CN114567620A - 一种基于mqtt协议的数字模型与物理设备匹配的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统及方法，系统包括云平台端、物联网网关和设备终端；云平台端与设备终端之间通过物联网网关处理数字化物模型进行数据识别匹配，通过MQTT协议进行数据通信；物联网网关实现设备终端与EMQ X消息代理服务器的通信连接；物联网网关上部署有物模型服务SDK，将云平台端下发数据转换为设备终端可执行的数据，云平台端与物模型服务SDK之间通过EMQ X相互连接；云平台端将数字化物模型通过物模型服务SDK与设备终端进行交互，物模型服务SDK调用物联网网关内置软件接口，在网关内生成数据处理节点，控制设备终端做出相应响应。本发明实现了设备从消息订阅到数据传输的一键部署，并提供稳定的数据交换服务。

Description

一种基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统及方法
技术领域
本发明涉及物联网应用领域，特别是涉及一种基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统及方法。
背景技术
随着物联网技术的不断成熟，其应用范围也越来越广，市场价值快速增长，物联网的市场规模正处于飞速扩张的趋势。物联网再次以技术进步推动人类生产方式、生活方式和生存方式的巨大变化,创造新兴技术市场和产业链。
MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，其具有协议简洁、小巧、可扩展性强、省流量、省电等优点，而且已经有PHP，JAVA，Python，C，C#，Go等多个语言版本，基本可以使用在任何平台上，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，所以特别适合用来当做物联网的通信协议。这些特点使它适用范围非常广泛，在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器(M2M)通信和物联网(IoT)，其在通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。它工作在TCP/IP协议基础上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议，契合物联网大部分应用场景的发布-订阅模式且专门针对低功耗目标而设计，符合当前低碳减碳的社会趋势。
因MQTT本身的各项技术优势，现有物联网设备越来越倾向于选用MQTT作为物联网产品通讯的标准协议，但是平台已建立的物模型如何快速与设备终端相匹配，物联网网关采集到终端数据后，如何自动地正确地判断数据与物模型的关系，即不需要手动配置网关和终端，这些已成为目前行业需要解决的棘手问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统及方法，通过部署运行物模型服务SDK解决了硬件内置程序不能自动解析物模型数据的弊端，实现了设备从消息订阅到数据传输的一键部署，并提供稳定的数据交换服务。
为解决上述技术问题，本发明的内容包括：
一种基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统，包括云平台端、物联网网关和设备终端；所述云平台端和设备终端均支持MQTT协议，所述云平台端与设备终端之间通过物联网网关处理数字化物模型进行数据识别匹配，通过MQTT协议进行数据通信；所述云平台端用于进行设备终端的生命周期管理、数据管理和状态管理；所述物联网网关与设备终端连接，物联网网关用于实现设备终端与EMQ X消息代理服务器的通信连接；所述物联网网关上部署有物模型服务SDK，物模型服务SDK用于将云平台端下发数据转换为设备终端可执行的数据，云平台端与物模型服务SDK之间通过EMQ X消息代理服务器相互连接；所述数字化物模型为云平台端与设备终端之间数据包的字段匹配，云平台端将数字化物模型通过物模型服务SDK与设备终端进行交互，物模型服务SDK调用物联网网关内置软件接口，在网关内生成数据处理节点，使得物联网网关与设备终端进行关联，控制设备终端做出相应响应。
进一步的，所述设备终端为物理设备，物理设备在正常运转时产生遥测信号或监测数据，并进行上报或执行收到的指令。
进一步的，所述EMQ X消息代理服务器为开源的MQTT broker消息代理服务器，用于将云平台端的MQTT消息分发至物模型服务SDK。
进一步的，所述设备终端包括电子芯片、智能仪表、电子模块、传感器以及控制器中的一种或多种。
