一种基于状态机的多协议转换方法

技术领域

本发明涉及一种基于状态机的多协议转换方法。

背景技术

异构网络(包括混合工业有线/无线协议)的互操作性是工业物联网的一个重要方面，因为各种工业协议共存。因此，很难获得具有灵活配置的多协议转换解决方案。

工业4.0旨在实现制造机器配备传感器和网络，从而形成一个网络物理系统，以可视化整个生产流程，进行智能决策。因此，工业物联网是工业4.0演进中最重要的方向之一。IIoT旨在利用物联网技术建立智能工厂。作为IIoT中的关键赋能技术，通信和网络技术将制造业的所有事物连接在一起，并允许它们共享信息。

然而，由于不同的制造场景和需求，IIoT中的网络具有非常复杂的异构特征。通过各种通信技术建立各种类型网络之间的连接。有线工业网络协议包括Modbus-RTU、电总协议、CAN、PROFINET等。工业无线网络有几种国际标准，如Modbus-TCP、MQTT、WirelessHART等。IIoT中网络的复杂异构特性导致了异构设备之间高效数据收集和交互的挑战。因此，可灵活配置的协议帧以及结合状态机设计的稳定的通信流程，为解决工业异构网络的网络互连提供了可靠的技术路线。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于状态机的多协议转换方法，通过深入研究了各类工业物联网协议的协议帧，将协议数据与配置平面分离。协议配置分为协议帧配置与协议帧字段配置，实现工业协议的灵活配置。在数据方面，该方案支持同时接收多种类协议的数据，集中处理后统一上报数据监控中心，实现数据的集中处理。

本发明的技术方案如下：

一种基于状态机的多协议转换方法，该方法包括如下步骤：

1.一种基于状态机的多协议转换方法，其特征在于：包括以下具体步骤：

S1、建立数据与配置平面分离的可配置协议帧，将不同种类协议帧在同一套配置模板中实现统一配置；

S2、采用三个并行的子流程对整个系统的数据进行采集管控。

本发明的进一步改进在于，所述S1中将不同种类协议帧在同一套配置模板中实现统一配置包括协议帧字段配置、协议帧配置、协议帧字段值配置和协议帧属性值配置。

本发明的进一步改进在于，所述协议帧字段配置的具体内容为：该协议帧发送数据的名称、数据类型、是否转换成浮点数存储；存储数据所占用寄存器的类型、地址和空间大小；四个可选择数量和数据长度的功能码；协议帧携带的数据值；数据在协议帧中的地址以及偏移；内置的各类协议帧校验算法的选择配置。

本发明的进一步改进在于，所述协议帧配置的具体内容为：采用的工业协议类型；协议的版本号、起止标记字符；决定数据采集频率的刷新周期；协议发送的字符形式(ASCII/二进制)；大小端模式、预读模式配置。

本发明的进一步改进在于，所述协议帧字段值配置和协议帧属性值配置的具体内容为：按照实际采用的工业协议具体协议帧进行配置，每个需要访问获取的变量均需配置一组协议帧字段值，同一种协议只需配置一次协议帧属性值，配置信息保存到数据库，将成为自动控制收集数据的关键信息。

本发明的进一步改进在于，所述S2中三个并行的子流程分别为数据采集流程、数据上报流程和设备控制流程。

本发明的进一步改进在于，所述数据采集流程的具体内容为：在工业现场根据数据库中配置信息定期轮询采集数据，并将数据汇总至多协议转换器。

本发明的进一步改进在于，所述数据采集流程通过结合有限状态机来实现，有限状态机设计具体包括以下步骤：

S21：设备初始化尚未轮询采集变量，或者变量采集完成尚未到达变量采集时间间隔，将处于此状态，当初始化完成，或者变量采集时间到达触发状态迁移条件，状态迁移为S22；

S22：触发配置信息的格式校验事件和数据帧组装事件，若配置信息格式正确，数据完整，成功组装成协议帧，则状态转移至S23，否则若发生校验异常，协议帧组装异常，状态转移至S27

S23：触发发送请求命令事件，将组装好的协议帧根据通信协议配置发送至目标设备，状态迁移至S24；

S24：出发等待接收返回数据事件，此处设计了超时重传机制，若已超过等待时间仍没接收目标设备的到返回数据，且该命令的发送次数不超3次，状态迁移至S23，重新发送请求，如果已经请求超过三次，状态迁移至S27，结束本次数据访问。当接收到目标设备的响应，状态迁移至S25。

S25：触发对响应信息的校验与解析事件。此处设计了错误重传机制，如果校验协议帧发生错误，且重新发送次数不超3次，状态迁移至S23，重新发送请求命令，如果已经超过3次，状态迁移至S27，结束本次数据请求，如果数据校验正确且解析完整，状态迁移至S26；

S26：触发数据的存储事件，如果按照配置信息成功将数据存储到制定的寄存器地址，状态迁移至S27，本次数据采集完成，如果数据存储失败，状态同样迁移至S27，但本次数据采集失败。

S27：触发数据采集结果报告，采集成功或者采集失败生成日志信息，数据采集任务完成。

本发明的进一步改进在于，所述数据上报流程采用了MQTT、SNMP、Modbus-TCP三种固定的协议，负责将各个工业现场的多协议转换设备采集的数据汇总至数据监控中心。

本发明的进一步改进在于，所述设备控制流程由数据中心采用Modbus-TCP协议、SNMP协议发送控制信息，由多协议转换器按照配置信息，按照目标设备的协议组装协议帧并发送到目标设备，实现数据监控中心对工业现场设备的远程控制功能。本发明的技术效果如下：

