CN114390093B - 一种虚拟网关模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟网关模拟系统，包括数据存储模块，用于存储Mqtt连接配置信息、网关分类信息、网关下挂载的设备信息及网关的缓存数据；网关设备模拟模块，用于对网关关联的硬件进行模拟；数据采集模块，用于对网关的设备进行采集数据；通信模块，用于建立与物联网平台的连接和通信；通信协议库，用于封装网关与物联网平台通信的协议；人机界面，用于参数配置的输入、数据展示，对实时通信进行监控。本发明实现硬件的通信和采集功能，提供大量设备，进而提供大量数据支撑平台的开发，再进一步可实现性能测试；因子的可设置，实现了某些功能的特殊要求，进行减少开发和测试成本；提供消息监控功能，方便对协议的检错以及追踪通讯的错误。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种虚拟网关模拟系统。
背景技术
物联网产业中，网关设备，作为解决“物联网”的数据传感和数据传输的关键技术设备，具有广泛的用途，在物联网中承担重要的一环。。在物联网平台的开发过程，以及开发完之后平台解决方案的维护、展示和宣传都需要物联网网关和感知设备的数据支持，意味着一旦缺少，就会耽误开发、测试进度和展示效果不佳的问题。厂商需要提供硬件，就要承担一定的硬件成本。
现有技术存在的问题是，对于同家厂商而言，在未对客户进行软件交付之前，所提供的网关设备和感知设备都需要自己承担硬件成本。
因此现有技术还有待于进一步发展。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种虚拟网关模拟系统，能够解决现有技术中对于同家厂商而言，在未对客户进行软件交付之前，所提供的网关设备和感知设备都需要自己承担硬件成本的技术问题。
本发明实施例的第一方面提供一种虚拟网关模拟系统，包括：
数据存储模块，用于存储Mqtt连接配置信息、网关分类信息、网关下挂载的设备信息及网关的缓存数据；
网关设备模拟模块，用于对网关关联的硬件进行模拟；
数据采集模块，用于对网关的设备进行采集数据；
通信模块，用于建立与物联网平台的连接和通信；
通信协议库，用于封装网关与物联网平台通信的协议；
人机界面，用于参数配置的输入、数据展示，对实时通信进行监控；
数据存储模块包括：
Mqtt协议配置单元，用于配置Mqtt连接信息，建立网关与Mqtt服务器的连接并通信；
网关分类存储单元，用于对网关进行分类，生成解决方案或项目并存储；
设备信息存储单元，用于对网关、设备及因子的关系进行存储；
缓存数据存储单元，用于对网关、设备、因子相关的数据和连接信息进行存储；
网关设备模拟模块，包括：
网关模拟单元，用于对硬件网关进行模拟；
设备模拟单元，用于对硬件设备进行模拟；
因子模拟单元，用于对设备采集的监测因子进行模拟；
所述系统还包括：
协助调度管理模块，用于响应从人机界面发送的请求参数，并对数据存储模块进行操作后，再将结果返回至人机界面；
所述通信模块，具体包括：
数据连接单元，用于通过设置好的连接配置，建立与Iot Hub的连接；
消息发布单元，用于发布由协助调度管理模块执行的上行消息；
消息订阅单元，用于订阅由物联网平台发来的下行消息；
所述数据采集模块具体用于：
监测因子获取单元，用于获取感知设备对应的监测因子；
采集单元，用于对监测因子的实时监测值进行采集；
所述采集单元包括：
采集因子类型获取单元，用于读取采集因子的类型；
采集操作执行单元，用于根据采集因子的类型执行对应的采集操作；
所述系统还包括：
IOT Hub管理模块，用于集成多种Mqtt协议IOT Hub的模块；
系统还包括：
IOT Hub管理模块，用于集成多种Mqtt协议IOT Hub的模块；
所述采集操作执行单元具体包括：
第一执行单元，用于若采集因子为执行类型，输出固定值；