进一步的，所述物联网网关为边缘网关硬件装置，其部署形式为单节点服务或者服务集群。
进一步的，所述物联网网关内置程序包括MQTT客户端和node-red中间件；所述MQTT客户端与云平台端连接，所述物模型服务SDK通过node-red与设备终端连接。
进一步的，所述物模型服务SDK设置有安全认证模块和SSL加密模块，所述安全认证模块用于对云平台端以及设备终端进行身份认证，SSL加密模块用于对封装后的MQTT数据进行加密处理。
一种应用所述系统的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、配置EMQ X消息代理服务器的代理订阅功能，使物模型服务SDK默认订阅云平台端的数字化物模型topic；
步骤S2、物模型服务SDK和云平台端以MQTT客户端形式连接至同一个EMQ X消息代理服务器；
步骤S3、在物模型服务SDK每次连接到消息代理服务器时，自动收到数字化物模型数据包，并且物模型服务SDK将获取到的数字化物模型数据进行缓存；
步骤S4、物模型服务SDK将物模型与设备终端的遥测值进行字段匹配，然后物模型服务SDK将匹配好的数据作为入参，发送http请求调用node-red程序接口；
步骤S5、node-red程序根据接口逻辑，自动生成符合物模型匹配规则的数据处理节点；所述的数据处理节点负责控制设备终端联动。
进一步的，所述步骤S4中，物模型服务SDK将物模型与设备终端的遥测值进行字段匹配，具体包括以下步骤：
步骤S41、物模型服务SDK将模型数据从缓存中取出；
步骤S42、将物模型数据key与匹配规则中的设备终端遥测值进行比较，若符合规则，将物模型中的这一条数据与设备终端这一项属性绑定，组成k-v键值对；依次对照物模型和设备终端各项遥测值，直到完成全部属性绑定。
进一步的，当使用者在云平台端改变了物模型内容或定义时，云平台端以MQTT协议通信方式，将修改后的物模型数据传输给物模型服务SDK，重新按步骤S3-S5的流程进行匹配。
本发明的有益效果是：
本发明改进了以往需要人工手动配置物联网网关的方式，通过部署运行物模型服务SDK解决了物联网网关内置程序不能自动识别物模型的弊端，提升网关与物模型的数据整合效率。本发明基于MQTT通讯协议，通过SDK调用物联网网关内置程序接口，可大大提高数据交互效率，数据可控性强。本发明可复用云平台端建立的物模型数据，只需要在接入的物联网网关上部署运行SDK即可，操作简便，适应性强，推广价值高。
附图说明
图1是本发明的数据流转示意图；
图2是本发明的MQTT消息交互示意图；
图3是本发明的步骤流程图。
具体实施方式
为便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
物模型服务SDK是用于解析物模型的代码包。SDK为软件开发工具包，本发明涉及的SDK，特指发明内容中的代码程序，用于辅助开发软件，功能包含：实现解析物模型，完成自动匹配逻辑，调用外部接口。在物联网网关上部署运行物模型服务SDK，可以有效减少程序员的工作量。
Node-red程序：本发明以node-red程序默认作为物联网网关内置程序。Node-red是构建物联网应用的一个开源工具软件，允许把预定义的节点连接组成一个逻辑流程来执行任务，这个构建预定义节点和组成流程的步骤，就是本发明所述的一实施例中的步骤之一。
如图1、2所示，本发明提供了一种基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统，包括云平台端、物联网网关和设备终端；云平台端和设备终端均支持MQTT协议，云平台端与设备终端之间通过物联网网关处理数字化物模型进行数据识别匹配，通过MQTT协议进行数据通信；云平台端用于进行设备终端的生命周期管理、数据管理和状态管理；物联网网关与设备终端连接，物联网网关用于实现设备终端与EMQ X消息代理服务器的通信连接；物联网网关上部署有物模型服务SDK，物模型服务SDK用于将云平台端下发数据转换为设备终端可执行的数据，云平台端与物模型服务SDK之间通过EMQ X消息代理服务器相互连接；数字化物模型为云平台端与设备终端之间数据包的字段匹配，云平台端将数字化物模型通过物模型服务SDK与设备终端进行交互，物模型服务SDK调用物联网网关内置软件接口，在网关内生成数据处理节点，使得物联网网关与设备终端进行关联，控制设备终端做出相应响应。
物联网网关具有广泛的接入能力，协议转换能力，并具备开发调试功能；设备终端为物理设备，包括电子芯片、智能仪表、电子模块、传感器以及控制器中的一种或多种，物理设备在正常运转时产生遥测信号或监测数据，并进行上报或执行收到的指令。EMQ X消息代理服务器为开源的MQTT broker消息代理服务器，用于将云平台端的MQTT消息分发至物模型服务SDK。
