可组态的物联网北向通讯系统与方法

技术领域

本申请涉及物联网通信领域，尤其是涉及可组态的物联网北向通讯系统与方法。

背景技术

目前，在工业物联网领域，数据交换已广泛应用于设备与设备，设备与生产管理系统之间。通过对设备数据的采集，可以完成生产、监控等过程管理。 一般工业现场通讯可以归纳为：包含各种智能设备之间的东西向通讯，如可编程控制器(PLC)或数控机床(CNC) ；也包含数据采集设备与设备之间的南向通讯；数据采集设备与生产管理系统（MES）或云服务连接的北向通讯。

然而，在具体信息系统实施过程中，往往由于工业现场设备繁多，管理系统多种多样，缺少统一的通讯接口和应用协议，导致工业现场数据采集上报困难，系统集成周期长，二次开发成本高，设备与北向接口对接的复杂性较强，接口对接的工作量较大。

发明内容

为了降低与北向接口对接的复杂性，降低对接工作量，本申请提供一种可组态的物联网北向通讯系统与方法。

本申请提供的可组态的物联网北向通讯系统与方法采用如下的技术方案：

一种可组态的物联网北向通讯系统，包括上位机与下位机；

所述上位机，用于根据目标北向系统创建北向通道配置，所述北向通道配置用于配置所述北向系统的消息格式转换方法及数据映射、针对上行报文所配置的所述下位机所需采集的数据以及针对下行报文配置的所述下位机的数据写入映射关系或系统方法调用参数；

所述下位机，与所述上位机通信，用于接收来自所述上位机的所述通道配置建立与北向系统连接，以建立北向通讯。

通过采用上述技术方案，上位机根据北向系统创建北向通道配置，下位机接收来自上位机的通道配置建立与北向系统的连接，由于通道配置是用于配置北向系统的消息格式转换方法、数据映射、针对上行报文所配置的下位机所需采集的数据以及针对下行包括配置的下位机的数据写入映射关系或系统方法调用参数，因此上位机通道配置是可组态的，在进行与北向系统的北向通讯时，可加载由上位机针对北向系统生成的通道配置，以降低与北向系统中北向接口对接的复杂性，降低对接工作量。

可选的，所述北向通道配置包括：

进行北向系统连接所需要的基础信息，北向系统所依赖的通信协议适配器，北向系统所使用的API接口，北向系统各个API接口数据与设备模型的映射关系。

通过采用上述技术方案，通过IP地址（域名）、端口等基础信息，北向系统所依赖的通信协议适配器，北向系统所使用的API接口，北向系统各个API接口数据与设备模型的映射关系，使能创建北向服务连接流程。

可选的，所述下位机包括多个北向接口适配器，所述北向接口适配器用于根据所述上位机下发的通道配置建立与北向系统的连接。

通过采用上述技术方案，使能通过北向接口适配器更加方便建立与北向系统的连接。

可选的，所述北向接口适配器包括协议适配器，所述协议适配器用于通过信息模型映射服务实现北向接口与设备信息模型的相互转换。

通过采用上述技术方案，当北向接口适配器包括协议适配器时，协议适配器通过信息模型映射服务实现北向接口与设备信息模型的相互转换，以便于尽心协议对接工作。

可选的，所述北向接口适配器还包括信息模型转换器，所述信息模型转换器用于采用模板引擎的方式，实现从设备模型到目标北向接口的对象的数据转换。

通过采用上述技术方案，当北向接口适配器包括信息模型转换器时，信息模型转换器采用模板引擎的方式实现数据转换，使数据转换更加方便。

可选的，所述信息模型映射转换器采用JsonPath、XPath的方式，实现从北向接口对象到设备模型数据或设备方法参数的转换。

通过采用上述技术方案，使能在JsonPath、XPath的方式进行参数的转换。

可选的，所述北向接口适配器还包括推送策略执行器，所述推送策略执行器用于根据传输层使用协议的工作模式调度所述协议适配器所实现的工作模式，以建立所述协议适配器与所述北向系统的连接。

通过采用上述技术方案，北向接口适配器还包括推送策略执行器，策略执行器使能根据具体的工作模式对协议适配器的工作模式进行调度，使协议适配器能工作在正确的模式。

可选的，所述北向接口适配器还包括信息模型映射服务，所述信息模型映射服务用于在所述协议适配器接收到源数据后通过模型映射将原系统数据转换为所述北向系统设备模型或系统方法。