第二执行单元，用于若采集因子为感知类型，获取感知类型的因子，若感知类型的因子为求均值且采集类型是固定值类型，输出固定值；若感知类型的因子为求均值且采集类型是随机值类型，输出取值范围内的随机值；
若感知类型的因子为求累加值且采集类型是固定值类型，将当前值累加固定值；若感知类型的因子为求累加值且采集类型是随机值类型，将当前值累加取值范围内的随机值。
本发明实施例提供的技术方案中，系统包括数据存储模块，用于存储Mqtt连接配置信息、网关分类信息、网关下挂载的设备信息及网关的缓存数据；网关设备模拟模块，用于对网关关联的硬件进行模拟；数据采集模块，用于对网关的设备进行采集数据；通信模块，用于建立与物联网平台的连接和通信；通信协议库，用于封装网关与物联网平台通信的协议；人机界面，用于参数配置的输入、数据展示，对实时通信进行监控。本发明实现硬件的通信和采集功能，提供大量设备，进而提供大量数据支撑平台的开发，再进一步可实现性能测试；因子的可设置，实现了某些功能的特殊要求，进行减少开发和测试成本；提供消息监控功能，方便对协议的检错以及追踪通讯的错误。
附图说明
图1为本发明实施例中一种虚拟网关模拟系统的一实施例的模块示意图；
图2为本发明实施例中一种虚拟网关模拟系统的一实施例的虚拟网关的组成示意图；
图3为本发明实施例中一种虚拟网关模拟系统的一实施例的数据采集流程图；
图4为本发明实施例中一种虚拟网关模拟系统的一实施例的虚拟网关人机界面示意图；
图5为本发明实施例中一种虚拟网关模拟系统的一实施例的数据监测页面示意图。
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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术的物联网网关在物联网平台的开发过程，以及开发完之后平台解决方案的维护、展示和宣传都需要物联网网关和感知设备的数据支持，意味着一旦缺少，就会耽误开发、测试进度和展示效果不佳的问题。厂商需要提供硬件，就要承担一定的硬件成本。
接入环境复杂，布线难度大。一些感知设备是需要放入水里，或者接入到电路中，像这样需要特定环境的感知设备，也有不少。加之可能要接入大量设备，布线难度加大，需要更多的成本。
无法提供稳定的值支持平台功能的开发测试。在开发过程中，需要设备的特定采集值才能触发报警或联动，实际的硬件很难提供或者无法提供稳定的值。
无法提供大量设备进行开发测试。在比较大的解决方案下，厂商不可能提供的大量的感知设备来进行解决方案的测试，无法保证解决方案功能的稳定性和性能的优化。
针对现有技术中存在的问题，本发明将传统的硬件网关的功能以软件的形式做成一个虚拟的网关软件，即将硬件功能软件化。解决无实际网关下，代替硬件网关实现与平台之间的物联网通讯，提供设备信息和设备数据，并协助平台进行相关功能的开发和测试。
以下结合附图对本发明实施例进行详细的描述。
请参阅图1，图1为本发明实施例中一种虚拟网关模拟系统的一个实施例的模块示意图。如图1所示，系统1包括：
数据存储模块，用于存储Mqtt连接配置信息、网关分类信息、网关下挂载的设备信息及网关的缓存数据；
网关设备模拟模块，用于对网关关联的硬件进行模拟；
数据采集模块，用于对网关的设备进行采集数据；
通信模块，用于建立与物联网平台的连接和通信；
通信协议库，用于封装网关与物联网平台通信的协议；
人机界面，用于参数配置的输入、数据展示，对实时通信进行监控。
具体实施时，本发明实施例的虚拟网关系统用以模拟硬件设施，提供物联网通信。数据存储模块：用于Mqtt配置、解决方案/项目、网关/设备/因子的数据存储和缓存网关数据。网关设备模拟模块用于虚拟网关软件的操作的主要对象，等价于硬件的网关。数据采集模块用于采集感知设备的监测因子的实时的监测值。通信模块用于建立与物联网平台的连接和通信，通信协议库用于封装网关与物联网平台通信的协议。人机界面用于参数配置的输入、数据展示、实时通信的监控情况。通信协议库包括网关与物联网平台通信的协议。封装通信协议的格式，用于与平台建立共同话语。解析通信协议，用于协助调度模块内部数据的调用。