本发明提出了一种基于状态机的多协议转换方法，通过深入研究了各类工业物联网协议的协议帧，将协议数据与配置平面分离。协议配置分为协议帧配置与协议帧字段配置，实现工业协议的灵活配置。在数据方面，该方案支持同时接收多种类协议的数据，集中处理后统一上报数据监控中心，实现数据的集中处理。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例的一种基于状态机的多协议转换方法的流程示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提出了一种基于状态机的多协议转换方法，通过深入研究了各类工业物联网协议的协议帧，将协议数据与配置平面分离。协议配置分为协议帧配置与协议帧字段配置，实现工业协议的灵活配置。在数据方面，该方案支持同时接收多种类协议的数据，集中处理后统一上报数据监控中心，实现数据的集中处理。

具体的，如图1所示，本实施例提出的一种基于状态机的多协议转换方法包括以下具体步骤：

S1、建立数据与配置平面分离的可配置协议帧，将不同种类协议帧在同一套配置模板中实现统一配置；

S2、采用三个并行的子流程对整个系统的数据进行采集管控。

在本实施例中，所述S1中将不同种类协议帧在同一套配置模板中实现统一配置包括协议帧字段配置、协议帧配置、协议帧字段值配置和协议帧属性值配置。

在本实施例中，所述协议帧字段配置的具体内容为：该协议帧发送数据的名称、数据类型、是否转换成浮点数存储；存储数据所占用寄存器的类型、地址和空间大小；四个可选择数量和数据长度的功能码；协议帧携带的数据值；数据在协议帧中的地址以及偏移；内置的各类协议帧校验算法的选择配置。

在本实施例中，所述协议帧配置的具体内容为：采用的工业协议类型；协议的版本号、起止标记字符；决定数据采集频率的刷新周期；协议发送的字符形式(ASCII/二进制)；大小端模式、预读模式配置。

在本实施例中，所述协议帧字段值配置和协议帧属性值配置的具体内容为：按照实际采用的工业协议具体协议帧进行配置，每个需要访问获取的变量均需配置一组协议帧字段值，同一种协议只需配置一次协议帧属性值，配置信息保存到数据库，将成为自动控制收集数据的关键信息。

在本实施例中，整个系统的数据采集管控流程划分为三个并行的子流程，分别是数据采集流程、数据上报流程和设备控制流程，进一步结合有限状态机实现三个并行子流程，该设计实现了数据的并行采集和集中管理，并保证了系统的鲁棒性。

在本实施例中，数据采集流程主要任务为多协议转换器在工业现场，根据数据库中配置信息定期轮询采集数据，并将数据汇总至多协议转换器，结合状态机设计单次变量采集流程，系统可通过多线程并行执行该状态机，实现数据的采集。所述数据采集流程的具体内容为：在工业现场根据数据库中配置信息定期轮询采集数据，并将数据汇总至多协议转换器。

在本实施例中，所述数据采集流程通过结合有限状态机来实现，有限状态机设计具体包括以下步骤：

S21：设备初始化尚未轮询采集变量，或者变量采集完成尚未到达变量采集时间间隔，将处于此状态，当初始化完成，或者变量采集时间到达触发状态迁移条件，状态迁移为S22；

S22：触发配置信息的格式校验事件和数据帧组装事件，若配置信息格式正确，数据完整，成功组装成协议帧，则状态转移至S23，否则若发生校验异常，协议帧组装异常，状态转移至S27

S23：触发发送请求命令事件，将组装好的协议帧根据通信协议配置发送至目标设备，状态迁移至S24；

S24：出发等待接收返回数据事件，此处设计了超时重传机制，若已超过等待时间仍没接收目标设备的到返回数据，且该命令的发送次数不超3次，状态迁移至S23，重新发送请求，如果已经请求超过三次，状态迁移至S27，结束本次数据访问。当接收到目标设备的响应，状态迁移至S25。

S25：触发对响应信息的校验与解析事件。此处设计了错误重传机制，如果校验协议帧发生错误，且重新发送次数不超3次，状态迁移至S23，重新发送请求命令，如果已经超过3次，状态迁移至S27，结束本次数据请求，如果数据校验正确且解析完整，状态迁移至S26；

S26：触发数据的存储事件，如果按照配置信息成功将数据存储到制定的寄存器地址，状态迁移至S27，本次数据采集完成，如果数据存储失败，状态同样迁移至S27，但本次数据采集失败。

S27：触发数据采集结果报告，采集成功或者采集失败生成日志信息，数据采集任务完成。

在本实施例中，所述数据上报流程采用了MQTT、SNMP、Modbus-TCP三种固定的协议，负责将各个工业现场的多协议转换设备采集的数据汇总至数据监控中心。

在本实施例中，所述设备控制流程由数据中心采用Modbus-TCP协议、SNMP协议发送控制信息，由多协议转换器按照配置信息，按照目标设备的协议组装协议帧并发送到目标设备，实现数据监控中心对工业现场设备的远程控制功能。

本发明的技术效果如下：

本发明提出了一种基于状态机的多协议转换方法，通过深入研究了各类工业物联网协议的协议帧，将协议数据与配置平面分离。协议配置分为协议帧配置与协议帧字段配置，实现工业协议的灵活配置。在数据方面，该方案支持同时接收多种类协议的数据，集中处理后统一上报数据监控中心，实现数据的集中处理。