CN113141590B - 一种面向工业物联网的无线通信调度方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业物联网通信技术领域，特别涉及一种对工业物联网设备无线数据通信调度装置，应用于工业无线网络上实时数据的传输调度。包括通信配置与安全子单元、地址空间管理子单元、底层设备数据处理子单元、无线数据分类调度子单元、消息队列管理子单元、历史数据管理子单元、数据访问子单元。本发明提供的面向工业物联网的无线通信调度方法及装置，弥补了工业物联网无法根据各类数据不同时延容忍度采取合理调度方法的问题，保证了时间敏感数据传输的实时性，提高了整个网络的通信服务质量水平。

Description

一种面向工业物联网的无线通信调度方法及装置

技术领域

本发明涉及工业物联网通信技术领域，特别涉及一种对工业物联网设备无线数据通信调度装置，应用于工业无线网络上实时数据的传输调度。

背景技术

随着智能制造的迅速发展，工业物联网技术在工业智能化领域占有越来越重要的地位。工业物联网部署并连接了众多不同类型的工业设备，构建了一种复杂异构的工业现场环境，实现了设备数据采集、设备控制以及设备间的通信。在工业生产过程中，面向工业物联网的设备数据日渐增多，在设备信息多样化及大数据量传输情况下，不同时延容忍度数据无法根据传输量和实时性进行区分传输，同时上层管理平台无法实时获取设备紧急信息，导致时延敏感数据实时性大大降低，设备故障率和损坏率增高。在工业复杂现场环境下，传统通信调度方法难以有效保障通信效率，因此如何提升多类型数据区分服务效率，保证时延敏感数据的实时可靠传输，是工业物联网通信领域亟待解决的重要问题。

一般来说，工业设备数据在网络中传输需要符合工业数据交换规范，从而实现同层设备间通信以及现场设备到高级控制层的纵向通信，目前在数据汇聚传送方面，存在许多不同的调度方法，传统的实时与非实时数据混合传输方法仅针对工业现场的有线网络场景，当涉及到无线网络中时隙分配任务时，无法实现功能性兼容，而且对于复杂多样的设备数据识别率较低，通信网络丢包率和时延较高，难以保障工业无线网络中各类设备感知信息传输的实时性要求。

发明内容

针对工业物联网环境下多类型设备感知信息对传输量、实时性等需求各不相同，传统调度方法难以实现设备数据的区分服务，无法满足时间敏感数据的实时、可靠的传输的问题，本发明提出一种面向工业物联网的无线通信调度方法及装置，提高了通信网络的服务质量水平。

本发明采用的技术手段如下：

一种面向工业物联网的无线通信调度方法，包括以下步骤：

通信配置与安全子单元扫描工业物联网中的工业物联网设备，建立信息通道，将工业物联网设备连接到无线通信网络；

地址空间管理子单元将工业物联网设备节点映射到地址空间，更新工业物联网的网络拓扑；

底层设备数据处理子单元采集工业物联网设备所有类型的内容数据，并对其进行数据加密与编码；

消息队列管理子单元将采集后的内容数据进行类型划分，存储到不同优先级消息缓冲队列等待调度，动态管理消息缓冲队列长度，防止数据溢出；

无线数据分类调度子单元从消息队列中以优先级先后顺序调度内容数据，同时分配传输时隙，以无线方式向上层服务器或客户端发送包括内容数据的数据包，同时分析各数据包目标地址，将数据包投送到目标服务器或客户端；

历史数据管理子单元存储内容数据到历史数据库，对设备数据进行备份。

所述内容数据包括：报警数据、设备状态数据、传感数据以及媒体数据，同时将内容数据分为三种优先级进行传输，其中，报警数据被定义为最高优先级，设备状态数据和传感数据被定义为中优先级，媒体数据被定义为最低优先级，所述内容数据和通信上下文数据构成工业数据。

所述通信上下文数据包含HEL消息、ACK消息、ERR消息、会话管理消息中的至少一种，在通信过程中与报警数据为同等优先级。

所述无线数据分类调度子单元从消息队列中以优先级先后顺序调度内容数据，同时分配传输时隙包括以下步骤：

1)分析各工业物联网设备节点数据流特征，计算各数据流发送周期T_i以及模型调度周期T_s；

2)一个调度周期T_s内，设定时隙数量N_st，计算每个时隙的时间长度L_st，初始化各时隙状态为空闲；

3)获取各消息缓冲队列的缓存量buf_n，n为消息缓冲队列个数，分配每个消息缓冲队列在该周期的传输窗口TW_i，按照各消息缓冲队列优先级顺序，高优先级数据优先分配时隙；