进一步地，数据存储模块包括：
Mqtt协议配置单元，用于配置Mqtt连接信息，建立网关与Mqtt服务器的连接并通信；
网关分类存储单元，用于对网关进行分类，生成解决方案或项目并存储；
设备信息存储单元，用于对网关、设备及因子的关系进行存储；
缓存数据存储单元，用于对网关、设备、因子相关的数据和连接信息进行存储。
具体实施时，如图2所示，数据存储模块，包括Mqtt(Message Queuing TelemetryTransport，消息队列遥测传输)连接配置、解决方案/项目、网关/设备/因子的数据存储和缓存网关数据，所存数据包括以下：
Mqtt连接配置定义了配置名称、连接地址、端口、账号、密码等信息。通过配置建立网关与MQTT服务器的连接，并通讯。
解决方案/项目用于对网关的分类，定义了名称和父子关系。解决方案下是项目，解决方案为父层，项目为子层。一个解决方案下有多个项目，用父子关系构建。解决方案是父层，项目是子层，解决方案下是指子层。
网关/设备/因子三者关系：网关下挂载多个设备，设备可挂载多个因子。
缓存数据包括网关、设备、因子和连接信息。
进一步地，网关设备模拟模块，包括：
网关模拟单元，用于对硬件网关进行模拟；
设备模拟单元，用于对硬件设备进行模拟；
因子模拟单元，用于对设备采集的监测因子进行模拟。
具体地，网关模拟单元用于虚拟网关软件的操作的主要对象，等价于硬件的网关。
设备模拟单元用于网关关联的设备，等价于硬件的设备。
因子模拟单元用于设备的监测的属性因子，是主要采集的对象值。
网关/设备/因子模块，网关用于虚拟网关软件的操作的主要对象，等价于硬件的网关，设备等价于硬件设备，因子等价于实际设备采集的监测因子。
网关—设备—因子三者以这种关联关系，对应了实际硬件的关系，原本需要特定的连接环境和复杂的布线关系，就可通过配置轻松达到。设备的个数和类型通过页面的设置，支持每个网关拥有不同个数、不同类型的设备。这样，软件不需要复杂的布线、多样的环境，就可方便的提供网关、设备这些设施。
进一步地，系统还包括：
协助调度管理模块，用于响应从人机界面发送的请求参数，并对数据存储模块进行操作后，再将结果返回至人机界面。
具体实施时，协助调度管理模块：模块统筹，用于调度各个模块。主要是响应从人机界面发送的请求参数并对数据库进行操作，再将结果返回，达到可配置，可交互。除此之外调度定时采集，建立Mqtt连接，维护网关与物联网平台的通信。
进一步地，通信模块，具体包括：
数据连接单元，用于通过设置好的连接配置，建立与Iot Hub的连接；
消息发布单元，用于发布由协助调度管理模块执行的上行消息；
消息订阅单元，用于订阅由物联网平台发来的下行消息。
具体实施时，通信模块用于建立与物联网平台的连接和通信；每一个网关都会从已配置好的Mqtt连接进行选择，通信模块将通过设置好的连接配置，建立与Iot Hub的连接；然后发布由协助调度管理模块执行的上行消息，订阅由物联网平台发来的下行消息。
主要的一些通信情况如下：
网关进行连接操作，将通过配置的Mqtt连接配置，将网关与Iot Hub(Internet ofThings Hub，物联网连接平台)建立连接，是消息通信的桥梁。Iot Hub通过主流的物联网协议(如MQTT)通讯，可以在智能设备与云端之间建立安全的双向连接。
之后通过入网操作，将网关和设备的信息转换为网关和设备入网格式的消息，再将消息发送到Iot Hub，物联网平台订阅网关消息，又从Iot Hub上订阅到消息，物联网平台得到消息，将信息录入到数据库，达到数据同步。
当网关为连接状态时，可对网关进行断开连接，Iot Hub感知到连接断开，自动将网关设定好的离线消息发送到物联网平台上，通过订阅的方式。
入网之后，通过出网操作，将网关的信息从物联网平台中移除。
除此之外，在连接状态下，入网情况下，新增/删除/修改的设备和监测因子，将自动将变动的信息发送到物联网平台，保持数据一致性。
进一步地，数据采集模块具体用于：
监测因子获取单元，用于获取感知设备对应的监测因子；
