接入能力。
图1示出了适配器总体架构。适配器包括硬件模块和软件接入模块，软件接入模块包括感知综合管理系统及数据流解析模块。物联接口协议与适配器上的主控模块或者感知综合管理系统直接进行交互，传输数据。接入物联协议后，适配器中的感知综合管理系统能提供数据实时接入及可视化展示，支持各物联接口协议传感器设备及历史传输数据的查询，并提供各协议传感器的在线注册服务及通过RTP/RTSP/RTCP协议传输的视频传感器控制服务。适配器支持通过4G/5G或WLAN/LAN与外部的服务器进行通信，传输数据等信息。具体ZigBee，LoRA，Bluetooth,RFID，NB-IoT，4G/5G，WLAN/LAN，ModBus，RTP/RTSP/RTCP和Mavlink协议接入的技术总览如图2所示。
适配器硬件模块包括电源、无线电收发器、PC、主控模块、储存阵列和人机交互模块。电源、储存阵列分别为适配器提供电能和存储功能。PC提供适配器的核心处理能力，根据需求确定其配置，如采用64位8核心的处理器，32GB的DDR4高速内存，高性能的图形处理器，以及高性能固态储存器，多个10GbE接口的网卡。无线电收发器是ZigBee,LoRA,Bluetooth,RFID及NB-IoT的接收基站，这五种协议接收到的数据通过传感器节点各自的MCU(Micro Controller Unit)，经以太网传输至适配器中的计算机里完成数据的采集过程。主控模块可以采用LQFP44封装的STC15W4K56S4单片机，通过该单片机完成对ModBus协议的封装、总线地址的定义和数据协议的封装与解析，通过该单片机上的UART口实现了与外置基带(ZigBee，LoRA，Bluetooth)的数据交互，该STC15W4K56S4单片机对通过空口接收到的观测信息进行处理，并以ModBus协议封装后，通过RS485总线与适配器进行数据交互。
协议解析。针对各类协议具备的特点，本申请采用了两种不同的技术路线。一类为传输方式为物理空口传输的ZigBee、LoRA、Bluetooth通信协议，这些协议统一采用国际上广泛使用的ModBus现场总线协议接入适配器的主控模块中。另一类采用了物理空口传输和通信运营商网络服务的混合组网传输模式，包括NB-IoT以及通过配备了4G/5G通信的小型无人航空器中接入的Mavlink协议，与采用通信运营商网络服务传输模式的RFID协议、RTP/RTSP/RTCP协议，这类数据通信协议是将数据传输到适配器中的感知综合管理系统进行解析。
对于采用纯物理空口传输的ZigBee，LoRA，Bluetooth通信协议，直接与主控模块进行数据交互。
RFID通信协议包含有融合网络和独立通信两种方式。独立通信是利用RFID读写器直接与带有RFID标签的无源/有源传感器进行交互。传感器将直接通过RFID的ISO/IEC18000规范，将观测数值发送至适配器中的感知综合管理系统。
RFID的融合(RFID微网)，是通过与ZigBee/Lora组网，融合组网可以帮助用户通过RFID网络获取感知节点的关键信息(电子标签与传感器的融合)，如地理位置、传感器类型、传感器命名和观察对象等参数。同时在通信优化上，ZigBee/LoRa集成的RFID系统，可以利用RFID单跳传输信息的优势，与LoRa/ZigBee混合组网。根据现场的实际网络情况，可以选择LoRa/ZigBee或RFID进行通信，两种自动切换方式可以提高通信的成功率和可靠性。这种接入方式采用的是物理空口与通信运营商网络混合组网的模式。位于适配器上的RFID天线模块通过物理空口读取传感器中的标签信息，传感器的观测数据通过ZigBee/LoRa透明传输到适配器的无线电收发器上，进而上传至数据库中。
