CN114172928A - 一种物联网系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网系统的设计方法，属于物联网技术领域，一套物联网系统包含多个物联网节点、一个系统服务层和一个群组应用层；多个物联网节点共用一个系统服务层和一个群组应用层；根据主要数据流方向，物联网节点从下到上划分为智能设备层、数据传输层、设备交互层和节点应用层。每个物联网节点是由一组智能设备、数据传输链路、计算机、设备交互软件和节点应用软件系统组成的软硬件系统。通过本发明，可以开发出一套规范化化的物联网系统，通过群组应用层管理多个物联网节点，消除了物联网节点之间的数据壁垒，实现群组内物联网节点信息的互联互通，为物联网系统规范构建和高效普及应用提供技术基础。

Description

一种物联网系统的设计方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种物联网系统的设计方法。

背景技术

智能设备可以通过物联网技术进行互联互通，打破原有的数据壁垒和数据孤岛，实现万物互联。物联网技术在一定程度和范围内提高了数据的管理效率，为生活和工作提供了极大的便利。

但目前，国内各类物联网系统的软硬件开发和应用状况复杂。硬件存在智能设备种类和规格不一，通信协议各异的问题。软件存在各功能模块耦合度高，二次开发成本高且维护困难。此外，由于不同的应用场景对计算分析的功能要求不尽相同，导致物联网应用软件复用性差，系统迭代困难。物联网系统中的物联网节点间的划分不够清晰、明确，单个物联网节点的结构划分也缺乏统一的标准，使得物联网系统的开发效率低下，互联互通困难，延缓了物联网的发展进程。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种物联网系统的设计方法，实现物联网系统的规范构建及高效普及应用。

本发明的技术方案如下：

一种物联网系统的设计方法，给出了物联网的体系结构，包括：一套物联网系统由多个物联网节点、一个系统服务层和一个群组应用层构成；多个物联网节点共用一个系统服务层和一个群组应用层；根据主要数据流方向，物联网节点从下到上划分为智能设备层、数据传输层、设备交互层和节点应用层；

所述智能设备层是指物联网前端智能设备集合的总称，所述智能设备是指具有传感功能设备和控制功能设备的集合，每台智能设备具有通信接口，是物联网传感数据的重要来源和实现智能控制的载体；

所述数据传输层是智能设备和计算机之间通信链路集合的总称；

所述设备交互层是设备交互软件系统集合的总称，每个设备交互软件，负责与具体应用场景的一组智能设备进行交互，实现传感数据采集以及智能设备控制；

所述节点应用层是节点应用软件系统集合的总称，每个节点应用软件系统由复杂虚拟仪器（Complex Virtual Instrument,简称CVI）软件、数据库软件和节点互联接口软件三部分组成；

所述系统服务层是物联网系统提供的多个物联网节点所需公共微服务集合的总称；

所述群组应用层是群组应用软件系统集合的总称，由进行信息共享的物联网节点进行互联组成一个群组，每个群组应用软件负责群组内所有节点的综合信息访问和处理。

优选地，设备交互软件系统分为通用交互软件和特殊交互软件集合两部分，一个所述的物联网节点对应的智能设备根据需要分为一至多组，每个通用交互软件实现所述物联网节点对应的一组智能设备交互的总体控制，特殊交互软件集合中的每个特殊交软件实现一个具体类型智能设备的通信协议处理，由通用交互软件和特殊交互软件集合共同完成所述物联网节点的数据及状态采集和控制。

优选地，设备交互软件系统的通用交互软件向智能设备发送的通信命令和从智能设备收到的数据包，由对应的特殊交互软件进行处理，特殊交互软件将解析后的数据返回至通用交互软件，由通用交互软件按统一的数据格式，将物联网节点对应的一组智能设备的所有解析后的采集数据，发送给节点应用层中软件，当所述的物联网节点对应的智能设备发生改变时，只需减少或添加对应的特殊交互软件，不需要改变通用交互软件。