4)待其分配完毕后，检查下一优先级消息缓冲队列，返回步骤3)，直到网络中所有内容数据传输完毕；

5)当工业物联网设备触发报警时，报警数据会抢占在本周期正在传输的低优先级数据时隙，低优先级数据中断传输任务并保存任务传输现场，直到报警信息全部传输完毕再恢复低优先级数据的传输。

所述计算各数据流发送周期T_i以及模型调度周期T_s具体为：

其中，Fl_i表示帧长，Fv_i表示数据流的传输速度，LCM表示最小公倍数。

所述计算每个时隙的时间长度L_st具体为：

其中，m为常数。

所述当工业物联网设备触发报警时，如果实时数据在一个周期内能够完成数据传输任务且时隙有剩余，则将剩余时隙继续分配给两类低优先级非实时数据即设备状态数据和传感数据进行传输。

所述动态管理消息缓冲队列长度：通过判断各消息缓冲队列的拥塞情况进行的队列管理操作，具体为：

分别设定队列拥塞阈值Threshold与稳定阈值smooth，当每个消息缓冲队列中未占用的空间长度QLen_i小于拥塞阈值Threshold时，表明该消息缓冲队列即将出现拥塞，此时执行队列空间扩增操作，将该消息缓冲队列长度扩增一倍，防止数据溢出导致的网络拥塞，当消息缓冲队列未占用空间长度QLen_i大于稳定阈值smooth时，表明该消息缓冲队列数据换存量较少，计算缩减值QVar，执行队列空间缩减操作，以减小机器内存占用量。

所述缩减值QVar的计算方式为：

其中，Rate_red为设定的队列预测缩减率，Q_i为第i个队列总长度，QN_i为第i个队列扩增次数。

一种面向工业物联网的无线通信调度装置，包括：

通信配置与安全子单元，用于扫描工业物联网中的工业物联网设备，建立信息通道，将工业物联网设备连接到无线通信网络；

地址空间管理子单元，用于将工业物联网设备节点映射到地址空间，更新网络拓扑；

底层设备数据处理子单元，用于采集工业物联网设备所有类型的内容数据，并对其进行加密与编码；

消息队列管理子单元，用于将采集后的内容数据进行类型划分，存储到不同优先级消息缓冲队列等待调度，动态管理消息缓冲队列长度，防止数据溢出；

无线数据分类调度子单元，用于从消息队列中以优先级先后顺序调度内容数据，同时分配传输时隙，以无线方式向上层服务器或客户端发送内容数据，同时分析各数据包目标地址，将数据包按正确路径准确投送到目标服务器或客户端；

历史数据管理子单元，用于存储内容数据到历史数据库，对设备数据进行备份；

数据访问子单元，用于向上层服务器及客户端开放数据传输接口，处理数据传输请求。

本发明具有以下优点：

1.本发明建立了针对工业物联网环境下无线网络通信的通信调度装置，可以实现工业网络中多类型数据的区分服务，准确划分数据类型，在网络数据多样化以及海量数据传输条件下，具有较强的准确性与高效性。

2.本发明通过改进现有调度方法，提出一种面向工业物联网的无线通信调度方法及装置，时隙资源得到了充分利用，保证了时延敏感数据的实时可靠传输，从而提高了通信网络的整体服务质量。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的装置结构示意图；

图3为本发明的装置中采用的感知时隙抢占机制工作流程图；

图4为本发明的装置中采用的动态管理消息队列效果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种面向工业物联网的无线通信调度装置，其服务平台系统结构示意图如图1所示，包括设备数据采集装置、无线数据通信调度装置、信息显示装置。设备数据采集装置由两部分组成，包括采集工业物联网现场环境下各类设备数据的传感器以及控制传感器节点工作的单片机。

无线数据调度通信装置由异构多核处理器系统构成，集成了无线通信模块，用于接收设备数据并对其进行分类，并执行调度任务，按多优先级实时数据传输调度方法将设备数据以无线方式输出到网络，主要包括七部分，分别为通信配置与安全子单元、地址空间管理子单元、底层设备数据处理子单元、无线数据分类调度子单元、消息队列管理子单元、历史数据管理子单元、数据访问子单元。