采用了NB-IoT协议的地面感知网络由于依赖于移动通信运营商的通信基站与网络，因此采用TCP/IP或者UDP协议建立网络连接，NB-IoT站点本身具备数据通信与ModBus协议封装的功能，通过适配器暴露的公网IP地址与端口，实现数据从NB-IoT的站点向适配器的推送。通过适配器中的感知综合管理系统，对这些感知数据进行解析与储存。
RTP/RTSP/RTCP协议的解析。以海康威视设备接入为例，由于海康威视对其设备提供了相应的服务，故这里直接调用海康威视提供的SDK接入该协议，RTP/RTCP/RTSP协议的视频数据流通过UDP网络传输协议的形式传输到适配器的感知综合管理系统中，视频控制流则采用TCP网络传输协议。服务调用说明如图4所示。这里以云台向上运动为例说明具体的调用步骤：
a，首先登陆Login，获得用户ID：lUserID；
b，利用该lUserID，并设置播放通道(摄像头在DVR上接的通道号)和该视频传感器的ID、经纬度(如果仅仅只是对云台进行控制，这三个参数可以随意赋值；如果需要录像、并上传，则这三个参数与视频传感器SensorMLS模型中的相应的值一样)，通过调用播放(Play)，获得播放句柄lRealHandle(一个int值)；
c，利用步骤b得到的播放句柄lRealHandle，并自己设置云台移动速度iPTZSpeed(取值范围为1-7)，调用PTZ_TILT_UP_START，即可让云台开始向上运动；
d，利用步骤b得到的播放句柄lRealHandle，并将云台速度iPTZSpeed设置为步骤c设置的速度值(速度要一样)，然后调用PTZ_TILT_UP_STOP，即可让云台停止向上运动；
e，调用Logout，退出登录。
Mavlink协议的解析。这里以Mavlink 1.0版本的消息包为例，消息包如图5所示。解析后的Mavlink协议将通过UDP传输遥测数据流与视频数据流至适配器的感知综合管理系统中。具体步骤如下：
a，收到Mavlink消息包后，首先解析其起始标志位(字节索引0)，确认Mavlink消息帧开始，并判断该消息包的版本，随后对整个消息包进行crc16计算并比对消息包最后两个字节的16位校验码，来侦测消息包是否有错误；
b，解析消息包的有效载荷字段(字节索引1)，并将它与实际接收到的有效载荷进行比较，验证有效载荷长度是否正确。然后解析消息包序列号字段(字节索引2)，以此检测是否有消息包丢失；
c，之后解析系统ID字段(字节索引3)与组件ID字段(字节索引4)，从而识别该消息包是由哪个设备的哪个单元所发送；
d，最后解析消息包编号字段(字节索引5)，判断有效载荷存放的消息类型，据此解析有效载荷数据(字节索引6及后续的字节索引)，获取数据承载的信息。
软件接入模块。这包括感知综合管理系统及数据流解析两个部分。感知综合管理系统采用云部署+本地部署的模式，系统中的数据库部署在云服务器上。
感知综合管理系统作用是用于接入和聚合每种协议向适配器传输的数据，并且可以向服务端(SOS,SAS)上传数据和信息，同时也可以接收来自于服务端(SPS)的传感器规划信息。它是一个可视化的程序，可以用于原位传感器接入控制，传感器的规划，以及无线电接入控制，诊断工具等。感知综合管理系统同时部署在云服务器与本地服务器中，处理各类协议传输的数据。
感知综合管理系统通过HTTP的GET请求以JSON的形式接收来自NB-IoT协议传输的数据，ZigBee和Lora协议传输的数据用ModBus-RTU封装数据包，并通过TCP传输至管理系统，RTP/RTCP/RTSP协议的视频数据流及控制流通过UDP及TCP网络传输协议的形式，BLE协议传输的数据通过TCP网络传输协议，Mavlink协议通过UDP传输遥测数据流与视频数据流以及RFID协议通过HTTP传输格式为JSON的数据至管理系统。
