CN113114760A - 一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法 - Google Patents

一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法 Download PDF

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Abstract

一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法应用于一种基于异构设备的远程物联网平台，该平台按照功能划分包含命令行工具、运行在云服务器上的云端服务、以及运行在树莓派上的设备管理客户端三个模块。命令行工具用于和云服务器的用户服务进行交互，调用云服务器的用户服务提供的网络接口。云服务器上的云端服务包括用户服务、任务分配服务、设备服务、消息队列、数据库、MQTT消息服务器、以及内存缓存。本发明方法包括：步骤1.异构物联网设备的配置、部署以及接入平台，并实时更新接入设备的状态；步骤2.开发人员通过命令行工具使用远程物联网设备，包括上传设备固件文件、提交设备使用请求、获取设备运行日志以及发送设备串口命令。

Description

一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法
技术领域
本发明提供一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法。
背景技术
近年来，全球范围内的物联网设备数量高速增长。全球移动通信协会预测，2025年全球物联网设备连接数量将达到250亿。物联网产业的持续投入、物联网技术的持续进步会产生大量且异构的物联网设备的使用需求。
一般情况下，在进行一种物联网设备的开发和测试之前，开发人员需要购买物联网设备，并在本地配置相应物联网设备的程序烧写工具，有时还需要解决传感器和主设备之间的连线问题。同时物联网设备拥有种类多、异构性强和迭代速度快等特点，比如不同的设备需要运行不同的操作系统、需要配置不同的程序烧写工具等，配置工作十分繁琐。同时，物联网设备在本地使用过程中存在电路板容易短路，设备接口频繁插拔容易损坏等问题。这些问题，极大地降低开发人员的效率。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点，对现有物联网领域的上述情况导致的本地物联网设备的配置工作繁琐、使用易损坏等问题，提供一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法，应用于基于异构设备的远程物联网平台，所述的远程物联网平台包括命令行工具、运行在云服务器上的云端服务、以及运行在树莓派上的设备管理客户端；接下来对每个模块的实施进行详细的描述：
命令行工具用于和云服务器的用户服务进行交互，具体命令包括设备固件上传、设备分配请求、建立日志监听连接、以及发送设备串口命令；命令行工具被开发人员调用时，本质上是调用云服务器的用户服务提供的网络接口；
云服务器上的云端服务包括用户服务、任务分配服务、设备服务、消息队列、数据库、MQTT消息服务器、以及内存缓存，其中用户服务、任务分配服务、以及设备服务采用以下步骤实现，消息队列采用NATS开源实现，数据库采用MongoDB开源实现，MQTT消息服务器采用EMQX开源实现，内存缓存采用Redis开源实现；用户服务向命令行工具提供网络接口，包括设备固件上传接口、设备分配请求接口、建立日志监听接口、以及发送设备串口命令接口，这些接口基于HTTP或Websocket网络协议；任务分配服务负责订阅消息队列中的设备分配请求报文、将设备分配请求报文存储到内存缓存中的等待队列、以及执行设备分配操作；设备服务负责订阅并处理消息队列中的设备占用列表报文、以及订阅并处理MQTT消息服务器中的设备运行日志报文和设备状态变化报文；