优选地，节点应用软件系统中，CVI软件用于从设备交互软件获取传感数据，并进行处理、分析和显示，负责和用户交互，通过设备交互软件实现智能设备的控制；数据库软件为CVI软件提供数据存储；节点互联接口软件为外部软件与CVI软件互操作提供相应接口，用于提供监控对象信息、智能设备信息、传感器管理信息和时间序列传感器数据。

优选地，CVI软件包括软件交互模块、控制台模块、功能组件群、数据管理组件；其中，功能组件群是由不同领域的CVI软件通用功能组件组成。

优选地，微服务包括数据计算分析微服务，针对多种应用场景的人工智能算法微服务和节点管理微服务；微服务遵循跨平台机制，采取冗余部署服务策略。

优选地，群组应用软件系统完成多个物联网节点的互联，存储群组内多个物联网节点的元数据，用户通过群组应用软件获取受其管理的物联网节点的元数据；群组应用软件通过向对应的节点互联接口软件发送元数据，获取对应的传感数据；所述群组应用层针对多种应用场景提供相应的群组应用软件，满足不同场景对物联网系统的功能的需求。

优选地，CVI通过向系统服务层相应微服务传递传感数据、采集时间数据和传感参数的特征数据，并调用系统服务层对应的微服务实现数据的分析和计算功能，系统服务层计算完毕后返回计算分析的结果。

优选地，设备交互软件系统、CVI软件、数据库软件、节点互联接口软件及系统服务层软件，根据应用场景需要部署在相同或者不同的计算机中。

本发明所带来的有益技术效果：

通过本发明，开发者可以开发出一套规范化的物联网系统，通过群组应用层管理多个物联网节点，消除了物联网节点之间的数据壁垒，实现群组内物联网节点信息的互联互通，为物联网系统规范构建和高效普及应用提供技术基础；且每层之间的逻辑各不相同，能够保障在需求发生改动的情况下最大限度的减少需要修改的内容，降低了软件开发和维护成本，从而有效推进了万物互联技术的发展；物联网节点的设备交互软件、CVI软件、数据库软件和节点互联接口软件，可以部署在相同或者不同的计算机中，系统服务层的微服务可以迁移至多个计算机节点，减少数据的传输成本，提高运行效率。

附图说明

图1为本发明一种物联网系统的总体结构；

图2为本发明一种物联网系统的设备交互软件系统模型；

图3为本发明一种物联网系统的节点应用软件系统结构；

图4为本发明一种物联网系统的CVI软件结构模型；

图5为本发明一种物联网系统CVI软件复用示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种物联网系统的总体结构如图1所示，一套物联网系统包含多个物联网节点、一个系统服务层和一个群组应用层；多个物联网节点共用一个系统服务层和一个群组应用层。本发明中的物联网节点具有四层结构：智能设备层、数据传输层、设备交互层和节点应用层。下面对一套物联网系统所包含的每一层进行详细说明。

1.智能设备层

智能设备层是物联网前端智能设备集合的总称。智能设备是指具有传感功能设备和控制功能设备的集合，每台智能设备具有通信接口，是物联网传感数据的重要来源和实现智能控制的载体。

智能设备可实现将传感器信号由模拟量转化成数字量，而且配备通信接口，具有通信功能。智能设备利用所配备的通信接口，可输出智能设备的传感数据和设备状态数据，实现计算机之间的信息交互。计算机可通过智能设备配备的接口，获取该智能设备相关数据或实现对智能设备硬件的控制。

智能设备可通过本身的通信接口与计算机相连。这种通信接口具有多种形式，常见的如串行接口、并行接口、有线网络接口和无线网络接口等。智能设备可通过传感器进行信息感知，常见的如温度、压力、流量等；也可输出控制信号实现控制功能，如直接数字控制器，通过输出不同脉宽比的脉冲信号，利用可控硅实现加热管的功率控制。

