TWI638270B - Highly scalable Internet of Things cloud service system - Google Patents

Abstract

一般新設備之擴充，也需對應的軟體控制協定來控制與管理新增裝置，習知軟體控制協定都是在閘道器上執行，所以在擴充多樣的裝置時，需增加對應的軟體控制協定模組，同樣會受限於閘道器本身運算能力與記憶體；且必須根據不同的閘道器硬體平台開發對應的軟體通訊協定，所以在軟體版本的控管上，須對不同平台開發與維護，因而需要投入更多的研發成本與時間。透過本系統架構，能根據新增物聯網裝置提供對應的控制協定與控制邏輯，並可提供多人連線與跨平台行動裝置使用，而不再受限於習知閘道器硬體設備。

Description

高擴充性物聯網雲端服務系統

本發明係一種雲端服務系統，尤指一種應用於物聯網的雲端服務系統。

一般智慧家庭的服務控制，其軟體控制協定與受控裝置之收容，都是透過單一閘道器執行，所以當欲擴增多樣的受控裝置時，常常會受限於閘道器的硬體介面、記憶體以及核心處理能力，如中華民國專利號I234961的「應用於無線網路之家電控制裝置」，僅能藉由單一頻率無線技術，來控制同頻率之多個受控裝置，無法達成不同頻率之設備控制；中華民國專利號I520525的「自動組態與無線擴充之主機系統」，雖已初步解決擴充性之問題，但在面對多元服務之需求時，亦難以用單一之管控機制來處理及實現，往往需投入很多成本針對不同平台開發維護。

因此，提供具備更高擴充彈性的物聯網服務系統，使得智慧家庭用戶能快速且方便地擴充不同應用服務之系統，顯然是本領域亟待解決之問題。

為解決前揭之問題，本發明之目的係提供具備高擴充彈性的物聯網服務系統架構，以因應消費者多元的服務需求，並讓服務提供者能 更有效率的擴大佈署智慧家庭服務。

本發明之次要目的，在於提供一種物聯網雲端服務系統架構，使得電信業者可充分利用既有之數據機設備，來增值以及應用於物聯網環境多元服務應用，並讓服務應用之瓶頸不再受限於單一硬體設備。

為達上述目的，本發明提出一種高擴充性物聯網雲端服務系統，其包含至少一訊息交換裝置、至少一無線轉換器、至少一行動控制模組以及一雲端平台。訊息交換裝置是為訊息導向中介軟體(MOM，Message-oriented Middleware)系統的訊息中繼站(Broker)，以提供議題(Topic)之訂閱與管理，無線轉換器是訊息導向中介軟體系統的客戶端，無線轉換器以一通訊協定與至少一受控裝置進行通訊，並向訊息交換裝置訂閱與受控裝置對應的一輸入指令議題及一回覆狀態議題，無線轉換器從輸入指令議題中取得一控制指令訊息，以控制受控裝置，以及將受控裝置產生的一狀態訊息發佈至回覆狀態議題，行動控制模組提供發出一控制指令，並接收一設備狀態資訊，雲端平台是訊息導向中介軟體系統的客戶端，其連接至行動控制模組，雲端平台向訊息交換裝置訂閱輸入指令議題及回覆狀態議題，雲端平台於接受控制指令後，將之轉換成控制指令訊息並發佈至輸入指令議題，並從回覆狀態議題取得狀態訊息後，將之轉換成設備狀態資訊並將之傳送給行動控制模組。

綜上所述，本發明至少包含下列優點：

1.本發明提出的一種具備高擴充彈性的物聯網系統架構，藉由將原本裝設於家中內網的閘道器裝置上的控制邏輯及通訊協定之軟體模組，建置於雲端平台中，免除了更新或擴充服務時，受到閘道器裝置 的硬體規格限制之問題。