通过采用上述技术方案，使能通过信息模型映射服务将原系统数据转换为北向系统设备模型或系统方法。

一种可组态的物联网北向通讯方法，包括：

上位机根据北向系统创建北向通道配置，所述北向通道配置用于配置所述北向系统的消息格式转换方法及数据映射、针对上行报文所配置的所述下位机所需采集的数据以及针对下行报文配置的所述下位机的数据写入映射关系或系统方法调用参数；

下位机与所述上位机通信，接收来自所述上位机的所述通道配置建立与北向系统连接，以建立北向通讯。

通过采用上述技术方案，上位机根据北向系统创建北向通道配置，下位机接收来自上位机的通道配置建立与北向系统的连接，由于通道配置是用于配置北向系统的消息格式转换方法、数据映射、针对上行报文所配置的下位机所需采集的数据以及针对下行包括配置的下位机的数据写入映射关系或系统方法调用参数，因此上位机通道配置是可组态的，在进行与北向系统的北向通讯时，可加载由上位机针对北向系统生成的通道配置，以降低与北向系统中北向接口对接的复杂性，降低对接工作量。

可选的，所述接收来自所述上位机的所述通道配置建立与北向系统连接，包括：

所述下位机将来自所述上位机的数据进行消息格式转换，得到北向系统所需的消息格式并通过数据传输层发送至目标北向系统，或将来自所述北向系统的数据进行转换，以建立北向通讯。

通过采用上述技术方案，使能进行消息格式的转换，从而便于与北向系统进行连接。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过设置的上位机与下位机建立北向通讯，降低与北向系统中北向接口对接的复杂性，降低对接工作量；

2.针对北向系统，上位机创建对应的北向通道配置；

3.下位机能根据创建的北向通道配置建立对应的设备模型，基于设备模型创建设备实例对象，并通过采集到的数据映射设备实例对象，以能在加载API接口后与北向系统进行数据连接。

附图说明

图1是本申请其中一实施例一种可组态的物联网北向通讯系统的结构框图。

图2是本申请其中一实施例一种可组态的物联网北向通讯系统中上位机的工作流程示意图；

图3是本申请其中一实施例一种可组态的物联网北向通讯系统中上行报文下位机的协议转换流程示意图；

图4是本申请其中一实施例一种可组态的物联网北向通讯系统中下行报文下位机的协议转换流程示意图。

附图标记：1、上位机；2、下位机；21、协议适配器；22、信息模型转换器；23、推送策略执行器；24、信息模型映射服务；3、北向系统。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

为了降低与北向接口对接的复杂性，降低对接工作量，本申请实施例公开可组态的物联网北向通讯系统与方法。

参照图1，可组态的物联网北向通讯系统，包括上位机组态系统（简称上位机）与下位机运行环境（简称下位机）。

上位机，用于根据目标北向系统创建北向通道配置，北向通道配置用于配置北向系统的消息格式转换方法及数据映射、针对上行报文所配置的下位机所需采集的数据以及针对下行报文配置的下位机的数据写入映射关系或系统方法调用参数。

其中，北向系统是采用有北向接口的系统，北向接口是为厂家或运营商接入和管理网络而定义的接口，在本实施例中，工业物联网使用北向接口来开发应用层中的工业管理应用程序，这样工业物联网设备厂家或者运营商才能通过这些应用程序接入和管理工业物联网相关设备与应用，通常这种应用都是以简单、易用且直观的界面形式呈现给操作者，操作者通过界面点击或配置发送命令，而系统内部则使用北向接口将这些命令发送给数据处理层。数据处理层中驻留有时刻运行着的北向接口处理进程，此进程接收到应用层发送来的命令后，将控制命令转发给数据管理层，以便继续执行。而接收到的如果是请求报文，则将来自数据管理层的数据按北向接口规定的格式封装后返回给应用层。

