CN113595806A - 一种基于opcua与mqtt协议的配网物联网通讯架构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构方法,提供一种通用并且相对简单的方法，即OPCUA+MQTT，工业物联网技术在通讯的过程中面临着众多的外部安全威胁，例如：信息泄露，篡改指令，越权操作，伪造重发，泛滥攻击等。面对这些威胁，OPC UA使用加密，签名，用户认证，权限访问控制，会话管理等方式一层一层完成深度防御。OPC UA最初的client与server之间的查询与响应的一对一模式，适合通讯节点较少，通讯信息量大且稳定持续的场景。在物联网的应用场景中，往往通讯节点比较多，但是节点间的通讯量不大，有时还需要一对多、多对一通讯。这时OPC UA+融合MQTT协议，就能很好的支持物联网的场景。因此本发明提供了配网物联技术下OPCUA的应用。

Description

一种基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体而言，特别涉及一种基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构方法。

背景技术

物联网是“物物相连”的互联网，是互联网向物理世界的渗透、拓展和延伸，实现物与物、物与人、人与人之间的连接。考虑到随着物联网应用速度的加快，网络基础设施日趋完善，互联效率不断提升; 物联网平台迅速增长，服务支撑能力显著提升; 边缘计算、人工智能等新技术赋能物联网，将会为配电网注入新的活力，客观上作为使能技术将带动配电网上下游产业的升级和转型。随之而然，配电物联网概念被提出。配电物联网是泛在电力物联网的重要组成部分，是传统电力工业技术与物联网技术深度融合产生的一种新型电力网络运行形态，其可划分为“云管边端”四大核心层级。“云”是对传统信息系统架构和组织方式进行创新的云主站; “管”是 为“云”、“边”、“端”数据提供数据传输的通道; “边”是一种靠近物或数据源头处于网络边缘的分布式智能代理，拓展了“云”收集和管理数据的范围和能力; “端”是状态感知和执行控制主体终端单元。

配电物联网是能源转型要求下配电网融合以联网为代表的新一代信息通信技术的新型发展形态，其概念的提出融合了当前主要的技术进步和行业发展需求，具体包括：

1）物联网。

物联网是感应通信技术、基于 IP 技术的智能采集技术、容器技术、第五代移动通信技术(5G)、窄带物联网(NB-IoT)等新一代信息技术的高度集成和综合运用。基于感知、网络、应用三层结构，使更多的设备实现广覆盖的采集、更低成本和低风险的泛在接入。

2）工业互联网。

工业互联网是新一代信息通信技术与现代工业技术深度融合的产物。在工业互联网平台架构中，数据采集是基础，对多源信息进行高效采集和云端汇聚。

3）信息传输安全机制。

信息物理系统是实现计算、通信以及控制技术深度融合的下一代工程系统，更强调全面的信息获取和利用，因而安全机制是其研究重点。通过通讯层面的安全机制的提升，实现健康的工业万物互联。

配电物联网通信架构需要从配电业务支撑、运行效率提升和通信质量保障等方面进行综合考虑，坚持“充分适配”、“广泛互联”和“高效承载”的原则，为实现配电网的全面感知、互联互通、轻量高效及配电业务的可靠运行提供技术支撑和保障。总体设计原则如下:① 业务深度与高效适配，将通信协议技术与配电业务流程深度适配与协同，实现设备的标准化接入，配电网络各节点间采用统一的消息交互流程，实现设备业务的高效运行; ②设备物联网化和即插即用，“边云”通信和“端边”通信都采用业界成熟的物联网协议标准，将成熟的物联网技术引入电力行业，设备向智能化物联网化演进，支撑各类设备便捷、弹性、泛在接入配电物联网，实现设备基于物联网技术的即插即用; ③消息传输灵活且安全可靠，面向配电业务数据模型需求，以面向对象的自描述方式，克服现有电力通信协议扩展性差、表达能力弱和互联互通性差等缺点，采用统一的信息模型架构和可靠协议机制，提供实时、稳定、高效、安全和面向对象的消息机制，实现信息的灵活描述和可靠安全传输。