设备管理客户端运行在树莓派，物联网设备和树莓派之间通过USB扩展器连接；设备管理客户端启动时首先和MQTT消息服务器建立MQTT连接，每个设备管理客户端拥有唯一的客户端编号；设备管理客户端定时扫描接入的USB设备列表，将每个USB设备的供应商ID以及产品ID和配置文件中每种设备类型的配置信息进行匹配；若匹配成功，则将该设备的设备类型配置为匹配的类型，生成该设备的设备编号，将设备编号加入活跃设备列表；设备管理客户端在扫描时若发现本次扫描的活跃设备列表和上次活跃设备列表不同，那么将设备状态变化报文发送至MQTT消息服务器；同时，设备管理客户端会订阅并处理MQTT消息服务器中的设备占用报文、以及设备串口命令报文；
包括以下步骤：
步骤1：异构物联网设备的配置、部署以及接入平台，并实时更新接入设备的状态。
(1.1)整理每种设备类型的配置信息，每种设备类型的配置信息导入到设备管理客户端的配置文件。
(1.2)设备管理客户端扫描接入的物联网设备，设备管理客户端实时将设备列表的变化报文上传到MQTT消息服务器。
(1.3)设备服务从MQTT消息服务器订阅设备列表的变化报文，并修改内存缓存中的设备状态。
步骤2：开发人员通过命令行工具使用远程物联网设备，包括上传设备固件文件、提交设备使用请求、获取设备运行日志以及发送设备串口命令。
(2.1)开发者向用户服务提交设备固件文件。
(2.2)开发者和用户服务建立日志监听链路。
(2.3)开发者向用户服务提交设备分配请求。
(2.4)用户服务对设备分配请求进行条件检查。若条件检查不通过，则退出步骤；若条件检查通过则继续下述步骤。
(2.5)任务分配服务执行设备分配操作，设置占用设备的状态，并发送设备占用列表。
(2.6)设备服务将设备占用报文分别转发到设备管理客户端。
(2.7)设备管理客户端将设备固件文件烧写到设备。
(2.8)设备管理客户端持续获取并转发设备运行日志到MQTT消息服务器。设备服务记录设备运行日志并转发给开发者。
(2.9)设备管理客户端监测到设备占用超时，结束运行设备程序。设备服务释放设备占用，并将结束运行报文转发给开发者。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过接入异构物联网设备，向开发人员提供远程使用的物联网设备，并实时获取设备的运行日志，降低开发人员配置物联网设备的难度，提升开发人员使用物联网设备的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施本发明方法的系统架构图。
图2是本发明方法的工作流程图。
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法，具体可应用于本发明提供的一种基于异构设备的远程物联网平台。
(1)如图1，该平台包括命令行工具、运行在云服务器上的云端服务、以及运行在树莓派上的设备管理客户端。接下来对每个模块的实施进行详细的描述：
(1.1)命令行工具用于和云服务器的用户服务进行交互，具体命令包括设备固件上传、设备分配请求、建立日志监听连接、以及发送设备串口命令。命令行工具被开发人员调用时，本质上是调用云服务器的用户服务提供的网络接口。
(1.2)云服务器上的云端服务包括用户服务、任务分配服务、设备服务、消息队列、数据库、MQTT消息服务器、以及内存缓存，其中用户服务、任务分配服务、以及设备服务采用基于本发明的方法实现，消息队列采用NATS开源实现，数据库采用MongoDB开源实现，MQTT消息服务器采用EMQX开源实现，内存缓存采用Redis开源实现。用户服务向命令行工具提供网络接口，包括设备固件上传接口、设备分配请求接口、建立日志监听接口、以及发送设备串口命令接口，这些接口基于HTTP或Websocket网络协议。任务分配服务负责订阅消息队列中的设备分配请求报文、将设备分配请求报文存储到内存缓存中的等待队列、以及执行设备分配操作。设备服务负责订阅并处理消息队列中的设备占用列表报文、以及订阅并处理MQTT消息服务器中的设备运行日志报文和设备状态变化报文。
