CN115225505B - 一种物联网应用功能配置结构 - Google Patents

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Abstract

一种物联网应用功能配置结构，用于物联网中包括数据边缘处理的分布式处理，由功能模块Profile和Profile代理两部分构成。Profile是一个独立的数据处理单元，有自己的输入、输出和内部状态。Profile代理的功能是为Profile功能运行中，提供相应的环境支持，其中主要包括通信、数据的本地存储等。Profile的所有对外关联都通过Profile代理完成，两者之间的交互内容包括Profile和传感/执行终端之间的应用数据交换、Profile和服务端的应用数据交换、Profile和服务端的管理、配置、控制数据的交换。Profile代理完成对一个设备会聚节点所有Profile的管理。该结构依附于物联网整个体系的分布式计算机制，在统一定义的配置结构和数据结构的支持下，可以很容易地部署在网络中最有利的物理位置，以充分发挥其性能和功能。

Description

一种物联网应用功能配置结构
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体为一种物联网应用功能配置结构。
背景技术
随着物联网概念深入人心，各个领域的物联网应用系统越来越多，对系统的处理要求也越来越高。一个完善的物联网应用需要提供分布在云端、边缘和设备中的各种处理功能。这些处理功能包括：传感/执行数据的处理和转换(包括AI处理)、反馈控制、协议转换、设备配置管理等等。根据应用和系统的实际需要，这些数据处理功能应该可以分布在广域范围内的不同的节点上，例如对实时性要求不高的功能可以部署在云端的服务器上，对实时反馈要求高的功能需要部署在边缘的设备上。因此，如何灵活快速的实现物联网应用的端到端的连接、满足系统运行环境的开放性、解决网络时延带来的弊端，都是物联网应用系统需要解决的问题。
目前大多物联网应用系统都有一个共同的问题，系统模块耦合性较高，数据处理功能模块部署的位置比较固定。比如原本部署在云端服务器上的灯控功能，要根据新的需求，将其改变部署到边缘侧的设备上，这对系统的影响就非常大。不但需要重新开发相应功能，而且需要重启整个应用系统来实现系统的更新升级，无法灵活快速地满足客户需求。
发明内容
为了解决以上的不足，本发明提供了一种物联网应用功能配置结构。采用该配置结构可以将同一个功能模块的功能部署在不同的环境下，提高模块的可重用性和部署的灵活性。
本发明的技术方案如下：
物联网应用功能配置结构由功能模块(Profile)和功能代理(Profile代理)两部分构成。Profile是一个独立的数据处理单元，有自己的输入、输出和内部状态。Profile代理的功能是为Profile功能运行中，提供相应的环境支持，其中主要包括通信(最重要的部分)、数据的本地存储等。
Profile的所有对外关联都通过Profile代理完成。Profile与Profile代理之间的交互内容包含如下几个方面：
1)Profile和传感/执行终端之间的应用数据交换；
2)Profile和服务端的应用数据交换；
3)Profile和服务端的管理、配置、控制数据的交换。
Profile具有以下特征：
1)Profile包含五要素：触发条件、配置、内部运行状态、计算、输出。其中，触发主要来自Profile外部的输入，也有内部状态改变时引起的触发(例如内部的时间变化)；外部的触发输入可以是传感器、执行器终端的输出，也可以是服务器端发送的数据，还可以来自本地或远程的其它Profile，因为系统中，Profile与终端设备的地位等价。配置包括Profile被部署的节点位置等信息。
2)Profile的工作过程如下：
步骤一：生成触发条件。触发到达时，通过逻辑运算，生成条件。逻辑运算的输入包括触发输入所携带的数据和内部的状态数据。
步骤二：条件驱动计算。条件满足时，指定的计算单元根据输入和内部状态，进行计算，得到输出，对条件的响应由配置决定。
步骤三：输出计算结果。根据计算的结果产生输出，输出的目标可以是Profile的外部，也可以是包括Profile配置的内部状态的改变和存储。