现有技术方案中,传统软硬件配置较高的智能配电终端与配电自动化主站通信大部分采用 IEC101 /104 规约，而软硬件配置较低的传感装置与软硬件配置较高的配电终端( 如配变终端) 常常采用 Modbus、DL/T645 等协议。传统的 IEC101 /104、DL/T645 以及 Modbus 等协议不支持设备自描述功能，仍需要进行点表配置，安装调试工作量大，不利于设备即插即用。与传统协议不同，MQTT支持设备自描述功能且安全性满足要求，利于设备即插即用。

传统的边端协议复杂，很多老站旧站在面临升级时，无法彻底抛弃旧的通讯规约，因此需要在旧规约存在的基础上，拓展升级为适用于物联网的通讯机制。另外，工业IOT物联网的一大特征，就是要强调其安全性。OPCUA协议先天具备良好的安全机制，又可以兼容旧规约，只需要增加OPCUA规约网关机即可实现与多种协议之间的协议转换。

因而本文提出在云主站和边缘计算终端之间采用 MQTT 协议，边缘计算终端和末端设备之间采用OPCUA服务器做协议中转。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构，其特征在于,所述OPCUA协议是边设备和OPCUA服务器之间的通讯协议，边设备相当于客户端；客户端根据点表向OPCUA服务器发送获取节点值的报文，OPCUA服务器返回相应的值后，客户端将此值和其属性存储在数据中心，以MQTT协议备上送云主站；

云主站为云平台，将OPCUA服务器的设备ID、节点ID信息发送给边设备，边设备接收后，向相应的OPCUA服务器发送采集指令，OPCUA服务器接受到节点采集指令后，将端设备的采集数据的节点值返回边设备，边设备将相应信息存储，后经云边协议传送给云平台。

一种基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构的方法,其特征在于,具体包括以下步骤：

S1云边通讯：

S11：配置下载；配置文件包含了OPC UA服务器端的IP地址、端口连接参数，边设备与OPC UA服务端连接的安全参数、需要采集的节点内容参数，配置文件在云平台配置后，通过文件下发db文件的配置，或者通过协议下发配置文件的内容给边设备，边设备接收配置文件后存储，待解析；

S12：配置解析；若为db文件下发，需对db文件的内容进行读取，分别解析；若为协议下发，需要根据云边协议对协议传输的配置条目内容进行提取，提取内容同db下发；

S13采集数据上送；针对OPC UA采集的数据，存储在数据库，针对云平台的配置，从数据库提取响应的数据，按照云边协议上传到云端；

S2边端通讯

边端通讯包括规则发送和规则接收，边设备发送读取节点值的OPCUA协议给OPCUA服务器端，从OPCUA服务器端获取节点的值；

S3数据存储

数据存储分为两种:数据中心和Sqlite数据库；

S4日志中心

日志中心为操作日志存储。

作为优选方案，步骤S12中若为db文件下发，需对db文件的内容进行读取，分别解析，其包括以下方式：解析各OPCUA 服务端的安全参数，存储安全参数；解析各OPCUA服务端的连接参数，存储连接参数；解析各OPCUA服务端的内容参数，存储节点ID及节点其它信息。

作为优选方案，步骤S2边端通讯包括以下步骤：

S21：根据配置的安全参数，确定安全策略；

S22：根据配置的连接参数，包括ip和端口，实现在安全策略下，与OPCUA服务器端的连接；

S23：确认连接后，根据配置的节点参数，调取OPCUA采集的API函数；

S24：解析得到的数据。

作为优选方案，步骤S3数据存储中数据中心为方便向云端推送值；Sqlite数据库为存储在本地，用于节点数据存储，其存储格式包括设备id、节点id、节点名称、节点值、单位、节点读取时间、节点存储时间。

作为优选方案，步骤S4中的操作日志存储包括：配置文件下载日志，用于存储配置文件的下载时间、下载结果；

连接情况日志，用于存储边设备与端设备连接的情况，包括端设备的IP，端口，连接时间，连接结果，其中连接结果包括连接成功时间、连接失败、连接超时；

读取节点情况日志：存储边设备读取OPCUA服务器节点的时间、读取成功\失败、读取超时；

存储节点数据日志，用于存储边设备存储节点数据的时间、存储大小、存储位置、结果。

本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：工业现场设备或者系统繁多，每台设备或者系统的协议各不相同，本文提供一种通用并且相对简单的方法，即OPCUA+MQTT，将工业现场的采集数据传输到云端，实现远程的监视、访问。