数据解析部分将接收到的数据，根据数据传输协议(如Mavlink、RTP/RTSP/RTCP等)进行解析，建立数据库，并且将数据保存在本地的储存器中。
适配器与外部服务器的通讯模块。适配器可以通过无线局域网，局域网或蜂窝网络连接，如4G和5G建立网络连接，与外部服务器进行通讯，传输所需要的数据。
适配器与外部服务器通讯模块。它包括了本地网络连接与移动蜂窝数据网络连接两种方式，在本地网络连接正常的情况下，优先使用Wi-Fi或者是有线局域网(LAN)，当本地网络异常的情况下，会使用移动蜂窝数据网络与服务器保持有效通信。
以某一地作为研究区域，在该区域布设的不同无线通信协议的传感器，下面分步骤说明整个实施的流程：
(1)将适配器放置在区域内，外置通讯天线，并将适配器连接至广域网络。
(3)在有效的通讯距离内，布设BLE、ZigBEE、LoRA、RFID微网、ModBus以及NB-IoT传感器无线通信协议。BLE协议的通讯模块接入高采样率的水质传感器，有效通讯距离为40m。采用ZigBEE协议的大气环境传感器测量该区域的空气质量，风速风向，降雨量等对实时性要求较高，且数据报文容量较大的数据，有效通信距离为250m。布置LoRA协议的土壤温湿度传感器，土壤酸碱度传感器以及空气粉尘传感器，有效的通信距离为900m。布置NB-IoT协议的土壤温湿度传感器，这种通信技术依赖于运营商基站，理论能达到无限长度的通信范围。RFID微网布设在该区域停车场内，用于检测周围环境的温度、湿度等。ModBus是协助以上BLE、ZigBEE及LoRA传输数据的协议。
RTP协议的海康威视摄像头、Mavlink协议的无人机以及多光谱相机也布设在该区域内，对该区域进行监控。
WLAN/LAN和4G/5G是适配器与远程服务器通信的协议。适配器安装了相关的通信模块。
(4)接入传感器，并由适配器进行数据的采集，分类，分析与初步处理，并通过4G网络实时发送有效数据至云服务器(SOS服务器)。通过测试，接入传感器36个，每小时连接数约20000次，经过144小时的测试，最终发现这种数据量对于搭载了i5-9600K(六核心的3.7GHz基频的处理器)以及RTX2080 GPU，4*万兆网卡的适配器的影响似乎微乎其微。整个实验证明了适配器具备一个实验街区的数据接入能力。
(5)软件开发。本申请通过一个管理系统进行传感器数据的解析及展示。软件开发后端采用springboot,mybatis和webflux架构，前端采用Vue框架，实时数据的展示采用WebSocket方式。系统根据协议的种类对传感器数据进行接入，接入的流程如下所示：
a ZigBEE/LoRA协议数据。该类协议数据传输的格式为ModBus-RTU报文，通过TCP协议进行传输，以ZigBEE为例，具体的流程如图5所示。感知综合管理系统会发送RTU读指令，如读指令报文为01 03 00 00 00 10 85ca，其具体含义如图6所示。感知综合管理系统会收到结果报文，如1 3 32 0-10 0-17 0 27 0 0 0 0 0 0 0 125 0 60 0 -20 1 1 0 0 2 18 0 122 0 13 0125 0 60-22-112，经过后台解析，可接入9个属性值数据，包括温度数据为23.6℃，湿度为25.7％RH，pm2.5为27.0mg/m3,雨量为0mm/24h,风速为53.0m/s，风向为122.0°，TVOC总挥发性有机物为0ppm，电压为12.5V，周期为60.0s。
b NB-IoT协议数据。这里使用威海晶合信息技术有限公司的NB-IoT设备，在接入该设备的数据时，感知综合管理系统会发送HTTP GET请求获取数据，晶合设备则会将数据发送至系统提供的接口里，具体的流程如图7所示。