2.本發明提出的系統架構，可提供多人連線與跨平台行動裝置使用。

3.本發明提出的雲端系統架構未來可延伸提供虛擬化閘道器，可取代實體閘道器功能，進而解決閘道器服務受地區性限制問題，以提供社群化的物聯網應用服務。

1‧‧‧雲端平台

2、2A、2B、2C‧‧‧行動控制模組

3、3A、3B‧‧‧訊息交換裝置

4、4A、4B、4a、4b、4c‧‧‧無線轉換器

5、51-56‧‧‧受控裝置

100‧‧‧外網

200、200A、200B‧‧‧內網

11‧‧‧共通性資料存取模組

12‧‧‧IO控制邏輯資料模組

13‧‧‧遠端IO管理模組

14‧‧‧IO通訊協定模組

21‧‧‧UI介面

22‧‧‧遠端控制單元

23‧‧‧行動網路單元

31‧‧‧雲端平台註冊模組

32‧‧‧IO伺服器

33‧‧‧無線網路模組

41‧‧‧無線通訊模組

42‧‧‧IO連線模組

43‧‧‧受控裝置通訊模組

圖1係為本發明高擴充性物聯網雲端服務系統之系統架構圖。

圖2係為本發明的雲端平台的系統架構圖。

圖3係為本發明的行動控制模組的系統架構圖。

圖4係為本發明的訊息交換裝置的系統架構圖。

圖5係為本發明的無線轉換器的系統架構圖。

圖6係為本發明高擴充性物聯網雲端服務系統一實施範例的系統架構圖。

圖7係為本發明高擴充性物聯網雲端服務系統的系統初始化的運作流程圖。

圖8係為本發明高擴充性物聯網雲端服務系統進行控制的運作流程圖。

圖9係為本發明高擴充性物聯網雲端服務系統進行查詢的運作流程圖。

以下將描述具體之實施例以說明本發明之實施態樣，惟其並非用以限制本發明所欲保護之範疇。

請參閱圖1，本發明高擴充性物聯網雲端服務系統包含雲端平台1、行動控制模組2、訊息交換裝置3以及無線轉換器4。

其中，訊息交換裝置3和無線轉換器4是位於內網200中，而行動控制模組2和雲端平台1是位於外網100中，其中，內網200並不限於家中網路，亦有可能是辦公室或其他場域之區域網路。具體而言，雲端平台1透過Ethernet網路連接至網際網路，行動控制模組2則透過行動通訊網路(3G/4G)連接至網際網路，以達成兩者互連。

訊息交換裝置3是為訊息導向中介軟體架構中的訊息中繼站(Broker)，以提供議題(Topic)之訂閱與管理。具體而言，其為一閘道器或電信數據機設備，其上安裝相應的軟體以實現其功能。

無線轉換器4是MOM的客戶端(Client)，客戶端向作為訊息中轉站的訊息交換裝置3訂閱(Subscribe)議題，藉由議題的發佈(Publish)以達到控制、查詢、同步狀態資訊等效果。其具體之技術內容已揭露於中華民國專利I520525中，在此僅說明與本發明相關之部分。

無線轉換器4以一通訊協定與至少一受控裝置5進行通訊，其中，通訊協定可為有線或無線的通訊協定，例如ZigBee、Bluetooth、RS-485或Zwave等。而受控裝置5，舉例來說，可能為家中的電燈開關、監控特定訊號的感測器、監視器、冰箱、電視等應用實體，其藉由安裝相應的通訊模組以與無線轉換器4進行通訊。

無線轉換器4並向訊息交換裝置3訂閱與受控裝置5對應的一輸入指令議題及一回覆狀態議題，無線轉換器4從輸入指令議題中取得一控制指令訊息，以控制受控裝置5，以及將受控裝置5產生的一狀態訊息發佈至回覆狀態議題。

行動控制模組2為一軟體模組，安裝於使用者的電腦裝置(例 如智慧型手機、平板電腦、PC等)上，其可以各式程式語言實現之，但實現方法屬於習知技術，在此不再贅述。

當使用者欲操控位於內網200的受控裝置5時，經由使用者的操作，行動控制模組2可發出一控制指令，進行控制，另外，當使用者欲查詢受控裝置5之狀態時，亦藉由對行動控制模組2的操作，對內網200的受控裝置5進行查詢，並接收受控裝置5的設備狀態資訊。行動控制模組2的具體組成，則於後面詳述。