本发明涉及配电物联网中云管边端四个部分的通信。本发明从采集、传输环节进行说明。采集环节由OPCUA服务器作为中间转换环节，OPCUA服务器实现边端通信中的端设备的数据协议转换后，由边设备作为客户端，从OPCUA服务器获取采集数据。边设备在数据采集方面主要实现对OPCUA服务器设备的数据采集、存储和远程传输，其基于TCPIP socket通讯。远程数据传输是基于以太网通讯，利用MQTT协议将端设备上送的相关信息传送给相应的主站。

此种设计的好处之一是：工业物联网技术在通讯的过程中面临着众多的外部安全威胁，例如：信息泄露，篡改指令，越权操作，伪造重发，泛滥攻击等。面对这些威胁，OPC UA使用加密，签名，用户认证，权限访问控制，会话管理等方式一层一层完成深度防御。

此种设计的好处之二是：OPC UA最初的client与server之间的查询与响应的一对一模式，适合通讯节点较少，通讯信息量大且稳定持续的场景。在物联网的应用场景中，往往通讯节点比较多，但是节点间的通讯量不大，有时还需要一对多、多对一通讯。这时OPCUA+融合MQTT协议，就能很好的支持物联网的场景。

因此本发明提供了配网物联技术下OPCUA的应用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为OPCUA+MQTT整体的架构；

图2为OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构；

图3为数据流图；

图4为本发明的功能架构图；

图5为操作日志存储的功能架构图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合图1至图3对本发明的实施例的基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构方法进行具体说明。

如图1、图2所示，本发明提出了一种基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构，OPCUA协议是边设备和OPCUA服务器之间的通讯协议，边设备相当于客户端；客户端根据点表向OPCUA服务器发送获取节点值的报文，OPCUA服务器返回相应的值后，客户端将此值和其属性存储在数据中心，以MQTT协议备上送云主站；服务器可以是专用的数据转换网关机，也可以是实现了OPCUA服务的端设备。

如图3所示，云主站为云平台，将OPCUA服务器的设备ID、节点ID等信息发送给边设备，边设备接收后，向相应的OPCUA服务器发送采集指令，OPCUA服务器接受到节点采集指令后，将端设备的采集数据的节点值返回边设备，边设备将相应信息存储，后经云边协议传送给云平台。

如图4所示，一种基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构的方法,其特征在于,具体包括以下步骤：

S1云边通讯：

S11：配置下载；配置文件包含了OPC UA服务器端的IP地址、端口等连接参数，边设备与OPC UA服务端连接的安全参数、需要采集的节点等内容参数，配置文件在云平台配置后，通过文件下发db文件的配置，或者通过协议下发配置文件的内容给边设备，边设备接收配置文件后存储，待解析；

S12：配置解析；若为db文件下发，需对db文件的内容进行读取，分别解析；若为协议下发，需要根据云边协议对协议传输的配置条目内容进行提取，提取内容同db下发；若为db文件下发，需对db文件的内容进行读取，分别解析，其包括以下方式：解析各OPCUA 服务端的安全参数，存储安全参数；解析各OPCUA服务端的连接参数，存储连接参数；解析各OPCUA服务端的内容参数，存储节点ID及节点其它信息。

S13采集数据上送；针对OPC UA采集的数据，存储在数据库，针对云平台的配置，从数据库提取响应的数据，按照云边协议上传到云端；

S2边端通讯

边端通讯包括规则发送和规则接收，边设备发送读取节点值的OPCUA协议给OPCUA服务器端，从OPCUA服务器端获取节点的值；包括以下步骤：

S21：根据配置的安全参数，确定安全策略；

S22：根据配置的连接参数，包括ip和端口，实现在安全策略下，与OPCUA服务器端的连接；

S23：确认连接后，根据配置的节点参数，调取OPCUA采集的API函数；

S24：解析得到的数据。

S3数据存储

数据存储分为两种:数据中心和Sqlite数据库；数据中心为方便向云端推送值；Sqlite数据库为存储在本地，用于节点数据存储，其存储格式包括设备id、节点id、节点名称、节点值、单位、节点读取时间、节点存储时间。