3)无论对内对外，也无论是触发还是输出，交互时采用的数据格式保持一致，该数据格式同时也作为系统的内部、外部交互协议的基本数据结构。
Profile代理完成一个设备会聚节点所有Profile的管理，这种管理实现了以下功能：
1)路由和数据转发功能：节点所有与Profile相关的数据转发均通过Profile代理完成。Profile代理根据配置文件规则，解析所转发的数据，完成对Profile的寻址，并根据寻址的结果进行数据转发。
2)静态地址的管理功能：对每个Profile赋以局部的地址，根据此地址和其他参数确定数据转发的路由；
3)动态地址的管理功能：主要管理与部署在边缘汇聚节点上的Profile处理功能有关的输入和输出端点。
其中设备会聚节点可以是云服务器端、网关、或者物联网系统中其他的具有数据转发功能的节点。
Profile代理的特征在于具有Profile流表机制。所有上下行数据包都经过Profile流表机制的旁路和过滤，这种旁路和过滤对于边缘设备或服务端通信都是透明的。
Profile代理的工作步骤如下：
步骤一：负责对Profile进行寻址。
步骤二：流表根据预先的配置确定该数据包是否要经过某个Profile的处理。
步骤三：Profile代理将需要处理的数据包转发到相应的Profile。
步骤四：Profile代理接收来自Profile向外部的输出数据，根据其功能码和目标地址，确定其发送的方向(南向或北向)。在物联网应用系统中，应用端的方向为北向，物联网终端的方向为南向。
本发明中的应用功能配置结构需要使用统一的应用数据结构，才能保证在物联网系统的各个节点中方便的发布Profile。数据结构包含：连接参考标识、功能码、设备标识、端点标识、数据、以及校验字段。该数据结构可以用于以下目的：
1)传感/执行数据的交换；
2)计算单元参数和运算结果的数据交换；
3)控制执行命令的配置；
4)Profile和Profile代理的配置数据交换；
5)Profile和Profile代理的管理和状态数据交换。
物联网应用功能配置结构是一种二元结构，可以将其看作是SOA结构中的服务消费者和服务提供者的组合，例如，部署在云端的Profile可以看成是传感/执行终端的服务提供者，云端的Profile代理可以看成是服务消费者。物联网应用功能配置结构也可以被看作是终端设备和应用服务的组合，例如，部署在边缘的Profile等同于一个物联网的传感/执行终端，边缘侧的Profile代理可以看成应用服务。因此，从逻辑上来看，Profile南向接入的是传感/执行终端等效于传感/执行终端的实体；而其北向接口和一个传感/执行终端的接口等效。
物联网应用功能配置结构，主要用于物联网中包括数据边缘处理的分布式处理。该结构依附于物联网整个体系的分布式计算机制，在统一定义的配置结构和数据结构的支持下，数据处理模块可以很容易的部署在网络中最有利的物理位置，既可以被部署在网络边缘，也可以被部署在云端，以充分发挥其性能和功能。
有益效果：
1)为物联网应用提供相应的边缘或云端计算功能，简化分布式功能的部署，实现各种资源之间的无缝衔接。
2)在这一机制的支持下，可以根据需要灵活部署，使这些功能处于网络中最有利的物理位置，针对不同的需求来灵活的将不同的功能模块部署在云端或者边缘端，以充分发挥其性能和功能。
3)在本机制的支持下，可以实现物联网应用系统的松耦合。
4)物联网应用系统一般有较长的生命周期，在本机制的支持下，系统生命周期里，功能模块能够不断适应技术、框架或架构的升级；同样，功能模块的改变也不会对其所处环境产生影响。这种低耦合的特性有助于提高物联网应用系统的开发效率和系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例中Profile机制的框架图。
图2是本发明实施例中Profile与Profile代理的对象关系图。
图3是本发明实施例中基于应用功能配置结构的系统架构图。
图4是本发明实施例中应用功能配置结构使用的数据结构图。
图5是本发明实施例中现场灯光反馈控制Profile的实施例示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本发明提出了一种物联网应用功能配置结构，该结构包括功能模块(Profile)和功能代理(Profile代理)两部分。该结构提供了一种为物联网应用系统增加灵活性的机制。