雲端平台1是MOM的客戶端，具體而言，雲端平台1為一資料中心，設置於網路服務業者端，雲端平台1透過網際網路與行動控制模組2連接。

雲端平台1向內網200中的訊息交換裝置3訂閱輸入指令議題及回覆狀態議題，雲端平台1於接受控制指令(Control Instruction)後，將之轉換成控制指令訊息(Message)並發佈至輸入指令議題，並從回覆狀態議題取得狀態訊息(Status Message)後，將之轉換成設備狀態資訊(Status Information)後，再將之傳送給行動控制模組2。

具體而言，雲端平台1接收到的回覆狀態議題為受控裝置5提供的原始資料(Raw data)，未經過解碼即以訊息(Message)的形式發佈在回覆狀態議題中，而雲端平台1於接收了此訊息後，才進行解碼的動作。

同樣地，行動控制模組2欲進行內網200之控制而發出的控制指令，亦是由雲端平台1進行通訊協定的轉換後，再以訊息(Message)的形式發布至輸入指令議題中，因而內網200中的訊息交換裝置3即不需再處理通訊協定之間的轉換，即可將控制指令訊息提供給受控裝置5，以進行控 制。

於先前技術中，藉由內網200的無線轉換器4可以隨意地擴充不同的無線受控裝置，而不受限於傳統閘道器的硬體能力限制，但是當欲擴充多種的無線受控裝置時，還是需要在閘道器中安裝對應的控制協定與控制邏輯等通訊協定軟體模組。另外，於先前的技術中，還是需要藉由閘道器來執行相關的通訊軟體協定與控制邏輯，並針對不同種類的閘道器之不同處理器開發對應的通訊協定軟體模組，因而衍生出更多的研發成本與維護時間。

隨著擴充多樣的受控裝置時，最後還是會受限於閘道器的處理器運算能力與記憶體大小。本發明提出的架構，可以藉由雲端平台來達到隨意擴充受控裝置而不限於閘道器的處理能力與硬體規格的效果，同時也可以容納多人、多戶同時操作與控制。

接著則配合圖式，針對本發明中的各部件進行一細部說明，以下先對內網200中的部件進行說明。

請參閱圖2，本發明中的雲端平台1包含一共通性資料存取模組11、一IO控制邏輯資料模組12、一遠端IO管理模組13以及複數個IO通訊協定模組14。

IO通訊協定模組14，係分別根據裝置註冊資訊中的通訊協定提供對應的IO控制協定，以將控制指令轉換成控制指令訊息，以及將狀態訊息轉換成設備狀態資訊，其中，通訊協定至少可為ZigBee的HA profile、Smart Energy Profile、Zwave、RS-485、Modbus或Bluetooth 4.0以上之版本。

IO控制邏輯資料模組12，係根據裝置註冊資訊提供受控裝 置5的排程規則、連動規則與控制資料格式。舉例來說，排程規則可為控制家中內網200的電器的開啟、關閉時間，連動規則可為某些具有相關性的受控裝置5需一同運作，或有先後次序的動作。

共通性資料存取模組11，係提供傳送裝置註冊資訊和設備狀態資訊至行動控制模組2，以及接收控制指令，於實作上，其可以Restful API進行實現。

另外，共通性資料存取模組11更提供容納多個行動控制模組2的連線，這些行動控制模組2安裝於不同使用者裝置上(如手機、平板、PC…)，且使用不同的作業系統。共通性資料存取模組11提供位於外網100的使用者，透過行動控制模組2，以對內網200的受控裝置5進行控制與狀態查詢，讓使用者能簡單快速地控制與掌握內網200中各式各樣的受控裝置5的即時狀態。

遠端IO管理模組13，係為MOM客戶端，遠端IO管理模組13提供接收裝置註冊資訊，並依據裝置註冊資訊，向訊息交換裝置3中的IO伺服器32訂閱議題，即輸入指令議題及回覆狀態議題，以發佈控制指令訊息至輸入指令議題，以及接收自回覆狀態議題取得狀態訊息。