在进行北向通讯前，需通过上位机进行系统配置，配置下位机北向通讯的相关设置，具体的北向系统通讯则由下位机负责。

北向通道配置包括：

进行北向系统连接所需要的基础信息，北向系统所依赖的通信协议适配器，北向系统所使用的API接口，北向系统各个API接口数据与设备模型的映射关系。其中，基础信息包括IP地址(域名)、端口等，通信协议的作用是为不同的操作系统和不同硬件体系结构的互联网络提供通信支持，不同网络之间的通信协议不同，而在本实施例中通信协议适配器则是为当前操作系统与北向系统二者之间进行通信协议适配，以便于当前系统与北向系统之间在通讯时统一定义数据传输的规格，降低下位机与北向接口对接的复杂性。

所以在建立北向通讯前，上位机所执行的动作包括以下步骤：

1、创建北向系统连接信道。该信道为基于TCP/IP协议所创建的信道，连接当前系统与北向系统，可为有线连接也可为无线连接；

2、获取北向系统的通信协议。其中北向系统的通信协议可选择已有北向系统的通信协议或根据北向系统的API新建北向系统的通信协议；

3、若是新建通信协议，则包括：

（1）设置通信协议，如TCP、HTTP、MQTT协议等。其中TCP（Transmission ControlProtocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠地、基于字节流的传输层通信协议；HTTP（Hyper Text Transfer Protocol，超文本传输协议）是一种简单的请求-响应协议，通常运行在TCP协议之上，用于指定发送的消息类型以及得到的响应类型；MQTT（Message QueuingTransport，消息队列传输）ISO标准下基于发布订阅范式的消息协议，工作在TCP/IP协议族上，为硬件性能地下的远程设备以及在网络情况较差的情况下所设计的发布/订阅型消息协议。在其他实施例中还可基于实际使用过程设置不同的通讯协议。

（2）添加北向系统的API接口。其中API（Application Program Interface，应用程序接口）是一组定义、程序及协议的几何，通过API接口实现计算机软件之间的相互通信。API的主要功能是提供通用功能集，使能通过调用API函数实现在不同系统平台之间的数据共享。

（3）基于不同的API设置对应的设备模型转换器以及转换模板等数据。其中设备模型转换器用于将实体设备进行模型化，模型化后的设备模型中包括有用于描述该设备运行过程的多项参数数据，如在设备模型中构建了电机，机械臂两个设备模型，然后创建了电机1、电机2、机械臂1 的模型，在当前API中使用了电机1及电机1的转速属性，而在另一个API中可能引用机械臂1的相关属性。

（4）选择数据推送策略。其中，推送策略主要包括发布订阅、主动推送以及被动监听等方式。

4、在选择通信协议后，填写连接基本信息。其中，基本信息指的是北向通道配置所需要的信息，如上文中的进行北向系统连接所需要的基础信息，北向系统所依赖的通信协议适配器，北向系统所使用的API接口，北向系统各个API接口数据与设备模型的映射关系。在北向系统各个API接口数据与设备模型的映射关系中，设备模型可以为电机设备创建一个具有电流，转速，扭矩等属性的设备模型，北向API接口定义中可有相关的数据，他们具有一一对应的关系，但是可能用不同的术语或计量单位描述。

5、选择北向API接口，选择需要接口数据对象与信息模型数据。

6、下发以上通道配置到下位机。其中在本申请中的上位机可运行于Windows系统环境下，基于.net技术平台运行组态软件，组态软件负责应用协议的配置，保存与下发，在其他实施例中，本申请中的上位机同样可以应用于Windows以外的其他系统，包括但不限于利用虚拟机技术将相应软件移植到其他系统中，同样包含于本发明的技术方案中。另一方面，本申请的下位机环境中运行一套基于Rust语言开发的系统服务，该系统可加载由上位机生成的北向服务组态配置文件。并连接至北向系统与其进行通信。

所以，参照图2中所示的上位机创建的北向服务连接流程，上位机新建的工程中可以包含一个以上的北向服务连接。新建北向服务连接时，可以根据北向系统所使用的应用层协议类型选择一个已有协议模板。其中，一个应用协议模板包含：通信层协议、API接口，设备模型映射，推送策略等配置，在已有模板无法满足北向系统对接需求时，可以根据北向系统使用的应用层协议创建一个新的应用层协议模板。

创建应用层协议模板，首先需要选择北向系统所使用的通信协议，然后依次创建北向接口的各个API。API由唯一ID 进行标识，ID 可以为HTTP 协议的URL 地址或MQTT协议的Topic，API另一个重要属性为数据映射配置，需根据目标API对象模型进行编写，最后设置API所使用的策略。