Profile是一个独立的数据处理单元，有自己的输入、输出和内部状态。Profile代理的功能是为Profile功能运行中，提供相应的环境支持，其中主要包括通信(最重要的部分)、数据的本地存储等。Profile的所有对外关联都通过Profile代理完成。
图1是Profile机制的框架图。一个Profile代理可以管理多个Profile，无论北向通信还是南向通信，所有的数据都经过Profile代理过滤。根据配置文件的内容，Profile代理把数据转发给相应的Profile进行功能处理，并接收Profile返回的处理结果。Profile具有以下特征：
profile包含触发条件、配置、内部运行状态、计算、输出五要素。其中，触发主要来自Profile外部的输入，也有内部状态改变时引起的触发(例如内部的时间变化)；外部的触发输入可以是传感器、执行器的终端的输出，也可以是服务器端发送的数据，还可以来自本地或远程的其它Profile，因为系统中，Profile与终端设备的地位等价。配置包括profile被部署的节点位置等信息。
Profile的工作过程如下：
1)触发到达时，通过逻辑运算，生成条件，逻辑运算的输入包括触发输入所携带的数据和内部的状态数据。
2)条件驱动计算，条件满足时，指定的计算单元根据输入和内部状态，进行计算，得到输出，对条件的响应由配置决定。
3)计算的结果用于输出，输出的目标可以是Profile的外部，也可以是包括Profile配置的内部状态的改变和存储。
无论对内对外，也无论是触发还是输出，交互时采用的数据格式保持一致，该数据格式同时也作为系统的内部、外部交互协议的基本数据结构。
Profile代理具有以下特征：
1)负责对Profile的交互对象进行寻址；
2)所有上下行数据包都经过Profile流表机制的旁路和过滤；
3)这种旁路和过滤对于原有的网关或服务端通信是透明的；
4)流表根据预先的配置确定该数据包是否要经过某个Profile的处理；
5)Profile代理将需要处理的数据包转发到相应的Profile；
6)Profile代理接收来自Profile向外部的输出数据，根据其功能码和目标地址，确定其发送的方向(南向或北向)。
Profile与profile代理之间的关联包含如下几个方面：
1)Profile和传感/执行终端之间的应用数据交换；
2)Profile和服务端的应用数据交换；
3)Profile和服务端的管理、配置、控制数据的交换。
本发明提出的物联网功能配置结构主要用于物联网中包括数据边缘处理的分布式处理。该结构依附于物联网整个体系的分布式计算机制，在统一定义的配置结构和数据结构的支持下，Profile可以很容易的部署在网络中最有利的物理位置，既可以被部署在网络边缘，也可以被部署在云端，以充分发挥其性能和功能。
物联网应用功能配置结构是一种二元结构，可以将其看作是SOA结构中的服务消费者和服务提供者的组合，例如，部署在云端的Profile可以看成是服务提供者，云端的Profile代理可以看成是服务消费者。物联网应用功能配置结构也可以被看作是终端设备和应用服务的组合，例如，部署在边缘的Profile等同于一个物联网终端设备。
图2是Profile和Profile代理之间的对象关系图。Profile代理和Profile是调用和被调用的关系。服务端Profile代理与边缘Profile代理都继承了Profile代理基类。代理基类中定义了与Profile的交互接口，但由于服务端与边缘设备的硬件环境可能不同、开发语言可能不同，因此，在子类中加入了差异化代码。同理，Profile基类定义了独立的数据处理单元的相关属性和内部流程处理方法，功能Profile继承了Profile基类，增加了对数据边缘处理的功能，而由于服务端与边缘设备的硬件环境可能不同、开发语言可能不同，因此，在子类服务端Profile与边缘Profile中加入了差异化代码。Profile基类和Profile代理机制保证Profile的通用性，即同一个Profile既可以部署在网络边缘，也可以部署在服务端。但是对数据的核心处理功能是完全一致的。参考图2，Profile和Profile代理都是采用面向对象的方式来设计实现的，图中成员名就是指对象属性。
