CN114500583A - 一种基于mqtt协议的配电物联网实时通信方法 - Google Patents

一种基于mqtt协议的配电物联网实时通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法，通过订阅/发布机制下的主题快速匹配和请求/响应机制下的同步传输保证配电物联网数据传输的实时性。本发明提出的订阅/发布机制下的主题快速匹配方法为在MQTT代理服务器处理终端设备和控制中心的主题订阅、主题发布请求时，通过主题分层生成关键字key，以构建关键字分层树，并将消息主题与关键字分层树的层主题进行匹配，实现MQTT的主题快速匹配。本发明提出的请求/响应机制下的同步传输方法为在传统MQTT协议订阅/发布主题机制的基础上增加一条请求/响应连接作为同步转发通道，以支持终端设备、MQTT代理服务器和控制中心之间的请求/响应同步传输机制，满足终端设备出现异常情况时的同步通信需求。

Description

一种基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法
技术领域
本发明属于电力物联网技术领域，具体涉及一种基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法。
背景技术
随着技术发展，物联网技术可以对配电设备进行集中控制、优化管理与运行、监测配电设备的状态信息、快速诊断故障，从而达到高可靠运行、高质量供电、降低损耗和提供优质服务的目标，解决传统配电环节耗费巨大、工效不佳的困难与挑战。但是，随着配电物联网持续深化建设，海量智能终端不断接入低压配电物联网，数据采集量不断增大，导致服务器在传输监测数据时延迟较大，难以满足控制中心的实时监控需求，从而无法及时通知配电室管理人员以消除隐患。因而，保障配电物联网设备监测数据的实时传输，降低误操作风险和防止安全隐患已成为当前急需解决的一项重要工作。基于发布/订阅机制的MQTT协议能够充分满足配电物联网实时通信需求。MQTT是一种轻量级跨平台消息传输协议，采用发布/订阅的异步通信机制，可以实现发布者和订阅者之间的时间解耦、空间解耦和同步解耦，两个终端之间的通信由MQTT代理服务器根据需要分发消息，降低了传统点对点消息队列方式的排队时延。现有MQTT协议通过发送心跳包保持长连接，在此机制下，MQTT代理服务器向终端设备发送消息，终端设备接收成功后在最短时间内作出响应，快速实现网络数据交互，从而满足配电物联网终端设备与控制中心的实时通信需求。但是，现有基于MQTT协议的配电物联网通信方法仍然存在一些技术挑战，总结如下。
第一，基于配电物联网的海量设备通信需求，MQTT代理服务器作为协助匹配终端设备主题和控制中心主题的第三方，通常要完成成千上万的主题匹配任务，然而受限于紧缺的资源，主题匹配耗时巨大，使得数据传输时间成本过高，无法满足数据实时传输需求。并且MQTT主题是以主题层级分隔符“/”进行层级分隔的，主题中存在单层通配符“+”和多层通配符“#”，采用传统字符串逐个比较的方式进行主题匹配效率低下，无法满足配电物联网实时性的需求。
第二，目前MQTT协议采用异步传输的订阅/发布模式，终端设备与控制中心之间通过MQTT代理服务器完成数据传输。在出现异常情况时，由于终端设备与控制中心订阅/发布消息不同步，相较于请求/响应模式，无法保证终端设备和控制中心之间数据的实时传输。
因此，迫切需要设计一种基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法，解决主题匹配耗时大和订阅/发布消息不同步的问题，以降低配电物联网数据传输时延，满足实时通信需求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法。
技术方案：本发明的系统模型主体包括：终端设备、MQTT代理服务器和控制中心。其特征在于：终端设备、控制中心各与MQTT代理服务器之间建立两条连接，分别为订阅/发布连接和请求/响应连接。其中，订阅/发布连接是用于发布和订阅主题的TCP连接，请求/响应连接通道是用于同步通信的TCP连接。本发明的基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法包括如下部分。
1、初始化。
在初始化阶段，终端设备和控制中心向MQTT代理服务器请求注册，并生成对应的身份信息，同时，终端设备和控制中心需要进行周期保活操作，即在无报文发送时，终端设备与控制中心按照保活周期定时向MQTT代理服务器发送心跳请求报文PINGREQ，MQTT代理服务器向终端设备和控制中心发送心跳响应报文PINGRESP来维持终端设备与MQTT代理服务器、控制中心与MQTT代理服务器之间建立的订阅/发布连接。系统初始化过程描述如下。