2.数据传输层

数据传输层是指智能设备和计算机之间的通信链路集合的总称。数据传输层的技术主要来自于成熟的网络及接口技术。硬的连接方式主要受智能设备接口方式的限制。通信接口种类主要包括RS-232、RS-485、有线以太网、无线Wi-Fi和ZigBee等。

3.设备交互层

设备交互层是设备交互软件系统集合的总称，每个设备交互软件系统，负责与具体应用场景的一组智能设备进行交互，实现传感数据采集以及智能设备控制。一种物联网系统的设备交互软件系统模型如图2所示，其中，一组智能传感设备具有n个类型，设备交互软件系统分为通用交互软件和特殊交互软件集合，通用交互软件实现智能设备交互的总体控制，特殊交互软件集合包括n个特殊交互软件，每个特殊交互软件对应一种传感设备类型，实现通信协议处理，通用交互软件和特殊交互软件都单独部署运行，由通用交互软件和特殊交互软件集合共同完成物联网节点的数据及状态采集和控制。由节点应用软件系统中CVI软件通过采集控制命令控制设备交互软件系统的启停，所述设备交互软件系统的通用交互软件向智能设备发送的通信命令和从智能设备收到的数据包，由对应的特殊交互软件进行处理，特殊交互软件将解析后的数据返回至通用交互软件，由通用交互软件按统一的数据格式，将所述物联网节点对应的一组智能设备的所有解析后的采集数据，发送给节点应用软件系统中CVI软件，当所述的物联网节点对应的智能设备发生改变时，只需减少或添加对应的特殊交互软件，不需要改变通用交互软件。。

设备交互流程开始后，节点应用层中CVI软件通过通信接口定期向设备交互软件发送采集控制命令，每条采集控制命令对应设备交互软件系统的一个采集周期，每个周期可分为步骤一至步骤四，描述如下：

步骤一、设备交互软件系统接收节点应用软件系统中CVI软件约定的采集控制命令；

步骤二、设备交互软件系统向智能设备发送对应的通信命令，并等待设备响应，数据包收完毕后将该数据包发送给对应的特殊交互软件；

步骤三、对应特殊交互软件收到数据包后，对数据包进行解析，将解析后的数据返回通用交互软件；

步骤四、循环执行步骤二和步骤三，直到通用交互软件收到所有智能设备的解析后数据，将这些数据按统一数据格式排列，发送给节点应用软件系统中的CVI软件。至此，一个数据采集周期完成。

4.节点应用层

节点应用层是物联网系统中节点应用软件系统集合的总称，节点应用软件系统由CVI软件、数据库软件和节点互联接口软件三部分组成，每部分都可独立部署运行，一种物联网系统的节点应用软件系统结构如图3所示。CVI软件用于从设备交互软件获取传感数据，并进行处理、分析和显示，负责和用户交互，还可通过设备交互软件系统实现智能设备的控制，数据库软件为CVI软件提供数据存储，节点互联接口软件为外部软件与CVI软件互操作提供相应接口，用于提供监控对象信息、智能设备信息、传感器管理信息和时间序列传感器数据。

一种物联网系统的CVI软件结构模型如图4所示，软件功能模块包括：

（1）软件交互模块：为保持各功能组件的复用性，不同组件应互相独立，为此，CVI软件设计了软件交互模块，通过该模块中的代码，实现不同组件的间接交互。

（2）控制台模块：用于实现CVI软件的用户界面，因此命名为控制台模块。不同的应用场景，应用软件的用户界面差别较大。

（3）功能组件群：由不同领域的CVI软件通用功能组件组成，如：传感曲线显示，传感数据列表显示等。功能组件的设计与开发，对于提高相应领域的节CVI软件开发效率，具有重要作用。