因此，对于某一种特定功能的Profile来说，部署在云端和边缘的功能模块是通用的，不同的只是在于其与自己对应的Profile代理的交互方式，后者是Profile接入整个物联网应用系统的接口。
图3是基于应用功能配置结构的系统架构图。客户端与服务器端的北向接口模块进行通信，服务器端的南向接口模块与网关的北向接口模块进行通信，网关通过自己的南向接口模块与多个边缘侧的传感终端和执行终端进行信息交互。Profile功能模块可以根据不同的程序功能需求灵活的部署在网关或服务器上。例如Profile_1到Profile_n部署在服务器端，由服务器端的Profile代理负责管理，Profile_n+1到Profile_m部署在网关上，由网关上的Profile代理负责管理。
通用的数据结构可以下发网关、代理、Profile、终端等的配置数据和管理数据，改变它们运行的行为，例如，通过下载Profile的规则数据，完成Profile处理规则的更新或改变，这些交互可以在运行时实现；与此同时，通过该机制，服务端也可以接收来自这些设备的运行状态信息，为管理提供依据。而程序的其余部分不受任何影响继续运行。
每个Profile代理都是Profile接入整个物联网应用系统的接口。Profile可以部署在服务器端，也可以部署在网络边缘，原则是部署在最适宜发挥其作用的位置。Profile代理的功能是为Profile功能运行中，提供相应的环境支持。
Profile代理完成一个设备会聚节点所有Profile的管理，这种管理实现以下功能：
1)路由和数据转发功能：节点所有与Profile相关的数据转发均通过Profile代理完成。Profile根据配置文件(规则)，解析所转发的数据，完成Profile的寻址，并根据寻址的结果进行转发。
2)静态标识(地址)的管理功能：对每个Profile赋以局部的地址，根据此地址和其他参数确定数据转发的路由；
3)动态标识(地址)的管理功能：主要管理与部署在边缘汇聚节点上的Profile处理功能有关的输入和输出端点。
在上述功能的支持下，Profile代理负责完成Profile的所有对外关联，包括：Profile和传感/执行终端之间的应用数据交换；Profile和服务端的应用数据交换；Profile和服务端的管理、配置、控制数据的交换。Profile代理根据预先的配置确定应用中的来自外部的数据包或内部产生的数据包是否要经过某个Profile的处理。Profile代理将需要处理的数据包转发到相应的Profile。Profile代理接收来自Profile向外部的输出数据，根据其功能码和目标地址，确定其发送的方向(南向或北向)。在物联网应用系统中，应用端的方向为北向，物联网终端的方向为南向。
本发明所指的应用配置功能体系遵从ITU-T Y.2060建议对物联网描述基本框架，将物联网分布式处理功能纳入应用服务和设备概念，达到统一处理的目标，便于处理功能的建立和使用；
应用功能配置结构采用统一的应用层通信协议，该协议同时用于从物联网终端设备到服务端应用服务的通信，该协议采用一条数据帧格式。Profile与Profile代理交互的数据交换格式也统一采用此数据帧格式，实现网络边缘和云端部署的计算模块，为物联网提供相应的边缘或云端计算功能。
图4是应用功能配置结构使用的数据帧格式的结构图。
本发明中的应用功能配置结构使用统一的应用数据结构，该数据结构包含以下内容：
1)连接参考REF，8bit无符号整型数，取值范围[0,256)。
2)功能码FNC，8bit无符号整型数。
3)设备标识TMA，32bit无符号整型数。
4)首个端点的端点标识EMA，16bit无符号整型数。
5)数据中包含的端点个数REG：8bit无符号整型数。
6)设备时间DTM：64bit整型数。
7)数据DAT：数据结构承载的数据，其字节数由数据类型(包含在端点标识中)和端点个数决定，但最大不超过1000字节。
8)2字节的CRC校验字段，在整个结构的最后。
该数据结构可以用于以下目的：
1)传感/执行数据的交换；
2)计算单元参数和运算结果的数据交换；
3)控制执行命令的配置；