S1：终端设备和控制中心通过订阅/发布连接通道分别向MQTT代理服务器发送基础身份信息ID和注册请求。
S2：MQTT代理服务器将终端设备的基础身份信息ID和控制中心的基础身份信息ID分别设置为对应的MQTT用户名，并利用密码散列函数算法生成一串散列值，根据预设规则选择一个或多个散列值作为MQTT动态密码。
S3：MQTT代理服务器将MQTT用户名和MQTT动态密码打包生成身份验证信息存储到用户数据库中。
S4：MQTT代理服务器将身份验证信息分别转发给发送注册请求的控制中心和终端设备。
S5：终端设备和控制中心分别与MQTT代理服务器进行周期保活操作。在无报文发送时，终端设备与控制中心按照保活周期定时向MQTT代理服务器发送心跳请求报文PINGREQ，MQTT代理服务器向终端设备和控制中心发送心跳响应报文PINGRESP来维持终端设备与MQTT代理服务器、控制中心与MQTT代理服务器之间建立的订阅/发布连接。
2、基于订阅/发布机制的主题快速匹配方法。
系统初始化后，控制中心向MQTT代理服务器发送订阅消息，MQTT代理服务器接收到订阅消息后解析得到订阅主题，通过主题分层生成关键字key，以构建关键字分层树为控制中心订阅消息。终端设备向MQTT代理服务器发送发布消息，MQTT代理服务器接收到发布消息后解析得到发布消息主题，将发布消息主题与关键字分层树进行匹配，根据匹配结果确定订阅该发布主题的订阅用户信息，然后将发布消息转发给订阅用户。关键字分层树创建和匹配过程描述如下：
（1）MQTT代理服务器创建关键字分层树。
S1：MQTT代理服务器获得一个MQTT订阅主题后，使用主题层级分隔符“/”将订阅主题分割成若干层，在收到的MQTT订阅主题中查找订阅主题中的第一个“/”，将“/”之前的部分作为关键字分层树第一层要添加的层主题。
S2：根据S1确定要添加的层主题，利用关键字生成函数生成对应的关键字key，并将生成的关键字key与该层其他层主题对应的关键字key对比，若找到相同的关键词key，则查找订阅主题中的第二个“/”，重复S1、S2，并将下一层添加的层主题节点作为该层主题节点的子节点，以此类推。若没有找到相同的关键词key，则创建该层主题节点
（2）MQTT代理服务器匹配关键字分层树。
MQTT代理服务器等待终端设备的发布消息到达，当有发布消息到达时，解析消息获得发布消息主题，将发布消息主题分层并与关键字分层树进行匹配。若匹配成功，则MQTT代理服务器将发布消息转发给订阅用户；若匹配失败，则丢弃该发布消息。发布消息匹配过程描述如下。
S1：MQTT代理服务器获得一个MQTT发布主题后，使用主题层级分隔符“/”将发布消息主题进行分层，然后查找发布消息主题中的第一个主题层级分隔符“/”，并将“/”之前的部分作为当前要与关键字分层树匹配的层主题。
S2：确定该层要匹配的层主题后，根据发布消息主题中要匹配的部分利用关键字生成函数生成对应的关键字key，并将生成的关键字key与关键字分层树该层中其他层主题对应的关键字key对比，若找到相同的关键词key，则查找消息主题中要匹配的层主题的层级分隔符“/”后是否有通配符，若有，则执行S1；若没有，则查找该层主题节点的子节点，然后查找发布主题中的第二个“/”，重复S1、S2，以此类推。若没有找到相同的关键词key，则匹配失败，丢弃该发布消息。
S3：如果当前要匹配的层主题的通配符为多层通配符“#”，即可以匹配该层主题内的任何层次，则遍历当前层主题节点的子节点以及子节点的子节点直至最后一层。例如，订阅finance/#，可以匹配finance，finance/stock，finance/stock/ibm。遍历完成后，当前主题节点的子节点以及子节点的子节点对应的订阅主题与发布主题匹配成功，MQTT代理服务器将发布消息转发给订阅用户。如果当前要匹配的层主题的通配符为单层通配符“+”，即仅仅匹配一个主题层次，则遍历当前层主题节点的所有子节点，每个子节点都查找发布主题中的“/”进行下一层的匹配。例如，订阅finance/+/ibm，可以匹配finance/stock/ibm，finance/cmd/ibm，不可以匹配finance/stock/cmd/ibm。若发布主题与关键字分层树的关键字只在出现单层通配符“+”的层级不一致，则匹配成功，MQTT代理服务器将发布消息转发给订阅用户；否则，匹配失败，丢弃该发布消息。
3、基于请求/响应机制的同步传输方法。
当终端设备出现异常情况时，终端设备发送请求消息给MQTT代理服务器，MQTT代理服务器将请求消息转发给控制中心，控制中心将所收到的请求消息进行解析，并发送响应消息给MQTT代理服务器，MQTT代理服务器将响应消息传输给终端设备来处理。完成请求/响应过程后，终端设备和控制中心可通过请求/响应连接通道实现数据的同步传输。MQTT代理服务器请求/响应消息的转发过程描述如下。