S4日志中心

如图5所示，日志中心为操作日志存储。包括：配置文件下载日志，用于存储配置文件的下载时间、下载结果；

连接情况日志，用于存储边设备与端设备连接的情况，包括端设备的IP，端口，连接时间，连接结果，其中连接结果包括连接成功时间、连接失败、连接超时等；

读取节点情况日志：存储边设备读取OPCUA服务器节点的时间、读取成功\失败、读取超时等；

存储节点数据日志，用于存储边设备存储节点数据的时间、存储大小、存储位置、结果等。

数据库设计

1.1配置表

1.1.1设备表

此表中的设备指的是OPCUA服务器，此表主要存储的是OPC UA服务器端的设备参数，由云端配置。

addr: OPCUA服务器的ip地址

port：OPCUA服务器支持OPCUA连接的端口号

exp_mode:即连接模式。取值为0和1。0表示默认的连接，即连接超过exp_time的话就会断开重连。1表示不停的激活发布、应答机制，一直保持连接，如果是1，需要设置sync。如果exp_mode为0，则需要设置exp_time，如果不设置，默认10min断开连接。

Exp_time: 连接的超时时间，以s为单位。如果不设置，默认10min断开连接。这个字映射的是在建立初始连接时，UA_ClientConfig_setDefault后，连接时间的设置。

Sync_time：同步模式时间，指的是，向服务端发送publish请求后，是否等待服务端的反馈。单位ms。

UA_Client_run_iterate(client, Sync_time); 如果sync_time设置为0，表示异步，不等待服务器的确认。

Security_plan： 安全策略。需要对照安全策略表的详情。

Req_peroid为请求周期，即多久召唤一次此OPCUA服务器的值。单位为s。

1.1.2节点表

id:节点表的主键，代表唯一的节点。（注不是节点的命名空间id）

dev_id: 装置id，指的是此节点属于哪个OPCUA服务器的节点。

node_ns_id：为node_namespace_id的缩写。是节点的命名空间id。

Identfier：节点的id的特征描述，根据data_type确定其的类型，可为number、string、bytestring等。

Node_ns_id和identifier二者可以确定服务器端地址空间内唯一的节点。

数据类型data_type分别：bool，number，string，byteString, DataText等类型。

Monitor_change：是否监视此节点在服务器端的变化。是指为1：服务器端此节点变化后需要通知客户端。设置为0，不通知。

1.1.3安全策略参数表

Check_id：同一安全策略下的参数的id；

Name：参数名称；

Value：参数值；

Desc：参数描述；

Enable：本安全策略是否启用，1启用，0 不启用。

OPC UA安全性包括三种：身份验证、授权加密、通过diqitalX.509证书的数据完整性。

数据表如下：

同一type代表同一安全策略下的参数配置；

SecurityMode为安全模式，安全模式有两种，一种为Sign，一种为Sign AndEncrypt。如果想要保证数据的完整性，则必须使用“Sign And Encrypt”。

1.1.4系统表

表数据：

1.2输出表

1.2.1结果表

Node_id为节点表的对应ID（非节点命名空间的ID）；

Value为此召唤节点的值；

Req_timestamp请求时间为调用发送API的时间；

rec_timestamp接收时间为应用层感知到数据的时间。

1.2.2日志表

Id：日志id；

Event：事件类型，对应于dev_id和node_id发生的事件

包括：服务器断开（无node_id）、服务器连接成功（无node_id）、数据读取失败、数据读取成功等。

1.3联动表

1.3.1指令表

此表的主要目的是描述了对OPCUA 的写操作，也叫指令动作表。

id: 指令id；dev_id:装置id；cmd_name：指令name。Cmd_desc:指令描述；

node_ns_id:要操作的节点的命名空间id；

node_identifier:要操作的节点的identifier。在这里一般指的是开关量；

Is_log:是否记录。

2.数据流程详细设计

2.1监视

运行过程中，检查是否有配置更新，如果存在配置更新则需要执行配置文件更新动作。更新成功需要重启应用。

2.2启动加载

加载解析规则，从表t_OPCUA_device查询全部数据，形成device列表，存储device的基本信息。

从表t_OPCUA_device中读取dev的安全策略，联合t_OPCUA_security表中配置的详细的参数，确定安全策略和参数。按照t_OPCUA_device中的exp_time与各device建立连接。