（4）数据管理组件：包含数据采集接口模块和设备控制接口模块。数据采集接口模块负责从设备交互软件系统获取传感数据，具体过程为：根据设定的采集周期，向设备交互软件系统发送规范化的数据采集命令，设备交互软件系统从智能设备获取传感数据后，解析成规范化的传感数据s₁至s_n后，发送给数据采集接口模块，数据采集接口模块收到传感数据后，交给数据管理组件内部进行处理。设备控制接口模块根据用户操作需要，负责向设备交互软件系统发送控制命令c₁至c_m，满足用户的智能设备控制需求。

节点应用软件系统中CVI软件通过调用系统服务层中的数据计算分析微服务对传感数据进行进一步的分析和利用。

节点应用软件系统中数据库软件为成熟的网络型数据库，如Oracle和Mysql等。通过访问数据库将接收到的传感数据进行存储并待进一步的使用。

节点应用软件系统的节点互联接口软件为外部软件与CVI软件互操作提供相应接口，接口功能包括获取所在物联网节点的节点元数据、传感器元数据、传感器数据和计算结果数据。

较佳地，CVI软件在不同场景可复用。为说明整体复用性，给出一种物联网系统CVI软件复用示意图，如图5所示。从该图可以看出，CVI软件A，在应用场景A中，通过设备交互软件系统A连接了智能设备集合A，在相似的应用场景B中，采用了新的智能设备集合B，在这种情况下，只需根据CVI软件系统A的输入接口，编写设备交互软件B，CVI软件系统A仍可继续复用，可显著节约软件开发成本。所述节点互联接口软件提供规范化的服务接口，用于实现多个物联网节点间的互联互通。为保证节点互联接口软件的通用性和实用性，根据不同应用领域需求的特点，可采用方法有Web Service、MQ、FTP和微服务等。

5.系统服务层

所述系统服务层是物联网系统提供的多个物联网节点所需公共微服务集合的总称，具体地，微服务包括数据分析计算的微服务以及针对多种应用场景的人工智能算法的微服务。微服务遵循跨平台机制，可以单独部署，彼此之间互不干扰。通过冗余部署服务的策略，可以防止某个服务器发生宕机，提高服务的可用性。

具体地，提供的微服务可分为三类：包括数据计算分析微服务，针对多种应用场景的人工智能算法微服务和节点管理微服务；微服务遵循跨平台机制，采取冗余部署服务策略。具体地，数据计算分析微服务按照功能进行细分，根据具体需求提供对应的数据计算分析微服务。人工智能算法微服务包含针对特定应用场景所需的智能问答、人脸识别、文字识别和目标检测等算法和模型。

其中，数据计算分析微服务根据具体的智能设备类型或应用场景可进一步细分，如在家电产品性能计算领域，有洗衣机微服务、冰箱微服务、空调微服务、热水器微服务和用户管理微服务等。具体地，以冰箱性能计算微服务为例，主要有储藏温度计算微服务、稳态功耗和化霜及恢复期耗电量增量计算微服务、装载耗电量计算微服务、防凝露加热器（辅助装置）耗电量微服务、年耗电量计算微服务以及耗电量优化之线性插值法计算耗电量微服务。根据传入的传感器的基本信息以及电压、电流、功率、耗电量、环境温度等数据，能够进行开机判定和停机判定，并对每个开停周期的开机和停机时长进行统计，以及开机时长与停机时长的比值计算，对指定时间段内的传感器进行算数平均值、积分平均值、最大值和最小值等计算，为每个性能参数提供准确计算。冰箱微服务描述如下：

1）冰箱储藏温度计算微服务(storageTemperatureTest)

冰箱储藏温度计算微服务提供基于标准的储藏温度的计算。测试人员或者相关系统开发者把采集到的传感数据封装好，调用此微服务进行储温计算，计算各间室温度是否满足家电测试标准中的要求。通过此微服务，能够自动标记约24个小时满足间室温度范围要求的温控周期，标记开始阶段和结束阶段时长大于3个小时的温控周期，标记化霜及恢复周期，并计算每个阶段各温度传感器的最大值、最小值和算数平均值，从而确定冰箱在规定条件下能够维持的温度。