請參閱圖3，本發明中的行動控制模組2包含一UI介面21、一遠端控制單元22以及一行動網路單元23。

UI介面21，係提供使用者圖形化的顯示與操作介面。

遠端控制單元22，係根據使用者於UI介面21之操作，產生控制指令，以及輸出設備狀態資訊至UI介面21。具體而言，其是用來與雲端平台1之共通性資料存取模組11連結，透過與雲端平台1連結，即可控制 內網200中的受控裝置5，以及接收受控裝置5的即時狀態回報。

行動網路單元23，係與雲端平台1之通訊介面，行動網路單元23傳送控制指令至雲端平台1，並由雲端平台1接收狀態訊息。

請參閱圖4，本發明中的訊息交換裝置3包含一雲端平台註冊模組31、一IO伺服器32以及一無線網路模組33。

IO伺服器32，其係提供議題之訂閱與管理之功能，IO伺服器32根據與訊息交換裝置3連接的無線轉換器4，以及與無線轉換器4連接的受控裝置5，產生一裝置註冊資訊。其中裝置註冊資訊包含通訊協定，以及無線轉換器4訂閱輸入指令議題和回覆狀態議題的訂閱資訊。

雲端平台註冊模組31，其係與雲端平台1間的通訊介面，並以裝置註冊資訊向雲端平台1進行註冊，具體而言，可註冊內網200中的受控裝置5的數量與使用的通訊協定的種類。

無線網路模組33，其係提供與無線轉換器4間之無線通訊介面。具體而言，無線網路模組33提供DHCP功能，透過WiFi、Ethernet或PLC等通訊協定，來收容新增的無線轉換器4。

請參閱圖5，無線轉換器4包含一無線通訊模組41、一IO連線模組42以及一受控裝置通訊模組43。

無線通訊模組41是提供無線轉換器4與訊息交換裝置3間之無線通訊，其中，所使用的無線通訊協定包含WiFi、Ethernet或PLC等。

受控裝置通訊模組43，係以通訊協定提供無線轉換器4與受控裝置5間之通訊，具體而言，可彈性搭配使用不同通訊協定，以與受控裝置5連接，其中，通訊協定可為無線或是有線的通訊協定，例如：ZigBee、 Bluetooth BLE、Zwave、RS-485…等等。

IO連線模組42，其係為訊息導向中介軟體系統(MOM)的客戶端(Client)，可透過無線通訊模組41加入內網200的DHCP網路，並連結訊息交換裝置3中的IO伺服器32(向Broker訂閱兩個議題)，開啟對應的輸入指令議題與回覆狀態議題，並將納管的受控裝置5的清單、種類和狀態等資訊發佈到回覆狀態議題中。

IO連線模組42從輸入指令議題中取得控制指令訊息，以及將狀態訊息發佈至回覆狀態議題。

以下則以數個實施例進一步說明本發明高擴充性物聯網雲端服務系統之特點。

請參閱圖6，本實施例是用以說明本發明在具體實作上，可提供多名使用者針對各自內網中的受控裝置5進行操作與查詢，相較之下，圖1僅是單一使用者與單一內網的使用情境。

如圖中所示，其包含三個行動控制模組(2A、2B、2C)，行動控制模組2A是安裝於甲用戶的一行動裝置上，行動控制模組2B及行動控制模組2C則分別安裝於乙用戶所持有的不同行動裝置上，其可能分屬乙用戶中不同的使用者，例如爸爸的手機、奶奶的平板電腦等。而圖中僅為示例之用，於實際使用上，可依實際需求於一用戶下增加多個使用者，其皆於各自的行動裝置上安裝行動控制模組，並與雲端中心進行註冊認證以取得相關存取權限即可。

行動控制模組2A藉由向訊息交換裝置3A訂閱內網A的受控裝置51、52的相關議題，以實現對其之控制，同樣的，行動控制模組2B、 行動控制模組2C藉由向訊息交換裝置3B訂閱內網B的受控裝置53、54、55、56的相關議題，以實現對其之控制。