4)Profile和Profile代理的配置数据交换；
5)Profile和Profile代理的管理和状态数据交换。
根据Profile部署的位置，可以完成多种不同的功能，云端部署完成系统的核心操作；部署在边缘，相较云端部署，这些功能在时延、可靠性和安全性方面更具优势。
边缘部署的Profile，可以更加实时地完成反馈控制功能。例如，实现现场数据的边缘处理，在边缘对重力加速度数据进行处理，提取需要的特征，形成虚拟的特征传感器，降低数据上传的流量；实现现场的反馈控制，根据现场条件(光照条件、红外热释电传感、人工开关等)的照明启闭控制，虽然可以在云端闭环，但现场闭环却有着摆脱对广域网通信的依赖、提高反应速度等优势。
图5是现场灯光反馈控制Profile的实施例。
现场灯光反馈控制实现的功能是根据用户的开关要求来控制现场一路或者多路灯光的亮灭。此时，Profile被部署在网关上，就等同于一个等效的终端设备。
在该应用中，有2个数据处理功能：接口协议转换、灯光反馈控制。这2个功能分别由2个Profile实现。网关上的管理模块根据事先设定好的采集周期，定期发送数据采集指令，该指令经过Profile代理的解析后，由网关的南向接口模块与光照传感器和红外热释电传感器进行数据交互，采集到的数据，由接口协议转换Profile进行处理，变成系统中统一的数据格式。同时，该标准格式的数据作为输入参数发送给灯光反馈控制Profile，在该Profile内部进行阈值的判断，并把判断结果输出给Profile代理。如果需要对相应的灯进行开关控制，Profile代理就会把数据发送给南向接口模块，由该模块与相应的被控设备进行交互。
在该应用中，Profile的主要功能为接收通过Profile代理发来的激励数据包，然后将数据包的内容和本Profile维持的状态数据作为规则的输入，产生输出。Profile解析数据包，提取其所需的数据时，解析的内容包括：连接参考标识；功能码；设备标识；端点标识和端点个数；数据包所携带的数据。
上述数据根据需要，全部或一部分作为规则处理的输入。
状态数据集合为一向量，向量的每个分量由{下标、字节数、值}组成的三元组表示。
Profile的输出可以是对外的执行数据包；也可以是对内的状态改变数据包。两种数据包在Profile内部作统一处理。Profile维护一个输出数据集合，该数据集合的定义可以随时修改，而Profile的任何一个输出是上述输出数据集合的一个子集。
作为等效的终端设备，灯光反馈控制Profile有以下端点，端点地址与对应的说明如下：
0x0010：执行命令列表的最大长度，8bit无符号整数，最大255；
0x0080：本机的设备ID，32bit无符号整数；
0x0081：本机的设备类型ID，32bit无符号整数；
0x0180：本机的IP地址，32bit无符号整数；
0x0190：上位机(网关或云端设备会聚)IP地址，32bit无符号整数；
0x0191：上位机设备ID，32bit无符号整数；
0x0192：上位机TCP端口号，32bit无符号整数，高16bit为全0，低16bit有效；
0x0193：上位机UDP端口号，32bit无符号整数，高16bit为全0，低16bit有效；
0x0240：执行命令列表，为设备解析的数据结构，所有命令数据均通过此端点交换；
0x241：条件列表；
0x242：规则列表；
0x243：内部状态列表。
当端点地址为0x240时，统一的应用数据帧格式说明如下：
size字段表示后续data字段的字节数；
data字段的第一个字节表示执行命令列表中要交换数据的第一个下标，第二个字节表示连续的命令数，以后的字节是顺序下标的命令二进制编码，以“～～”为定界符隔开；
功能码0x02、0x05为命令数据的下发，其中0x05应当返回功能码为0x06的证实帧；
收到下发的命令数据后，要更替命令列表中相应下标项中的命令；
功能码0x01为命令数据主动上传；
接收到功能码为0x03帧(命令请求)时，需以功能码为0x04发送响应帧，上传所请求的命令数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：
所述结构由功能模块Profile和功能代理Profile代理两部分构成；