2.3确定监测

从表t_OPCUA_node中按照device，索取各个device的node描述，过滤node表中monitor_change=1的数据，依次将dev、node_id，node_identifier存储入监测实时变化节点列表。

过滤node表中monitor_change=0的数据，依次将dev、node_id，node_identifier存储到主动询问节点列表。

2.4监测发送

按照监测实时变化列表，主动监测多变量的变化。

2.5询问发送

按照主动询问节点列表依次发送读取各节点值的报文。初始发送后，更新各device的node的初次发送时间，按照t_OPCUA_device中的req_period更新下一次的发送时间，赋值到t_regular_log。

2.6数据接收

解析收到的数据，将数据值、发送时间、接收时间更新到t_OPCUA_result表中。并按照接收时间更新t_regular_log。

2.7联动

根据联动规则，联动。

2.8重连服务器

节点连接不成功后，启动重连服务器。并记录log日志

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构，其特征在于,所述OPCUA协议是边设备和OPCUA服务器之间的通讯协议，边设备相当于客户端；客户端根据点表向OPCUA服务器发送获取节点值的报文，OPCUA服务器返回相应的值后，客户端将此值和其属性存储在数据中心，以MQTT协议备上送云主站；

云主站为云平台，将OPCUA服务器的设备ID、节点ID信息发送给边设备，边设备接收后，向相应的OPCUA服务器发送采集指令，OPCUA服务器接受到节点采集指令后，将端设备的采集数据的节点值返回边设备，边设备将相应信息存储，后经云边协议传送给云平台。

2.一种如权利要求1基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构的方法,其特征在于,具体包括以下步骤：

S1云边通讯：

S11：配置下载；配置文件包含了OPC UA服务器端的IP地址、端口连接参数，边设备与OPC UA服务端连接的安全参数、需要采集的节点内容参数，配置文件在云平台配置后，通过文件下发db文件的配置，或者通过协议下发配置文件的内容给边设备，边设备接收配置文件后存储，待解析；

S12：配置解析；若为db文件下发，需对db文件的内容进行读取，分别解析；若为协议下发，需要根据云边协议对协议传输的配置条目内容进行提取，提取内容同db下发；

S13采集数据上送；针对OPC UA采集的数据，存储在数据库，针对云平台的配置，从数据库提取响应的数据，按照云边协议上传到云端；

S2边端通讯

边端通讯包括规则发送和规则接收，边设备发送读取节点值的OPCUA协议给OPCUA服务器端，从OPCUA服务器端获取节点的值；

S3数据存储

数据存储分为两种:数据中心和Sqlite数据库；

S4日志中心

日志中心为操作日志存储。

3.根据权利要求2所述的基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构的方法,其特征在于,步骤S12中若为db文件下发，需对db文件的内容进行读取，分别解析，其包括以下方式：解析各OPCUA 服务端的安全参数，存储安全参数；解析各OPCUA服务端的连接参数，存储连接参数；解析各OPCUA服务端的内容参数，存储节点ID及节点其它信息。

4.根据权利要求2所述的基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构的方法,其特征在于,步骤S2边端通讯包括以下步骤：

S21：根据配置的安全参数，确定安全策略；

S22：根据配置的连接参数，包括ip和端口，实现在安全策略下，与OPCUA服务器端的连接；

S23：确认连接后，根据配置的节点参数，调取OPCUA采集的API函数；

S24：解析得到的数据。

5.根据权利要求2所述的基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构的方法,其特征在于,步骤S3数据存储中数据中心为方便向云端推送值；Sqlite数据库为存储在本地，用于节点数据存储，其存储格式包括设备id、节点id、节点名称、节点值、单位、节点读取时间、节点存储时间。

6.根据权利要求2所述的基于OPCUA与MQTT协议的配网物联网通讯架构的方法,其特征在于,步骤S4中的操作日志存储包括：配置文件下载日志，用于存储配置文件的下载时间、下载结果；

连接情况日志，用于存储边设备与端设备连接的情况，包括端设备的IP，端口，连接时间，连接结果，其中连接结果包括连接成功时间、连接失败、连接超时；

读取节点情况日志：存储边设备读取OPCUA服务器节点的时间、读取成功\失败、读取超时；

存储节点数据日志，用于存储边设备存储节点数据的时间、存储大小、存储位置、结果。

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