显示装置采用人机交互模式，为用户显示实时工业物联网设备的状态信息、报警信息以及加工信息等。

设定控制系统采样频率，在一个周期内将工业物联网环境中设备数据以及部署在设备上的传感器数据进行采集，然后通过单片机控制系统上传到服务器，实现工业数据标准化、结构化传输。

所述控制系统由单片机及控制采集模块构成，能够接入工业物联网平台，实现设备数据的本地与云端的历史存储。

图2所示为本发明的装置结构示意图，一种面向工业物联网的无线通信调度装置，包括：通信配置与安全子单元、地址空间管理子单元、底层设备数据处理子单元、无线数据分类调度子单元、消息队列管理子单元、历史数据管理子单元、数据访问子单元。

其中，通信配置与安全子单元用于将底层工业物联网设备连接到通信网络，建立安全可靠的信息通道，实现设备的通信连接与配置。地址空间管理子单元用于映射网络各设备节点到地址空间，修改地址空间结构，对设备服务集进行查询和管理。底层设备数据处理子单元用于采集工业物联网设备的状态数据、媒体数据和传感数据并对所有数据实现数据加密与编码。无线数据分类调度子单元用于区分不同数据实时性，从消息队列中以优先级先后顺序调度缓存的数据，并以无线方式向上层服务器发送设备数据。消息队列管理子单元用于划分多类型数据优先级并存储到不同等级队列。历史数据管理子单元用于存储数据到历史数据库，向客户端提供地址空间节点数值变化的历史信息。数据访问子单元，用于向上层服务器及客户端开放数据传输接口，处理网络传输请求，对网络控制信息与设备信息区分处理，实现上行和下行数据的有效管理。

一种面向工业物联网的无线通信调度方法，将工业数据分为通信上下文数据(Communication Context Data,CCD)和内容数据(Content Data，CD)，同时将内容数据分为三种优先级进行传输，其中报警数据为系统高实时数据，被定义为最高优先级，非实时数据分为两类，其中设备状态数据和传感数据定义为中优先级，媒体数据定义为最低优先级。通信上下文数据是工业物联网网络通信基础，包含HEL/ACK消息、ERR消息以及会话管理消息等，在通信过程中与实时数据为同等优先级，共享最高优先级缓冲队列。包括以下步骤：

S1通信配置与安全子单元扫描网络中可配置设备，建立安全信息通道，将底层设备连接到通信网络，数据访问子单元对上层服务器及客户端网络请求进行处理，掌握系统数据传输需求。

S2地址空间管理子单元将设备节点映射到地址空间，更新网络拓扑，增加网络设备服务集。

S3底层设备数据处理子单元采集工业物联网设备所有类型的内容数据，完成数据加密与编码，设定控制系统采样频率，在一个周期内将工业物联网环境中设备数据以及部署在设备上的传感器数据进行采集，然后通过单片机控制系统上传到服务器，实现工业数据标准化、结构化传输。

S4消息队列管理子单元将采集后的数据进行类型划分，存储到不同优先级缓冲队列等待调度，动态管理消息队列长度，防止数据溢出，通过判断各队列的拥塞情况进行的队列管理操作，设定队列拥塞阈值Threshold与稳定阈值smooth，当每个队列中未占用的空间长度QLen_i小于Threshold拥塞阈值时，表明该队列即将出现拥塞，此时立即指向性队列空间扩增操作，将该队列长度扩增一倍，防止数据溢出导致的网络拥塞，当队列未占用空间长度QLen_i大于smooth稳定阈值时，表明该队列数据换存量较少，计算缩减值QVar，执行队列空间缩减操作，以减小机器内存占用量，计算公式如下：

其中Rate_red为队列预测缩减率，Q_i为各队列总长度，QN_i为各队列扩增次数。

S5无线数据分类调度子单元从消息队列中以优先级先后顺序调度缓存数据，合理分配传输时隙，分析各节点数据流(f₁,f₂,f₃…f_n)特征，计算得到各数据流发送周期T_i以及模型调度周期T_s，其中Fl_i代表帧长，Fv_i代表数据流的传输速度，计算公式如下：

模型一个调度周期T_s内，设定时隙数量N_st，计算每个时隙的时间长度L_st，初始化各时隙状态为空闲，计算公式如下：

然后获取各消息队列缓存量buff₁、buff₂、buff₃，分配每个队列在该周期的传输窗口TW_i，按照各队列优先级顺序，高优先级实时数据优先分配时隙，待其分配完毕检查下一优先级队列再次执行时隙分类操作，直到网络中所有内容数据传输完毕。