請參閱圖7，其為本發明內網中的各裝置進行系統初始化之一實施範例，於本實施例中，將說明訊息交換裝置3開啟後，其與雲端平台1和二無線轉換器之交互過程。

首先，當訊息交換裝置3被開啟送電後，會透過雲端平台註冊模組31向雲端平台1註冊相關資訊，當註冊完畢後，訊息交換裝置3會成立家中內網的DHCP網路，當二無線轉換器(4A、4B)加入家中內網的DHCP網路後，無線轉換器(4A、4B)中的IO連線模組42會連結至訊息交換裝置3中的IO伺服器32，並分別開啟對應的無線轉換器(4A、4B)的輸入指令議題與回覆狀態議題。

接著，訊息交換裝置3中的IO伺服器32，則會分別輸出無線轉換器(4A、4B)所開啟的輸入指令議題、回覆狀態議題等的訂閱資訊，以及裝置註冊資訊等，再由訊息交換裝置3中的雲端平台註冊模組31，向雲端平台1中的共通性資料存取模組11，註冊家中內網的受控裝置5之資訊(通訊種類、數量與對應議題)。

最後，雲端平台1中的遠端IO管理模組13，則根據訊息交換裝置3提供的裝置註冊資訊，連結至家中內網的訊息交換裝置3中的IO伺服器32，並根據裝置註冊資訊以及訂閱資訊分別訂閱對應的議題，即可以完成系統初始化的註冊與連線納管。

請參閱圖8，其為本發明高擴充性物聯網雲端服務系統進行控制之一實施範例，於本實施例中，將說明使用者如何透過行動控制模組2 與雲端平台1進行註冊連結之過程，以及說明行動控制模組2控制內網中的受控裝置5之過程。

首先，行動控制模組2透過其內的行動網路單元23連結到3G或4G網路後，利用其內的遠端控制單元22，連結到雲端平台1中的共通性資料存取模組11，以進行註冊。

註冊完畢後，行動控制模組2接著向雲端平台1查詢家中內網的受控裝置清單(List)，雲端平台1回覆了受控裝置清單後，行動控制模組2會將內網中所有的受控裝置5之種類、數量及名稱等資訊顯示在UI介面上。

當使用者透過UI介面，點選任一受控裝置5時，行動控制模組2中的遠端控制單元22將會發出控制指令給雲端平台1，雲端平台1中的共通性資料存取模組11收到控制指令後，將此控制指令轉換成控制指令訊息發佈在所訂閱的輸入指令議題中。無線轉換器4從對應的輸入指令議題中收到控制指令訊息後，將控制指令訊息傳送給受控裝置5，以執行之。其中，受控裝置5不只限於一個，亦可為訂閱了相同議題的多個受控裝置5。

當執行完畢後，受控裝置5會回報執行結果的狀態訊息給無線轉換器4，無線轉換器4經由其IO連線模組42，將狀態訊息發佈到訊息交換裝置3中的IO伺服器32的回覆狀態議題。而雲端平台1接收到狀態訊息後，即將之轉換成設備狀態資訊後，再回傳給行動控制模組2，因此行動控制模組2端就能進行更新，以得到家中受控裝置5的即時最新狀態。

請參閱圖9，其為本發明高擴充性物聯網雲端服務系統進行查詢之一實施範例，於本實施例中，將說明使用者如何透過行動控制模組2查詢控制內網中的受控裝置5之過程。

當使用者透過行動控制模組2查詢任一受控裝置5時，其藉由行動控制模組2中的遠端控制單元22，與雲端平台1中的共通性資料存取模組11進行連接，把欲查詢的受控裝置5的相關資訊傳送給雲端平台1。

雲端平台1透過其內的遠端IO管理模組13發佈一查詢指令訊息至輸入指令議題，家中內網的訊息交換裝置3，家中內網的無線轉換器4從輸入指令議題接收到查詢指令訊息後，再根據查詢指令訊息通知受控裝置5回覆當前的狀態訊息，接著無線轉換器4將狀態訊息發佈到回覆狀態議題中。

當雲端平台1接收到回覆的狀態訊息後，再將之轉換成設備狀態資訊後，最後傳送給行動控制模組2，故行動控制模組2的使用者即能得知受控裝置5的即時最新狀態。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