S1：首先，终端设备向MQTT代理服务器发送的请求消息和终端设备的身份验证信息。然后，MQTT代理服务器收到终端设备发送的消息后，对连接请求中终端设备的身份验证信息进行验证。若终端设备发送的身份验证信息与用户数据库中的身份验证信息一致，则终端设备身份认证成功，可以建立终端设备和MQTT代理服务器之间的请求/响应连接；若不一致，则终端设备身份认证失败，无法建立请求/响应连接。最后，MQTT代理服务器将收到的请求消息放到请求消息缓存池中。
S2：MQTT代理服务器从请求消息缓存池中获取终端设备发送的请求消息，并选取MQTT代理服务器集群中负载最小的服务器作为最佳推送服务器，然后将终端设备的请求信息、MQTT代理服务器的身份验证信息和最佳推送服务器地址转发给控制中心。
S3：控制中心收到请求信息和MQTT代理服务器的身份验证信息后，首先对MQTT代理服务器的身份验证信息进行验证，若MQTT代理服务器发送的身份验证信息与预存储的身份验证信息一致，则身份认证成功，可以建立控制中心和MQTT代理服务器之间的请求/响应连接；若不一致，则身份认证失败，无法建立请求/响应连接。然后，控制中心将响应消息发送给MQTT代理服务器。
S4：MQTT代理服务器收到控制中心发送的响应消息后，将收到的响应消息放到响应消息缓存池中，并将请求消息缓存池中相应的请求消息移除。
S5：MQTT代理服务器从响应消息缓存池中获取控制中心发送的响应消息，将响应信息和最佳推送服务器地址转发给终端设备。
S6：终端设备收到响应消息后向MQTT代理服务器返回一个确认帧。
S7：MQTT代理服务器收到终端设备发送的确认帧后，将请求响应缓存池中相应的响应消息移除。
S8：MQTT代理服务器完成请求/响应消息转发过程后，最佳推送服务器将收到的终端设备/控制中心发送的消息立即转发给控制中心/终端设备，实现数据的实时传输。
4、关闭连接。
当终端设备与控制中心需要下线时，终端设备与控制中心向MQTT代理服务器发送请求/响应DISCONNECT报文关闭请求/响应连接通道。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点。
1、MQTT代理服务器处理终端设备和控制中心的订阅/发布消息时，通过主题分层生成关键字key，以构建关键字分层树，并将发布消息主题与关键字分层树的层主题进行匹配，实现MQTT订阅/发布机制下的主题快速匹配。当订阅主题数量很多时，相较于传统主题匹配的方式能够有效的提高主题匹配速度，保证数据传输的实时性。
2、在传统基于订阅/发布方式的基础上增加一条请求/响应连接作为同步转发通道，以支持终端设备、MQTT代理服务器和控制中心之间的请求/响应同步传输机制。在此基础上，选取MQTT代理服务器集群中负载最小的服务器作为最佳推送服务器，最佳推送服务器在收到终端设备和控制中心发送的消息后立即转发，通过请求/响应同步传输机制和同步转发消息以支持终端设备和控制中心之间的实时通信，减少数据传输时延，为终端设备连接控制中心提供实时的消息服务。
附图说明
图1是系统模型图。
图2是MQTT代理服务器创建分层主题树示意图。
图3是MQTT代理服务器匹配关键字分层树流程图。
具体实施方式
下面结合附图1和附图2对基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法作详细介绍。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1所示为系统模型图。本发明公开的系统模型主体包括：终端设备、MQTT代理服务器和控制中心。其特征在于：终端设备、控制中心各与MQTT代理服务器之间建立两条连接，分别为订阅/发布连接和请求/响应连接。其中，订阅/发布连接是用于发布和订阅主题的TCP连接，请求/响应连接通道是用于同步通信的TCP连接。在转发请求/响应消息时，选取MQTT代理服务器集群中负载最小的服务器作为最佳推送服务器，通过最佳推送服务器立即转发终端设备和控制中心之间所需传输的消息。
如图2所示为创建关键字分层树示意图。MQTT代理服务器创建分层主题树过程描述如下。
S1：MQTT代理服务器获得一个MQTT订阅主题后，使用主题层级分隔符“/”将订阅主题分割成若干层，在收到的MQTT订阅主题中查找订阅主题中的第一个“/”，将“/”之前的部分作为关键字分层树第一层要添加的层主题。
S2：根据S1确定要添加的层主题，利用关键字生成函数生成对应的关键字key，并将生成的关键字key与该层其他层主题对应的关键字key对比，若找到相同的关键词key，则查找订阅主题中的第二个“/”，重复S1、S2，并将下一层添加的层主题节点作为该层主题节点的子节点，以此类推。若没有找到相同的关键词key，则创建该层主题节点。