当网络设备设备触发报警，采用感知时隙抢占机制，设备报警数据会抢占在本周期正在传输的低优先级数据时隙，低优先级数据中断传输任务并保存任务传输现场，直到报警信息全部传输完毕再恢复低优先级数据的传输。感知时隙抢占机制通过最高优先级实时数据抢占低优先级非实时数据的传输时隙的操作，来保证实时数据的低时延传输，如果实时数据在一个周期内能够完成数据传输任务且时隙有剩余，则将剩余时隙继续分配给两类低优先级非实时数据进行传输。设备数据以无线方式发送到上层服务器，同时分析各数据包目标地址，将数据包按正确路径准确投送到目标主机，感知时隙抢占机制工作流程图如图3所示。

S6历史数据管理子单元存储内容数据到历史数据库，对各设备数据进行备份操作。

如图4所示，为本发明装置在动态管理消息队列方面的效果图，其中首先设定队列初始长度，之后网络中数据包量随着时间的增长呈现先增加后趋于稳定进而减少的趋势，消息队列的缓存空间长度也随之变化，当网络中数据包量逐渐增加，消息队列未被占用的空间长度小于Threshold拥塞阈值时，队列长度一再扩增，直到数据包量趋于稳定，避免队列溢出与网络丢包问题；当网络中数据包量逐渐减少，队列未占用空间长度大于smooth稳定阈值时，队列按照规则执行空间缩减操作，直到网络中数据量再次稳定。本发明装置由于采用了动态管理消息队列长度操作，对于队列空间分配具备一定的可预测性，在数据传输过程中能够减少数据丢包率，满足了工业物联网环境下大数据量及突发敏感数据的传输需求，从而保证了网络通信的稳定性，较大地改善了对于工业设备数据的传输能力。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种面向工业物联网的无线通信调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

通信配置与安全子单元扫描工业物联网中的工业物联网设备，建立信息通道，将工业物联网设备连接到无线通信网络；

地址空间管理子单元将工业物联网设备节点映射到地址空间，更新工业物联网的网络拓扑；

底层设备数据处理子单元采集工业物联网设备所有类型的内容数据，并对其进行数据加密与编码；

消息队列管理子单元将采集后的内容数据进行类型划分，存储到不同优先级消息缓冲队列等待调度，动态管理消息缓冲队列长度，防止数据溢出；

无线数据分类调度子单元从消息队列中以优先级先后顺序调度内容数据，同时分配传输时隙，以无线方式向上层服务器或客户端发送包括内容数据的数据包，同时分析各数据包目标地址，将数据包投送到目标服务器或客户端；

历史数据管理子单元存储内容数据到历史数据库，对设备数据进行备份；

所述无线数据分类调度子单元从消息队列中以优先级先后顺序调度内容数据，同时分配传输时隙包括以下步骤：

1)分析各工业物联网设备节点数据流特征，计算各数据流发送周期T_i以及模型调度周期T_s；

2)一个调度周期T_s内，设定时隙数量N_st，计算每个时隙的时间长度L_st，初始化各时隙状态为空闲；

3)获取各消息缓冲队列的缓存量buf_n，n为消息缓冲队列个数，分配每个消息缓冲队列在该调度周期的传输窗口TW_i，按照各消息缓冲队列优先级顺序，高优先级数据优先分配时隙；

4)待其分配完毕后，检查下一优先级消息缓冲队列，返回步骤3)，直到网络中所有内容数据传输完毕；

5)当工业物联网设备触发报警时，报警数据会抢占在本周期正在传输的低优先级数据时隙，低优先级数据中断传输任务并保存任务传输现场，直到报警信息全部传输完毕再恢复低优先级数据的传输；

所述计算各数据流发送周期T_i以及模型调度周期T_s具体为：

其中，Fl_i表示帧长，Fv_i表示数据流的传输速度，LCM表示最小公倍数；

所述计算每个时隙的时间长度L_st具体为：

其中，m为常数；

所述动态管理消息缓冲队列长度：通过判断各消息缓冲队列的拥塞情况进行的队列管理操作，具体为：

分别设定队列拥塞阈值Threshold与稳定阈值smooth，当每个消息缓冲队列中未占用的空间长度QLen_i小于拥塞阈值Threshold时，表明该消息缓冲队列即将出现拥塞，此时执行队列空间扩增操作，将该消息缓冲队列长度扩增一倍，防止数据溢出导致的网络拥塞，当消息缓冲队列未占用空间长度QLen_i大于稳定阈值smooth时，表明该消息缓冲队列数据换存量较少，计算缩减值QVar，执行队列空间缩减操作，以减小机器内存占用量；