应用协议创建完成后，即可选择该协议进行下一步配置基本连接信息。根据传输协议，连接信息包含目标北向系统的DNS地址或IP地址，端口号，TLS 加密，用户名密码等相关信息。设置以上信息后，即可保存配置文件，并将配置下发到下位机。

而对于本申请中的下位机，可采用如下设置：下位机，与上位机通信，用于接收来自上位机的通道配置建立与北向系统连接，以建立北向通讯。

下位机包括多个北向接口适配器，北向接口适配器用于根据上位机下发的通道配置建立与北向系统的连接。采用不同的接口适配器，使下位机在不同的维度建立与北向系统的连接。

其中，由于需要在多个不同的API进行适配，所以在本实施例中北向接口适配器包括协议适配器，协议适配器用于通过信息模型映射服务实现北向接口与设备信息模型的相互转换。其中，协议适配器根据不同的协议设置有多个不同的型号，即每个API接口均采用独立的协议适配器，例如原始协议是基于COM总线采集二进制数据，而目标的北向系统使用HTTP发送Json数据。

实施例二：

由于北向系统与上位机所在系统的不同，所以对于下位机与北向系统建立通讯时还需进行数据的转换，所以，北向接口适配器还包括信息模型转换器，信息模型转换器用于采用模板引擎的方式，实现从设备模型到目标北向接口的对象的数据转换。在编写数据映射配置中名主要是API 所引用的设备实例对象及对象的属性，在模板引擎执行时使用设备实例或者其属性作为数据源，渲染模板。模板引擎具有变量替换迭代数组的功能，在本实施例中则是用于对则是进行针对北向系统中设备模型的对象以及对象的一些变量属性进行替换，例如替换id（名称）、version（版本号）、ACK（确认字符）等在两个系统之间需要进行对接的变量。

信息模型映射转换器采用JsonPath、XPath的方式，实现从北向接口对象到设备模型数据或设备方法参数的转换。其中，Xpath是一中在XML文档中查找信息的语言，Xpath可用来在XML文档中对元素和属性进行遍历，以查找抽取出所需的设备模型数据与对应的方法参数；JsonPath则与JSON文档有关，正如Xpath之于XML文档一样,JsonPath为Json文档进行解析，通过JsonPath，可以方便对于JSON文档进行节点查找与获取所需的设备模型与数据与对应的方法参数。在本实施例中采用的是JsonPath与Xpath，在其他实施例中涉及到设备模型中信息查找的时候还可采用对应的方式，如查找Binary中对应设备模型数据的Binary_Path。

实施例三：

由于与北向系统之间的连接方式的不同，上行数据传输的方式不同，所以需使用不同的连接策略，所以北向接口适配器还包括推送策略执行器，推送策略执行器用于根据传输层使用协议的工作模式调度协议适配器所实现的工作模式，以建立协议适配器与北向系统的连接。其中，在本实施例中上行数据传输的方式包括：1、发布订阅式；2、主动推送式；3、被动监听式。根据与北向系统数据传输中传输层使用协议的工作模式，推送策略管理器调度对协议适配器进行调度，使协议适配器可实现上述传输方式中的一种或多种。计算机网络之间在传输层的工作模式主要包括与对等模式（Peer to Peer），而应用在工业物联网中，则使用包括发布者模式、预订者模式、报文分发模式与客户机服务模式（Client/Server），这些模式分别一一对应不同的上行数据传输方式。

实施例四：

北向接口适配器还包括信息模型映射服务，信息模型映射服务用于在协议适配器接收到源数据后通过模型映射将原系统数据转换为北向系统设备模型或系统方法。其中，在信息模型映射服务中协议适配器可以配置多个北向数据接口，每个接口可独立实现数据上传、方法调用等功能；同时每个接口可以有独立的数据序列化方法，用于覆盖全局配置。

在进行北向通讯前，下位机接收到上位机设置的对接北向系统的通道配置，参照图3所示的上行报文传输流程，下位机启动包含以下两个主要流程：

1、通过JsonScheme建立具有自描述信息的设备模型。其中，JsonScheme是Json数据格式的描述与规范，Json是一种轻量级的数据交换格式，在本实施例中Json是用于当前系统与北向系统之间进行数据交换的格式之一；而设备模型中的自描述信息用于描述该设备在实际工作中的属性，例如上述的构建了电机，机械臂两个设备模型，其中转速属性属于对电机模型的自描述信息。