采集单元，用于对监测因子的实时监测值进行采集。
具体实施时，数据采集模块用于采集感知设备的监测因子的实时的监测值。数据采集模块针对网关的设备进行采集数据。网关配置采集频率，按秒为单位；软件内部用采集频率设置定时间隔，定时触发采集任务。每个网关分配一定资源，每个设备的监测因子都会为其设置一个采集值或者采集范围，这个数据会存储到数据库中，再读入到缓存中。通过网关的每一次采集，读取值，再根据采集的类型进行不同操作。
可选的，采集单元包括：
采集因子类型获取单元，用于读取采集因子的类型；
采集操作执行单元，用于根据采集因子的类型执行对应的采集操作。
具体实施时，当采集值是固定值，那么网关采集到的数据就是初始值或者现有值加固定累加值；如果采集值是随机值，那么网关采集到的数据就是有固定范围而生成的随机值或者是现有值加随机值。这样一来，用户只需要通过改变设备监测因子的采集值，即可产生需要的值。
可选的，采集操作执行单元具体包括：
第一执行单元，用于若采集因子为执行类型，输出固定值；
第二执行单元，用于若采集因子为感知类型，获取感知类型的因子，若感知类型的因子为求均值且采集类型是固定值类型，输出固定值；若感知类型的因子为求均值且采集类型是随机值类型，输出取值范围内的随机值。
若感知类型的因子为求累加值且采集类型是固定值类型，将当前值累加固定值；若感知类型的因子为求累加值且采集类型是随机值类型，将当前值累加取值范围内的随机值。
具体实施时，监测因子类型可分成两种：执行类型和感知类型。
执行类型：指对监测因子可读可写，或用于监测因子写数据的读取的。例如开关：开关因子可读可写，既可执行开启/关闭开关，也可读取开关状态；另一种情况，用状态因子读取开关因子的现有状态。
感知类型：除执行类型之外，用于监测因子的读取，无法写入。例如温度、湿度、智能电表等。感知类型现分两种：均值类，数据统计是通过取均值的，例如温度因子是取均值表示各时段的情况。累加值类，数据统计是通过取最大值，例如电表是取最大值表示各时段的情况。
采集流程参阅图3，详细步骤如下：
读取采集因子的类型。类型是执行类型，直接读取固定值；对执行类型而言只有固定值。类型是感知类型，见下一步。
感知类型的因子，分两种：一种是求均值的类型，一种求累加值的类型。
求均值的采集类型是固定值类型，直接输出固定值；是随机值类型，输出取值范围内的随机值。
求累加值的类型会存储一个当前值，来存放累加之后的值。采集类型是固定值类型，将当前值累加固定值；是随机值类型，将当前值累加取值范围内的随机值。
可选的，系统还包括：
IOT Hub管理模块，用于集成多种Mqtt协议IOT Hub的模块。
具体实施时，集成多种Mqtt协议IOT Hub的模块，有Emqx(Erlang/Enterprise/Elastic MQTT Broker)、阿里云IOT Hub、腾讯云IOT Hub等IOT Hub。上述实例只是针对一种IOT套件，有局限性。实际网关也能集成多种，为了更好的兼容。其中Emqx是基于Erlang/OTP平台开发的开源物联网MQTT消息服务器。
可选的，人机界面还用于当网关处于连接状态的情况下，将所有通讯消息单独展示在一个页面。
具体实施时，人机界面，用于参数配置的输入、数据展示、实时通信的监控情况。请参阅图4，此图是人机界面的首页，对应网关、解决方案、Mqtt配置的主要界面操作入口。
除此之外实时通信的监控情况，主要是对网关数据的监控，监控到每一个网关的收发情况。请参阅图5，当网关处于连接状态的情况下，所有有关通讯的消息，将单独在一个页面进行展示。通过WebSocket方式，页面持续接收由物联网平台和虚拟网关上下行消息，发布是当前虚拟网关发送的消息，订阅是物联网平台发送过来的消息，这样对双方的通信一目了然，方便对协议的检错以及追踪通讯的错误。通过筛选按钮，可单独显示上行消息、下行消息、清空当前消息栏。
在一些其他的实施例，系统还包括设备管理模块：配置更加详细的设备，包含各种类型的设备，包含现有的感知设备、联动设备。