(1.3)设备管理客户端运行在树莓派，物联网设备和树莓派之间通过USB扩展器连接。设备管理客户端启动时首先和MQTT消息服务器建立MQTT连接，每个设备管理客户端拥有唯一的客户端编号。设备管理客户端定时扫描接入的USB设备列表，将每个USB设备的供应商ID以及产品ID和配置文件中每种设备类型的配置信息进行匹配。若匹配成功，则将该设备的设备类型配置为匹配的类型，生成该设备的设备编号，将设备编号加入活跃设备列表。设备管理客户端在扫描时若发现本次扫描的活跃设备列表和上次活跃设备列表不同，那么将设备状态变化报文发送至MQTT消息服务器。同时，设备管理客户端会订阅并处理MQTT消息服务器中的设备占用报文、以及设备串口命令报文。
(2)异构物联网设备的配置、部署以及接入平台，并实时更新接入设备的状态。
(2.1)整理每种设备类型的配置信息，包括串口波特率、供应商ID和产品ID、烧写工具和烧写命令。每种设备类型的配置信息以JSON格式作为到设备管理客户端的配置文件。
(2.2)物联网设备通过USB扩展器和树莓派进行连接。连接完成之后,设备管理客户端在树莓派上启动运行。设备管理客户端扫描接入的物联网设备，记录每个物联网设备所属的设备类型，并对每个物联网设备设置编号。设备管理客户端实时将设备列表的变化报文上传到MQTT消息服务器。
(2.3)云服务器的设备服务从MQTT消息服务器订阅设备列表的变化报文，并修改内存缓存中的设备状态。
(3)如图2，开发者使用命令行工具和该平台进行交互，包括上传设备固件、请求设备分配、以及获取设备运行日志等。接下来对开发者和该平台交互时工作流程的实施进行详细的描述：
(3.1)开发人员在本地准备好待使用的设备固件文件，并使用命令行工具将设备固件文件上传到云服务器的用户服务。用户服务会计算设备固件文件的SHA256哈希值，并以SHA256哈希值作为数据库主键，将设备固件文件存到数据库中。用户服务将设备固件文件的哈希值返回给开发人员。如果需要上传多个设备固件文件，重复执行步骤(3.1)直到将所有设备固件文件上传完成。所有设备固件文件上传之后，继续下述步骤。
(3.2)开发人员使用命令行工具和云服务器的用户服务建立的Websocket连接。用户服务会订阅消息队列中和该开发人员相关的消息报文，并将消息报文转发给相应的Websocket连接。
(3.3)开发人员使用命令行工具向云端服务的用户服务提交设备分配请求，参数为设备申请列表，每个列表元素包含申请的设备类型、设备的个数以及设备分配之后需要运行的设备固件文件的哈希值。云端服务接收到之后进行条件检查，包括判断所需的设备类型本平台是否不支持、判断所需的设备个数是否大于本平台接入的设备数量以及判断所需的设备固件文件是否不存在。若条件检查不通过，则设备分配请求直接返回失败，结束步骤；否则，用户服务将设备分配请求报文发布至云服务器的消息队列，继续下述步骤。
(3.4)云服务器的任务分配服务订阅设备分配请求报文。任务分配服务订阅到设备分配报文之后，将设备分配报文增加到内存缓存的等待队列的队尾。
(3.5)任务分配服务定时从内存缓存的等待队列的队头取出设备分配报文，检查现有空闲设备是否满足设备分配的需求。若不满足，则将设备分配报文增加到内存缓存的等待队列的队尾，进入到步骤(2.5)；若满足，则设置内存缓存中的设备状态为占用状态，并将设备占用列表报文发送至消息队列。
(3.6)云服务器的设备服务订阅到设备占用列表报文。设备服务查看设备占用列表中的设备分别属于哪些设备管理客户端，针对每个设备管理客户端生成设备占用报文，并将设备占用报文转发至MQTT消息服务器。
(3.7)设备管理客户端从MQTT消息服务器订阅到设备占用报文。设备管理客户端解析设备占用报文，获取设备编号、设备固件以及设备占用时长。设备管理客户端将设备固件烧写到设备编号所指向的设备。
(3.8)设备管理客户端通过USB串口获取设备的运行日志，并将运行日志发送至MQTT消息服务器。云服务器的设备服务从MQTT消息服务器中订阅设备的运行日志，将设备运行日志存储到数据库，并转发到消息队列。云服务器的用户服务从消息队列中订阅到运行日志，并转发给相应用户的Websocket连接。
(3.9)设备管理客户端持续监测占用设备的剩余占用时间，当剩余占用时间为零时结束设备的占用，并将设备结束占用报文发送至MQTT消息服务器。云服务器的设备服务从MQTT消息服务器订阅到设备结束占用报文，设置内存缓存中设备状态为空闲状态。