所述缩减值QVar的计算方式为：

其中，Rate_red为设定的队列预测缩减率，Q_i为第i个队列总长度，QN_i为第i个队列扩增次数。

2.根据权利要求1所述的一种面向工业物联网的无线通信调度方法，其特征在于，所述内容数据包括：报警数据、设备状态数据、传感数据以及媒体数据，同时将内容数据分为三种优先级进行传输，其中，报警数据被定义为最高优先级，设备状态数据和传感数据被定义为中优先级，媒体数据被定义为最低优先级，所述内容数据和通信上下文数据构成工业数据。

3.根据权利要求2所述的一种面向工业物联网的无线通信调度方法，其特征在于，所述通信上下文数据包含HEL消息、ACK消息、ERR消息、会话管理消息中的至少一种，在通信过程中与报警数据为同等优先级。

4.根据权利要求1所述的一种面向工业物联网的无线通信调度方法，其特征在于，所述当工业物联网设备触发报警时，如果实时数据在一个周期内能够完成数据传输任务且时隙有剩余，则将剩余时隙继续分配给两类低优先级非实时数据即设备状态数据和传感数据进行传输。

5.一种面向工业物联网的无线通信调度装置，其特征在于，包括：

通信配置与安全子单元，用于扫描工业物联网中的工业物联网设备，建立信息通道，将工业物联网设备连接到无线通信网络；

地址空间管理子单元，用于将工业物联网设备节点映射到地址空间，更新网络拓扑；

底层设备数据处理子单元，用于采集工业物联网设备所有类型的内容数据，并对其进行加密与编码；

消息队列管理子单元，用于将采集后的内容数据进行类型划分，存储到不同优先级消息缓冲队列等待调度，动态管理消息缓冲队列长度，防止数据溢出；

无线数据分类调度子单元，用于从消息队列中以优先级先后顺序调度内容数据，同时分配传输时隙，以无线方式向上层服务器或客户端发送内容数据，同时分析各数据包目标地址，将数据包按正确路径准确投送到目标服务器或客户端；

历史数据管理子单元，用于存储内容数据到历史数据库，对设备数据进行备份；

数据访问子单元，用于向上层服务器及客户端开放数据传输接口，处理数据传输请求；

所述无线数据分类调度子单元从消息队列中以优先级先后顺序调度内容数据，同时分配传输时隙包括以下步骤：

1)分析各工业物联网设备节点数据流特征，计算各数据流发送周期T_i以及模型调度周期T_s；

2)一个调度周期T_s内，设定时隙数量N_st，计算每个时隙的时间长度L_st，初始化各时隙状态为空闲；

3)获取各消息缓冲队列的缓存量buf_n，n为消息缓冲队列个数，分配每个消息缓冲队列在该调度周期的传输窗口TW_i，按照各消息缓冲队列优先级顺序，高优先级数据优先分配时隙；

4)待其分配完毕后，检查下一优先级消息缓冲队列，返回步骤3)，直到网络中所有内容数据传输完毕；

5)当工业物联网设备触发报警时，报警数据会抢占在本周期正在传输的低优先级数据时隙，低优先级数据中断传输任务并保存任务传输现场，直到报警信息全部传输完毕再恢复低优先级数据的传输；

所述计算各数据流发送周期T_i以及模型调度周期T_s具体为：

其中，Fl_i表示帧长，Fv_i表示数据流的传输速度，LCM表示最小公倍数；

所述计算每个时隙的时间长度L_st具体为：

其中，m为常数；

所述动态管理消息缓冲队列长度：通过判断各消息缓冲队列的拥塞情况进行的队列管理操作，具体为：

分别设定队列拥塞阈值Threshold与稳定阈值smooth，当每个消息缓冲队列中未占用的空间长度QLen_i小于拥塞阈值Threshold时，表明该消息缓冲队列即将出现拥塞，此时执行队列空间扩增操作，将该消息缓冲队列长度扩增一倍，防止数据溢出导致的网络拥塞，当消息缓冲队列未占用空间长度QLen_i大于稳定阈值smooth时，表明该消息缓冲队列数据换存量较少，计算缩减值QVar，执行队列空间缩减操作，以减小机器内存占用量；

所述缩减值QVar的计算方式为：

其中，Rate_red为设定的队列预测缩减率，Q_i为第i个队列总长度，QN_i为第i个队列扩增次数。