2）冰箱耗电量计算微服务(powerConsumption)

冰箱耗电量计算微服务提供基于标准的稳定状态耗电量及化霜及恢复期耗电量的计算，通过调用该微服务计算冰箱在指定时间内稳定运行的功率消耗与温度的测定以及化霜及恢复期能量及温度的变化。

3）冰箱装载耗电量计算微服务(loadPowerConsumption)

冰箱装载耗电量计算微服务提供基于标准的装载耗电量的计算，通过调用该微服务，计算冰箱因移除所装载负荷的热量而消耗的额外能量，能更好的量化该冰箱的耗电量增量。

4）冰箱防凝露加热器耗电量微服务(heaterPowerConsumption)

冰箱防凝露加热器耗电量微服务提供了基于标准的防凝露加热器（辅助装置）耗电量计算方法。用户输入相关数据调用此微服务计算加热器的耗电量。

5）冰箱线性插值计算微服务(twoPointInterpolation)

冰箱线性插值计算微服务提供了基于标准的对耗电量值进行优化的计算方法，使冰箱的所有间室温度均小于等于各自的特性温度，从而得到一个最优的耗电量值。

6）冰箱年耗电量计算微服务(yearPowerConsumption)

冰箱年耗电量计算微服务提供了基于标准的综合年耗电量的计算微服务。使用者调用该微服务计算出在特定环境温度下的综合年耗电量，进而对冰箱耗电量进行总的评估。

人工智能算法微服务包括针对各种应用场景的常用模型和算法。具体地，针对图片分类，提供的模型包括ResNet、DenseNet和EfficientNet。针对目标检测，提供的模型包括Single Shot MultiBox Detector(SSD)、You Only Look Once(YOLO)和EfficientDet。针对智能问答，提供的模型包括Bidirectional Transformers(BERT)。针对时间序列数据分析，提供的模型包括Gated Res2Net(GRes2Net)和Temporal Convolutional Network(TCN)，针对文字识别，提供的模型包括Convolutional Recurrent Neural Network(CRNN)等。

节点管理微服务包括注册微服务和检索微服务。物联网节点通过注册微服务层完成注册，注册时，该物联网节点需向该微服务提供节点描述信息，包括IP地址和端口号等。通过检索微服务获得物联网节点的描述信息。

6.群组应用层

群组应用层是群组应用软件系统集合的总称，由可进行信息共享的物联网节点进行互联组成一个群组，每个群组应用软件系统负责群组内所有节点的综合信息访问和处理，是针对特定应用场景的一整套解决方案，通过调用和整合其余各层的功能，群组应用软件系统可同时控制多个物联网节点协同工作，满足复杂场景下应用物联网系统的要求。

群组应用软件系统完成多个物联网节点的互联，通过系统服务层检索微服务获取物联网节点的元数据，通过向对应节点互联接口发送元数据，获取对应的传感数据。群组应用层针对多种应用场景提供集成应用系统，满足不同场景对物联网系统的功能的需求，实现完整的解决方案。以智能停车场为例，通过调用人工智能算法微服务中的文字识别微服务，实现对待停车车牌号的记录，通过停车场内放置的智能设备，感知剩余的停车位数量和未被占用的停车位的位置，从而引导车辆停车并记录停车时间。

另外，物联网节点的设备交互软件系统、CVI软件、数据库软件和节点互联接口软件可以部署在相同或者不同的计算机上，系统服务层的微服务可以迁移至多个计算机节点。

上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种物联网系统的设计方法，其特征在于，一套物联网系统包含多个物联网节点、一个系统服务层和一个群组应用层；多个物联网节点共用一个系统服务层和一个群组应用层；根据主要数据流方向，物联网从下到上划分为智能设备层、数据传输层、设备交互层和节点应用层；

所述智能设备层是指物联网前端智能设备集合的总称，所述智能设备是指具有传感功能设备和控制功能设备的集合，每台智能设备具有通信接口，是物联网传感数据的重要来源和实现智能控制的载体；