c BLE协议数据。该协议通过Raspberry Pi与感知综合管理系统建立连接，通过TCP网络传输协议向感知综合管理系统发送字符流格式的数据，具体的流程如图8所示。
d RFID协议数据。这里使用的是厦门硅田物灵通路由设备，该设备会将数据以HTTP POST的方式发送至感知综合管理系统提供的接口里。具体的流程如图9所示。
e RTP/RTCP/RTSP协议数据。这里使用的是海康威视DVR和摄像头，通过TCP/UDP获取H264格式的视频数据流。
在接入数据后，感知综合管理系统将对接入信息进行展示。首页如图10所示，包含接入协议数量、数据产品类型、设备总量、故障设备等汇总信息。该系统依据协议的种类展示传感器的名称、位置、类型、实时观测值、历史数据和状态信息，并允许管理员新增、修改、删除、查找传感器信息，该系统还支持在地图上展示传感器的位置及基础信息，以便传感器的定位。

Claims (4)

1.一种支持多协议的网络适配器，其特征在于，包括：
硬件模块，其包括电源；作为ZigBee、LoRA、Bluetooth、RFID及NB-IoT接收基站的无线电收发器；PC；主控模块；储存阵列；人机交互模块；和与外部服务器通讯的通讯模块；
软件接入模块，其包括：
感知综合管理系统，用于接入和聚合物联接口协议向适配器传输的数据，数据可视化展示，传感器设备及历史传输数据的查询，各协议传感器的在线注册服务及通过RTP/RTSP/RTCP协议传输的视频传感器控制服务，向服务端上传数据和信息，接收来自于服务端的传感器规划信息；和
数据流解析模块，用于将接收到的数据根据数据传输协议进行解析，建立数据库，并且将数据保存在储存阵列中。
2.根据权利要求1所述的支持多协议的网络适配器，其特征在于，感知综合管理系统采用云部署结合本地部署的模式，系统中的数据库部署在云服务器上。
3.根据权利要求1所述的支持多协议的网络适配器，其特征在于：
对于采用纯物理空口传输的ZigBee，LoRA，Bluetooth通信协议，直接与主控模块进行数据交互；
RFID通信协议包含有融合网络和独立通信两种方式：传感器将直接通过RFID的ISO/IEC18000规范，将观测数值发送至感知综合管理系统；对于采用物理空口与通信运营商网络混合组网的模式，RFID射频天线通过物理空口读取传感器中的标签信息，传感器的观测数据通过ZigBee/LoRa透明传输到适配器的无线电接收机上，进而上传至数据库中；
对于采用了NB-IoT协议的地面感知网络，采用TCP/IP或者UDP协议建立网络连接，NB-IoT站点本身具备数据通信与ModBus协议封装的功能，通过适配器暴露的公网IP地址与端口，实现数据从NB-IoT的站点向适配器的推送，感知综合管理系统对这些感知数据进行解析与储存；
RTP/RTCP/RTSP协议的视频控制流及数据流传输分别通过TCP和UDP网络传输协议的形式传输到感知综合管理系统中；
对于Mavlink协议的解析，解析后的Mavlink协议将通过UDP传输遥测数据流与视频数据流数据至感知综合管理系统中。
4.根据权利要求3所述的支持多协议的网络适配器，其特征在于，感知综合管理系统通过HTTP的GET请求以JSON的形式接收来自NB-IoT协议传输的数据，ZigBee和Lora协议传输的数据用ModBus-RTU封装数据包，并通过TCP传输至感知综合管理系统，RTP/RTCP/RTSP协议的视频数据流及控制流通过UDP和TCP网络传输协议的形式，BLE协议传输的数据通过TCP网络传输协议，Mavlink协议通过UDP传输遥测数据流与视频数据流，以及RFID协议通过HTTP传输数据至管理系统。
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