物联网网关为边缘网关硬件装置，其部署形式为单节点服务或者服务集群。物联网网关内置程序包括MQTT客户端和node-red中间件；MQTT客户端与云平台端连接，物模型服务SDK通过node-red与设备终端连接。物模型服务SDK设置有安全认证模块和SSL加密模块，安全认证模块用于对云平台端以及设备终端进行身份认证，SSL加密模块用于对封装后的MQTT数据进行加密处理。
如图3所示，本发明还提供了一种基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的方法，包括以下步骤：
步骤S1、配置EMQ X消息代理服务器的代理订阅功能，使物模型服务SDK默认订阅云平台端的数字化物模型topic。
EMQ X消息代理服务器提供从工业网关到云平台端的通讯支撑，支持主流工业总线协议与厂商协议，可以快速接入工业设备；在云平台端为工业物联网应用提供在云端的工业设备数据接入、数据存储以及提供和云端组态和应用的对接，方便工业互联网应用的快速开发；具备高稳定性，能够保证全天候运行，保证重要的工业数据稳定传输；数据接入与路由可达到毫秒级延时，保证工业数据监控的实时性。
步骤S2、物模型服务SDK和云平台端以MQTT客户端形式连接至同一个EMQ X消息代理服务器。
云平台端和物模型服务SDK连接至同一个EMQ X消息代理服务器，订阅同一个数字化物模型topic。根据MQTT协议要求，只有当定阅了某个主题后，才能收到相应主题的payload负载消息。采用EMQ X消息代理服务器的代理订阅功能使得客户端在连接建立时，不需要发送额外的SUBSCRIBE报文，便能自动建立预设的订阅关系。这样就免除了人工手动配置订阅topic的操作。物模型服务SDK在每次连接MQTT broker消息代理服务器时，都会从物模型topic获取到物模型数据，然后解析出具体所需内容。
步骤S3、在物模型服务SDK每次连接到消息代理服务器时，自动收到数字化物模型数据包，并且物模型服务SDK将获取到的数字化物模型数据进行缓存。
MQTT服务协议使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；使用LastWill和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制的特性；对负载内容的消息进行加密传输；使用TCP/IP提供网络连接；有三种消息发布服务质量；小型传输，开销很小(固定长度的头部是2字节)，协议交换最小化，以降低网络流量。
数字化物模型由云平台端创建和管理，可按topic下发至物模型服务SDK，其paylod负载内容包括下发主题、下发物模型设备唯一标识、下发时间、下发数据字段。数据包内容为网关接口需要的字段、匹配规则指定的键值对、数据类型编码，设备终端经纬度等信息。
步骤S4、物模型服务SDK将物模型与设备终端的遥测值进行字段匹配，然后物模型服务SDK将匹配好的数据作为入参，发送http请求调用node-red程序接口。
物模型服务SDK将模型数据从缓存中取出；将物模型数据key与匹配规则中的设备终端遥测值进行比较，若符合规则，将物模型中的这一条数据与设备终端这一项属性绑定，组成k-v键值对；依次对照物模型和设备终端各项遥测值，直到完成全部属性绑定。
物模型服务SDK将匹配完成的数据作为入参，以http请求发送网关内置node-red程序。需要的参数放至请求body，发送post请求调用接口，具体参数包含设备唯一标识，数据类型编码和匹配完成的数据。
步骤S5、node-red程序根据接口逻辑，自动生成符合物模型匹配规则的数据处理节点；数据处理节点负责控制设备终端联动。
node-red程序收到http请求后，根据传过来的参数处理数据，生成信息处理节点，该数据处理节点负责控制设备终端联动。
当使用者在云平台端改变了物模型内容或定义时，云平台端以MQTT协议通信方式，将修改后的物模型数据传输给物模型服务SDK，重新按步骤S3-S5的流程进行匹配。
本发明充分利用了MQTT可靠、轻巧、简单的特性，并实现了数字模型的继承和复用，以自动匹配的方式减少了人工手动介入的工作量，平台可快速与设备终端相匹配，提升了物联网系统在对接设备终端方面的工作效率。
本发明采用设备终端默认订阅MQTT broker的物模型topic主题的方式，以http请求调用终端内置软件接口，把所订阅的topic下发的物模型数据传入程序，生成与物模型相匹配的数据处理节点，以实现业务功能与设备终端的联动。