例如，当前关键字分层树为final/a，订阅主题为final/b和item/a。首先收到订阅主题final/b，查找关键字分层树第一层层主题节点，关键字分层树第一层存在层主题节点final，则继续查找关键字分层树第二层层主题节点，关键字分层树第二层不存在层主题节点b，则将新添加的层主题节点b作为第一层层主题节点final的子节点。然后收到订阅主题item/a，查找关键字分层树第一层层主题节点，关键字分层树第一层不存在层主题节点item，则在关键字分层树第一层创建层主题节点item，继续查找层主题节点item下的子层主题节点，不存在子层主题节点a，将新添加的第二层层主题节点a作为第一层层主题节点final的子节点。
如图3所示为MQTT代理服务器匹配关键字分层树流程图。MQTT代理服务器等待终端设备的发布消息到达，当有发布消息到达时，解析消息获得发布消息主题，将发布消息主题分层并与关键字分层树进行匹配。若匹配成功，则MQTT代理服务器将发布消息转发给订阅用户；若匹配失败，则丢弃该发布消息。发布消息匹配过程描述如下。
S1：MQTT代理服务器获得一个MQTT发布主题后，使用主题层级分隔符“/”将发布消息主题进行分层，然后查找发布消息主题中的第一个主题层级分隔符“/”，并将“/”之前的部分作为当前要与关键字分层树匹配的层主题。
S2：确定该层要匹配的层主题后，根据发布消息主题中要匹配的部分利用关键字生成函数生成对应的关键字key，并将生成的关键字key与关键字分层树该层中其他层主题对应的关键字key对比，若找到相同的关键词key，则查找消息主题中要匹配的层主题的层级分隔符“/”后是否有通配符，若有，则执行S3；若没有，则查找该层主题节点的子节点，然后查找发布主题中的第二个“/”，重复S1、S2，以此类推。若没有找到相同的关键词key，则匹配失败，丢弃该发布消息。
S3：如果当前要匹配的层主题的通配符为多层通配符“#”，即可以匹配该层主题内的任何层次，则遍历当前层主题节点的子节点以及子节点的子节点直至最后一层。例如，订阅finance/#，可以匹配finance，finance/stock，finance/stock/ibm。遍历完成后，当前主题节点的子节点以及子节点的子节点对应的订阅主题与发布主题匹配成功，MQTT代理服务器将发布消息转发给订阅用户。如果当前要匹配的层主题的通配符为单层通配符“+”，即仅仅匹配一个主题层次，则遍历当前层主题节点的所有子节点，每个子节点都查找发布主题中的“/”进行下一层的匹配。例如，订阅finance/+/ibm，可以匹配finance/stock/ibm，finance/cmd/ibm，不可以匹配finance/stock/cmd/ibm。若发布主题与关键字分层树的关键字只在出现单层通配符“+”的层级不一致，则匹配成功，MQTT代理服务器将发布消息转发给订阅用户；否则，匹配失败，丢弃该发布消息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.本发明专利提供了一种基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法，通过订阅/发布机制下的主题快速匹配和请求/响应机制下的同步传输保证配电物联网数据传输的实时性；系统模型主体包括：终端设备、MQTT代理服务器和控制中心；其特征在于：终端设备、控制中心各与MQTT代理服务器之间建立两条连接，分别为订阅/发布连接和请求/响应连接；其中，订阅/发布连接是用于发布和订阅主题的TCP连接，请求/响应连接通道是用于同步通信的TCP连接；在转发请求/响应消息时，选取MQTT代理服务器集群中负载最小的服务器作为最佳推送服务器，通过最佳推送服务器立即转发终端设备和控制中心之间所需传输的消息。
2.根据权利要求1所述的一种基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法；其特征在于订阅/发布机制下的主题快速匹配方法为在MQTT代理服务器处理终端设备和控制中心的主题订阅、主题发布请求时，通过主题分层生成关键字key，以构建关键字分层树，保证配电物联网中MQTT协议订阅/发布机制下的主题快速匹配。
3.根据权利要求1所述的一种基于MQTT协议的配电物联网实时通信方法；其特征在于请求/响应机制下的同步传输方法为在传统MQTT协议订阅/发布主题机制的基础上增加一条请求/响应连接作为同步转发通道，以支持终端设备、MQTT代理服务器和控制中心之间的请求/响应同步传输机制，满足终端设备出现异常情况时的同步通信需求；在此基础上，选取MQTT代理服务器集群中负载最小的服务器作为最佳推送服务器，通过最佳推送服务器立即转发终端设备和控制中心之间所需传输的消息，以实现实时通信。
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