2、下位机启动并根据设备模型创建设备实例对象。在本实施例中设备实例对象是下位机中的对设备属性的描述。

3、控制数据采集设备通过底层工业协议采集器完成数据采集与运算，并将结果映射到设备模型对象实例。其中，在本实施例进行数据采集是通过数据采集设备进行，在其他实施例中还可通过数据采集驱动来进行采集。

4、下位机根据模型组态配置文件加载北向接口适配器。其中，根据接口适配器的工作模式，适配器可归纳为三大类：（1）发布订阅式；（2）主动发布式；（3）被动监听式。其中，根据与北向系统数据传输中传输层使用协议的工作模式，使分别设置一种或多种接口适配器。

5、控制适配器加载API接口，初始化各种接口配置，根据工作模式选择等待。加载启动的适配器具有传输层协议的加载连接能力，适配器同时将各个API接口注册到推送策略执行器，当推送策略被触发时，设备模型数据经过模型映射服务转换为目标北向系统API的对象，最终经过传输协议适配器发送至目标北向系统。

6、根据接口配置，协议适配器通过模型转换器和过滤器将设备模型转换为北向系统所需的对象。

7、适配器通过运作在传输层的协议适配器将数据发送至北向系统或等待北向系统拉取数据。

综上，参照图所示的上行报文传输流程，下位机启动包含两个主要流程：流程1，用于加载设备模型，设备模型是PLC设备数据在系统内存中的映射，该数据由数据采驱动和或数采设备进行采集。流程2，用于启动适配器，适配器具有传输层协议的加载连接能力。适配器同时将各个API 接口注册到推送策略执行器，当推送策略被触发时，设备模型数据经过模型映射服务转换为目标北向系统API的对象，最终经过传输协议适配器发送至目标北向系统，使能针对北向系统中的特有设备模型建立对接。

如图4所示是下行报文传输流程，北向系统推送数据或执行指令时，首先通过数据传输层将数据发送至传输协议适配器。传输层协议适配器接收到源数据后通过模型映射服务，将原系统数据转换为当前系统设备模型或系统方法，进而实现修改PLC设备数据或调用系统方法功能。

本申请实施例一种可组态的物联网北向通讯系统的实施原理为：上位机根据北向系统创建北向通道配置，下位机接收来自上位机的通道配置建立与北向系统的连接，由于通道配置是用于配置北向系统的消息格式转换方法、数据映射、针对上行报文所配置的下位机所需采集的数据以及针对下行包括配置的下位机的数据写入映射关系或系统方法调用参数，因此上位机通道配置是可组态的，在进行与北向系统的北向通讯时，可加载由上位机针对北向系统生成的通道配置，以降低与北向系统中北向接口对接的复杂性，降低对接工作量。

本申请另一实施例还公开了一种可组态的物联网北向通讯方法，包括：

上位机根据北向系统创建北向通道配置，北向通道配置用于配置北向系统的消息格式转换方法及数据映射、针对上行报文所配置的下位机所需采集的数据以及针对下行报文配置的下位机的数据写入映射关系或系统方法调用参数；

下位机与上位机通信，接收来自上位机的通道配置建立与北向系统连接，以建立北向通讯。

接收来自上位机的通道配置建立与北向系统连接，包括：

下位机将来自上位机的数据进行消息格式转换，得到北向系统所需的消息格式并通过数据传输层发送至目标北向系统，或将来自北向系统的数据进行转换，以建立北向通讯。

本申请实施例可组态的物联网北向通讯系统与方法的实施原理为：上位机根据北向系统创建北向通道配置，下位机接收来自上位机的通道配置建立与北向系统的连接，由于通道配置是用于配置北向系统的消息格式转换方法、数据映射、针对上行报文所配置的下位机所需采集的数据以及针对下行包括配置的下位机的数据写入映射关系或系统方法调用参数，因此上位机通道配置是可组态的，在进行与北向系统的北向通讯时，可加载由上位机针对北向系统生成的通道配置，以降低与北向系统中北向接口对接的复杂性，降低对接工作量。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。