Profile是一个独立数据处理单元，有自己的输入、输出和内部状态，其中要素包括：触发条件、配置、内部运行状态、计算、输出；触发来自Profile外部的输入、以及由内部状态改变时引起；配置包括Profile被部署的节点位置信息；
Profile代理为Profile功能运行提供相应的环境支持，其功能包括通信、数据的本地存储；Profile代理具有流表机制，所有上下行数据包都经过Profile流表机制的旁路和过滤，这种旁路和过滤对于边缘设备或服务端通信是透明的；
一个Profile代理管理多个Profile，北南向通信的所有数据都经过Profile代理过滤；根据配置文件的内容，Profile代理把数据转发给相应的Profile进行功能处理，并接收Profile返回的处理结果。
2.根据权利要求1所述的一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：Profile的所有对外关联都通过Profile代理完成，Profile与Profile代理之间的交互内容包含Profile和外部终端之间的应用数据交换、Profile和服务端的应用数据交换、Profile和服务端的管理、配置、控制数据的交换。
3.根据权利要求1所述的一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：Profile的工作过程为：
步骤一：生成触发条件；触发到达时，通过逻辑运算，生成条件；
步骤二：条件驱动计算；条件满足时，指定的计算单元根据输入和内部状态，进行计算，得到输出，对条件的响应由配置决定；
步骤三：输出计算结果；根据计算的结果产生输出，输出的目标是Profile的外部，或是包括Profile配置的内部状态的改变和存储。
4.根据权利要求1所述的一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：Profile代理对Profile的管理包括：路由和数据转发、静态地址的管理和动态地址的管理。
5.根据权利要求4所述的一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：路由和数据转发为，节点所有与Profile相关的数据转发均通过Profile代理完成；Profile根据配置文件规则，解析所转发的数据，完成Profile的寻址，并根据寻址的结果进行转发。
6.根据权利要求4所述的一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：静态地址的管理为，对每个Profile赋以局部的地址，根据此地址和其他参数确定数据转发的路由。
7.根据权利要求4所述的一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：动态地址的管理为，主要管理与部署在边缘汇聚节点上的Profile处理功能有关的输入和输出端点。
8.根据权利要求1所述的一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：Profile代理的工作过程如下：
步骤一：对Profile进行寻址；
步骤二：流表根据预先的配置确定该数据包是否要经过某个Profile的处理；
步骤三：Profile代理将需要处理的数据包转发到相应的Profile；
步骤四：Profile代理接收来自Profile向外部的输出数据，根据其功能码和目标地址，确定其发送的方向。
9.根据权利要求1所述的一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：该结构使用统一的应用数据结构，用于五种类型的数据交换，分别是终端数据的交换、计算单元参数和运算结果的数据交换、控制执行命令的配置、Profile和Profile代理的配置数据交换、Profile和Profile代理的管理和状态数据交换。
10.根据权利要求9所述的一种物联网应用功能配置结构，其特征在于：应用数据结构包含连接参考标识、功能码、设备标识、端点标识、数据以及校验字段。
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