所述数据传输层是智能设备和计算机之间通信链路集合的总称；

所述设备交互层是设备交互软件系统集合的总称，每个设备交互软件系统，负责与具体应用场景的一组智能设备进行交互，实现传感数据采集以及智能设备控制；

所述节点应用层是节点应用软件系统集合的总称，每个节点应用软件系统由复杂虚拟仪器（Complex Virtual Instrument,简称CVI）软件、数据库软件和节点互联接口软件三部分组成；

所述系统服务层是物联网系统提供的多个物联网节点所需公共微服务集合的总称；

所述群组应用层是群组应用软件系统集合的总称，由进行信息共享的物联网节点进行互联组成一个群组，每个群组应用软件系统负责群组内所有节点的综合信息访问和处理。

2.根据权利要求1所述物联网系统的设计方法，其特征在于，所述设备交互软件系统分为通用交互软件和特殊交互软件集合两部分，一个所述的物联网节点对应的智能设备根据需要分为一至多组，每个通用交互软件实现所述物联网节点对应的一组智能设备交互的总体控制，特殊交互软件集合中的每个特殊交互软件实现一个具体类型智能设备的通信协议处理，由通用交互软件和特殊交互软件集合共同完成所述物联网节点的数据及状态采集和控制。

3.根据权利要求1所述物联网系统的设计方法，其特征在于，所述设备交互软件系统的通用交互软件向智能设备发送的通信命令和从智能设备收到的数据包，由对应的特殊交互软件进行处理，特殊交互软件将解析后的数据返回至通用交互软件，由通用交互软件按统一的数据格式，将所述物联网节点对应的一组智能设备的所有解析后的采集数据，发送给节点应用层中软件，当所述的物联网节点对应的智能设备发生改变时，只需减少或添加对应的特殊交互软件，不需要改变通用交互软件。

4.根据权利要求1所述的一种物联网系统的设计方法，其特征在于，所述节点应用软件系统中，CVI软件用于从设备交互软件获取传感数据，并进行处理、分析和显示，负责和用户交互，通过设备交互软件实现智能设备的控制；数据库软件为CVI软件提供数据存储；节点互联接口软件为外部软件与CVI软件互操作提供相应接口，用于提供监控对象信息、智能设备信息、传感器管理信息和时间序列传感器数据。

5.根据权利要求书1所述的一种物联网系统的设计方法，其特征在于，所述CVI软件包括软件交互模块、控制台模块、功能组件群、数据管理组件；其中，功能组件群是由不同领域的CVI软件通用功能组件组成。

6.根据权利要求1所述的一种物联网系统的设计方法，其特征在于，所述微服务包括数据计算分析微服务，针对多种应用场景的人工智能算法微服务和节点管理微服务；微服务遵循跨平台机制，采取冗余部署服务策略。

7.根据权利要求1所述的一种物联网系统的设计方法，其特征在于，所述群组应用软件系统完成多个物联网节点的互联，存储群组内多个物联网节点的元数据，用户通过群组应用软件系统获取受其管理的物联网节点的元数据；群组应用软件系统通过系统服务层向对应的节点互联接口软件发送元数据，获取对应的传感数据；所述群组应用层针对多种应用场景提供相应的群组应用软件系统，满足不同场景对物联网系统的功能需求。

8.根据权利要求1所述的一种物联网系统的设计方法，其特征在于，所述CVI软件通过向系统服务层传递传感数据、采集时间数据和传感参数的特征数据，并调用系统服务层的相应微服务实现数据的分析和计算功能，系统服务层对应微服务计算完毕后返回计算分析的结果。

9.根据权利要求1所述的一种物联网系统的设计方法，其特征在于，设备交互软件系统、CVI软件、数据库软件、节点互联接口软件及系统服务层软件，根据应用场景需要部署在相同或者不同的计算机中。

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