Claims (7)

1. 一種高擴充性物聯網雲端服務系統，包含：至少一訊息交換裝置，其係為訊息導向中介軟體系統的訊息中繼站，以提供議題之訂閱與管理；至少一無線轉換器，其係為訊息導向中介軟體系統的客戶端，該無線轉換器以一通訊協定與至少一受控裝置進行通訊，並向該訊息交換裝置訂閱與該受控裝置對應的一輸入指令議題及一回覆狀態議題，該無線轉換器從該輸入指令議題中取得一控制指令訊息，以控制該受控裝置，以及將該受控裝置產生的一狀態訊息發佈至該回覆狀態議題；至少一行動控制模組，該行動控制模組提供發出一控制指令，並接收一設備狀態資訊；以及一雲端平台，其係為訊息導向中介軟體系統的客戶端，並連接至該行動控制模組，該雲端平台向該訊息交換裝置訂閱該輸入指令議題及該回覆狀態議題，該雲端平台於接受該控制指令後，將之轉換成該控制指令訊息並發佈至該輸入指令議題，並從該回覆狀態議題取得該狀態訊息後，將之轉換成該設備狀態資訊並將之傳送給該行動控制模組。
2. 如請求項1所述的高擴充性物聯網雲端服務系統，其中該無線轉換器包含：一無線通訊模組，其係提供該無線轉換器與該訊息交換裝置間之無線通訊；一IO連線模組，其係為訊息導向中介軟體系統的客戶端，該IO連線模組從該輸入指令議題中取得該控制指令訊息，以及將該狀態訊息發佈 至該回覆狀態議題；以及一受控裝置通訊模組，係以該通訊協定提供該無線轉換器與該受控裝置間之通訊。
3. 如請求項1所述的高擴充性物聯網雲端服務系統，其中該訊息交換裝置包含：一IO伺服器，其係提供該議題之訂閱與管理之功能，該IO伺服器根據與該訊息交換裝置連接的該等無線轉換器，以及與該等無線轉換器連接的該等受控裝置，產生一裝置註冊資訊；一雲端平台註冊模組，其係與該雲端平台間的通訊介面，並以該裝置註冊資訊向該雲端平台進行註冊；以及一無線網路模組，其係提供與該無線轉換器間之無線通訊介面。
4. 如請求項3所述的高擴充性物聯網雲端服務系統，其中該裝置註冊資訊包含該通訊協定，以及該無線轉換器訂閱該輸入指令議題和該回覆狀態議題的訂閱資訊。
5. 如請求項4所述的高擴充性物聯網雲端服務系統，其中該雲端平台包含：一遠端IO管理模組，係為MOM客戶端，該遠端IO管理模組係提供接收該裝置註冊資訊，並向該訊息交換裝置訂閱該輸入指令議題及該回覆狀態議題，以發佈該控制指令訊息至該輸入指令議題，以及接收自該回覆狀態議題取得該狀態訊息；複數個IO通訊協定模組，係分別根據該裝置註冊資訊中的該通訊協定提供對應的IO控制協定，以將該控制指令轉換成該控制指令訊息，以及將該狀態訊息轉換成該設備狀態資訊； 一IO控制邏輯資料模組，係根據該裝置註冊資訊提供該等受控裝置的排程規則、連動規則與控制資料格式；以及一共通性資料存取模組，係提供傳送該裝置註冊資訊和該設備狀態資訊至該行動控制模組，以及接收該控制指令。
6. 如請求項1所述的高擴充性物聯網雲端服務系統，其中該行動控制模組包含：一UI介面，係提供使用者圖形化的顯示與操作介面；一遠端控制單元，係根據使用者於該UI介面之操作，產生該控制指令，以及輸出該設備狀態資訊至該UI介面；以及一行動網路單元，係與該雲端平台之通訊介面，該行動網路單元傳送該控制指令至該雲端平台，並由該雲端平台接收該狀態訊息。
7. 如請求項1所述的高擴充性物聯網雲端服務系統，其中該通訊協定係為有線或無線的通訊協定，其至少包含：ZigBee、Bluetooth、RS-485或Zwave。