在一些其他的实施例中，系统还包括多协议集成模块：集成多种协议，并不局限于Mqtt协议，有XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol,可扩展通讯和表示协议)协议、CoAP(The Constrained Application Protocol)协议等。XMPPJ是基于可扩展标记语言(XML)的协议，它用于即时消息(IM)以及在线现场探测。CoAP是一种计算机协议，应用于物联网，基于REST架构。
本发明的另一种变形方案，将虚拟网关原本连接的虚拟设备，变形为可连接实际的设备，将虚拟网关当成一个替换真实网关的应用。
在其他的变形方案中，系统还包括设备管理模块，设备管理模块可配置更加详细的设备，包含各种类型的设备，包含现有的感知设备、联动设备。
在其他的变形方案中，系统还包括多协议集成模块，多协议集成模块用于集成多种协议，协议包括并不局限于Mqtt协议，有XMPP协议、CoAP协议等。
本发明可实现硬件的通信和采集功能，同时也表现了网关、设备、因子三者之间的关系，达到简化部署和提供大量设备，进而提供大量数据支撑平台的开发，再进一步可进行性能测试，实现性能优化；因子的可设置，实现了某些功能的特殊要求，进而减少开发和测试成本；提供消息监控功能，方便对协议的检错以及追踪通讯的错误。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种虚拟网关模拟系统，其特征在于，包括：数据存储模块，用于存储Mqtt连接配置信息、网关分类信息、网关下挂载的设备信息及网关的缓存数据；
网关设备模拟模块，用于对网关关联的硬件进行模拟；
数据采集模块，用于对网关的设备进行采集数据；
通信模块，用于建立与物联网平台的连接和通信；
通信协议库，用于封装网关与物联网平台通信的协议；
人机界面，用于参数配置的输入、数据展示，对实时通信进行监控；
所述数据存储模块包括：
Mqtt协议配置单元，用于配置Mqtt连接信息，建立网关与Mqtt服务器的连接并通信；
网关分类存储单元，用于对网关进行分类，生成解决方案或项目并存储；
设备信息存储单元，用于对网关、设备及因子的关系进行存储；缓存数据存储单元，用于对网关、设备、因子相关的数据和连接信息进行存储；
所述网关设备模拟模块，包括：
网关模拟单元，用于对硬件网关进行模拟；
设备模拟单元，用于对硬件设备进行模拟；
因子模拟单元，用于对设备采集的监测因子进行模拟；
所述系统还包括：
协助调度管理模块，用于响应从人机界面发送的请求参数，并对数据存储模块进行操作后，再将结果返回至人机界面；
所述通信模块，具体包括：
数据连接单元，用于通过设置好的连接配置，建立与Iot Hub的连接；
消息发布单元，用于发布由协助调度管理模块执行的上行消息；
消息订阅单元，用于订阅由物联网平台发来的下行消息；
所述数据采集模块具体用于：
监测因子获取单元，用于获取感知设备对应的监测因子；
采集单元，用于对监测因子的实时监测值进行采集；
所述采集单元包括：
采集因子类型获取单元，用于读取采集因子的类型；
采集操作执行单元，用于根据采集因子的类型执行对应的采集操作；
所述系统还包括：
IOT Hub管理模块，用于集成多种Mqtt协议IOT Hub的模块。
所述人机界面还用于当网关处于连接状态的情况下，将所有通讯消息单独展示在一个页面；
所述采集操作执行单元具体包括：
第一执行单元，用于若采集因子为执行类型，输出固定值；
第二执行单元，用于若采集因子为感知类型，获取感知类型的因子，若感知类型的因子为求均值且采集类型是固定值类型，输出固定值；若感知类型的因子为求均值且采集类型是随机值类型，输出取值范围内的随机值；
若感知类型的因子为求累加值且采集类型是固定值类型，将当前值累加固定值；若感知类型的因子为求累加值且采集类型是随机值类型，将当前值累加取值范围内的随机值。
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