本发明通过MQTT消息订阅的模式，实现了设备终端对收到的数字模型的自动化匹配，改进了以往传统方式中的人工配置物模型的方法，解决了设备终端不能自动识别物模型的弊端，实现了设备从消息订阅到数据传输的一键部署，并提供稳定的数据交换服务。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统，其特征在于：包括云平台端、物联网网关和设备终端；所述云平台端和设备终端均支持MQTT协议，所述云平台端与设备终端之间通过物联网网关处理数字化物模型进行数据识别匹配，通过MQTT协议进行数据通信；所述云平台端用于进行设备终端的生命周期管理、数据管理和状态管理；所述物联网网关与设备终端连接，物联网网关用于实现设备终端与EMQ X消息代理服务器的通信连接；所述物联网网关上部署有物模型服务SDK，物模型服务SDK用于将云平台端下发数据转换为设备终端可执行的数据，云平台端与物模型服务SDK之间通过EMQ X消息代理服务器相互连接；所述数字化物模型为云平台端与设备终端之间数据包的字段匹配，云平台端将数字化物模型通过物模型服务SDK与设备终端进行交互，物模型服务SDK调用物联网网关内置软件接口，在网关内生成数据处理节点，使得物联网网关与设备终端进行关联，控制设备终端做出相应响应。
2.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统，其特征在于：所述设备终端为物理设备，物理设备在正常运转时产生遥测信号或监测数据，并进行上报或执行收到的指令。
3.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统，其特征在于：所述EMQ X消息代理服务器为开源的MQTT broker消息代理服务器，用于将云平台端的MQTT消息分发至物模型服务SDK。
4.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统，其特征在于：所述设备终端包括电子芯片、智能仪表、电子模块、传感器以及控制器中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统，其特征在于：所述物联网网关为边缘网关硬件装置，其部署形式为单节点服务或者服务集群。
6.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统，其特征在于：所述物联网网关内置程序包括MQTT客户端和node-red中间件；所述MQTT客户端与云平台端连接，所述物模型服务SDK通过node-red与设备终端连接。
7.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的系统，其特征在于：所述物模型服务SDK设置有安全认证模块和SSL加密模块，所述安全认证模块用于对云平台端以及设备终端进行身份认证，SSL加密模块用于对封装后的MQTT数据进行加密处理。
8.一种应用权利要求1-7任一所述系统的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤S1、配置EMQ X消息代理服务器的代理订阅功能，使物模型服务SDK默认订阅云平台端的数字化物模型topic；
步骤S2、物模型服务SDK和云平台端以MQTT客户端形式连接至同一个EMQ X消息代理服务器；
步骤S3、在物模型服务SDK每次连接到消息代理服务器时，自动收到数字化物模型数据包，并且物模型服务SDK将获取到的数字化物模型数据进行缓存；
步骤S4、物模型服务SDK将物模型与设备终端的遥测值进行字段匹配，然后物模型服务SDK将匹配好的数据作为入参，发送http请求调用node-red程序接口；
步骤S5、node-red程序根据接口逻辑，自动生成符合物模型匹配规则的数据处理节点；所述的数据处理节点负责控制设备终端联动。
9.根据权利要求8所述的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的方法，其特征在于：所述步骤S4中，物模型服务SDK将物模型与设备终端的遥测值进行字段匹配，具体包括以下步骤：
步骤S41、物模型服务SDK将模型数据从缓存中取出；
步骤S42、将物模型数据key与匹配规则中的设备终端遥测值进行比较，若符合规则，将物模型中的这一条数据与设备终端这一项属性绑定，组成k-v键值对；依次对照物模型和设备终端各项遥测值，直到完成全部属性绑定。
10.根据权利要求8所述的基于MQTT协议的数字模型与物理设备匹配的方法，其特征在于：当使用者在云平台端改变了物模型内容或定义时，云平台端以MQTT协议通信方式，将修改后的物模型数据传输给物模型服务SDK，重新按步骤S3-S5的流程进行匹配。
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