Claims (3)

1.一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法，应用于基于异构设备的远程物联网平台，所述的远程物联网平台包括命令行工具、运行在云服务器上的云端服务、以及运行在树莓派上的设备管理客户端；接下来对每个模块的实施进行详细的描述：
命令行工具用于和云服务器的用户服务进行交互，具体命令包括设备固件上传、设备分配请求、建立日志监听连接、以及发送设备串口命令；命令行工具被开发人员调用时，本质上是调用云服务器的用户服务提供的网络接口；
云服务器上的云端服务包括用户服务、任务分配服务、设备服务、消息队列、数据库、MQTT消息服务器、以及内存缓存，其中用户服务、任务分配服务、以及设备服务采用以下步骤实现，消息队列采用NATS开源实现，数据库采用MongoDB开源实现，MQTT消息服务器采用EMQX开源实现，内存缓存采用Redis开源实现；用户服务向命令行工具提供网络接口，包括设备固件上传接口、设备分配请求接口、建立日志监听接口、以及发送设备串口命令接口，这些接口基于HTTP或Websocket网络协议；任务分配服务负责订阅消息队列中的设备分配请求报文、将设备分配请求报文存储到内存缓存中的等待队列、以及执行设备分配操作；设备服务负责订阅并处理消息队列中的设备占用列表报文、以及订阅并处理MQTT消息服务器中的设备运行日志报文和设备状态变化报文；
设备管理客户端运行在树莓派，物联网设备和树莓派之间通过USB扩展器连接；设备管理客户端启动时首先和MQTT消息服务器建立MQTT连接，每个设备管理客户端拥有唯一的客户端编号；设备管理客户端定时扫描接入的USB设备列表，将每个USB设备的供应商ID以及产品ID和配置文件中每种设备类型的配置信息进行匹配；若匹配成功，则将该设备的设备类型配置为匹配的类型，生成该设备的设备编号，将设备编号加入活跃设备列表；设备管理客户端在扫描时若发现本次扫描的活跃设备列表和上次活跃设备列表不同，那么将设备状态变化报文发送至MQTT消息服务器；同时，设备管理客户端会订阅并处理MQTT消息服务器中的设备占用报文、以及设备串口命令报文；
包括以下步骤：
步骤1：异构物联网设备的配置、部署以及接入平台，并实时更新接入设备的状态；
(1.1)整理每种设备类型的配置信息，每种设备类型的配置信息导入到设备管理客户端的配置文件；
(1.2)设备管理客户端扫描接入的物联网设备，设备管理客户端实时将设备列表的变化报文上传到MQTT消息服务器；
(1.3)设备服务从MQTT消息服务器订阅设备列表的变化报文，并修改内存缓存中的设备状态；
步骤2：开发人员通过命令行工具使用远程物联网设备，包括上传设备固件文件、提交设备使用请求、获取设备运行日志以及发送设备串口命令；
(2.1)开发者向用户服务提交设备固件文件；
(2.2)开发者和用户服务建立日志监听链路；
(2.3)开发者向用户服务提交设备分配请求；
(2.4)用户服务对设备分配请求进行条件检查；若条件检查不通过，则退出步骤；若条件检查通过则继续下述步骤；
(2.5)任务分配服务执行设备分配操作，设置占用设备的状态，并发送设备占用列表；
(2.6)设备服务将设备占用报文分别转发到设备管理客户端；
(2.7)设备管理客户端将设备固件文件烧写到设备；
(2.8)设备管理客户端持续获取并转发设备运行日志到MQTT消息服务器；设备服务记录设备运行日志并转发给开发者；
(2.9)设备管理客户端监测到设备占用超时，结束运行设备程序；设备服务释放设备占用，并将结束运行报文转发给开发者。
2.如权利要求1所述的一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法，其特征在于：步骤(1.2)的MQTT消息服务器采用EMQX开源实现。
3.如权利要求1所述的一种基于异构设备的远程物联网平台的构建方法，其特征在于：步骤(2.4)的条件检查包含判断所需的设备类型本平台是否不支持、判断所需的设备个数是否大于本平台接入的设备数量以及判断所需的设备固件文件是否不存在。
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