CN109217983B - 一种工业物联网的作业终端通信协议设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工业物联网的作业终端通信协议设计方法，涉及工业互联网技术领域，所述方法至少包括：确定通信协议的数据包报头；根据所述数据包报头构建数据包序列化和解析规则；根据所述序列化和所述解析规则，确定数据包重传机制；根据所述重传机制确定通信连接切换机制。应用本发明实施例，解决现有技术中无法适应工业物联网环境下连接的时延性和可靠性等网络性能要求以及低功耗灵活组网的特殊要求的问题。

Description

一种工业物联网的作业终端通信协议设计方法

技术领域

本发明涉及工业物联网技术领域，特别是涉及一种工业物联网的作业终端通信协议设计方法。

背景技术

随着中国制造先进的智能制造模式的提出，工业生产领域也迎来了物联网时代。以RFID(Radio Frequency Identification)和传感器为主的感知技术、异构分布式传输网络技术和智能终端技术等不断加入物联网中，推动物联网在工业生产领域的扩展和应用。但目前工业物联网的应用仍处于初级阶段，诸如通信协议、管理机制等问题成为工业物联网发展的掣肘。目前工业物联网在通信协议方面的问题主要如下：

缺少统一的通信协议：目前工业生产现场传感器网络对感知设备的数据封装通常采用自己的协议、标准和平台，自成体系，很难兼容，通常这些协议与互联网数据传输协议不兼容，甚至是体系架构完全不同的两种或者多种协议，尚无统一的通信协议或者语言统一技术标准，形成管理机制，解决异构网络互通问题，实现感知设备与作业终端核心网络的数据交换。

数据互操作机制不合理：现场作业终端间主要通过直接连接和直接操作的方式进行通信和数据交互，这种绕过被访问终端而直接操作数据的机制不安全也不合理。

通信过程复杂：现有的IP协议和基于该协议的通信过程较复杂，此外，目前普遍使用的XML(eXtensible Markup Language)、JSON(JavaScript Object Notation)等数据序列化方法，数据压缩效果差，速度慢，以上因素均增加了网络负载和开销，无法适应工业物联网环境下连接的时延性和可靠性等网络性能要求以及低功耗灵活组网的特殊要求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种工业物联网的作业终端通信协议设计方法，用于解决现有技术中无法适应工业物联网环境下连接的时延性和可靠性等网络性能要求以及低功耗灵活组网的特殊要求的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种工业物联网的作业终端通信协议设计方法，所述方法至少包括：

确定通信协议的数据包报头；

根据所述数据包报头构建数据包序列化和解析规则；

根据所述序列化和所述解析规则，确定数据包重传机制；

根据所述重传机制确定通信连接切换机制。

本发明的一种实现方式中，所述通信协议至少包含数据寻址、错误校验、数据包顺序标识、传输优先级标识、重传控制、数据包分类、协议版本控制。

本发明的一种实现方式中，数据包报头字段至少包括：协议当前版本号、标识数据包类型、标识传输类型、每个数据包的序列号信息、数据包标识位、数据包传输的优先级、校验位、数据包总长度、数据包重传次数上限、数据包源地址、数据包的目标地址。

本发明的一种实现方式中，所述根据所述数据包报头构建数据包序列化和解析规则的步骤，包括：

采用结构化数据存储格式作为序列化方法对数据包进行序列化和解析。

本发明的一种实现方式中，所述根据所述序列化和所述解析规则，确定数据包重传机制的步骤，包括：

步骤A：检查待传输集合中是否包含数据包，按照数据包传输的优先级进行数据传输；

步骤B：启动定时器，初始化传输序号为0，初始化重传集合为空；

步骤C：若在定时器计时结束前未收到数据包，则将该数据包序列号加入重传集合中，同时复位定时器，否则进入下一步；

步骤D：从接收的数据包中获取序列号和标识位，判断标识位是否为1，若不为1进入步骤E，否则转到步骤H；

步骤E：判断传输序号是否为0，若为0则将序列号赋值给传输序号，同时将位于1和传输序号之间的序列号加入重传集合，若不为0进入下一步；

步骤F：判断序列号是否等于传输序号加1，若等于则将序列号赋值给传输序号，否则进入下一步；

步骤G：判断序列号是否大于传输序号加1，若大于，则将位于序列号和传输序号之间的序列号加入重传集合，否则，从重传集合中移除值为传输序号项；同时判断重传集合是否为空，若为空，则传输成功，转到步骤C，若不为空，则转到步骤H；

步骤H：将重传集合所有数据包重传次数加1，同时判断是否超过数据包重传上限RUL，若超过则进行传输失败报警，若未超过则将重传集合中序列号最大的数据包标识位置为1，移除待传输集合中序列号不在重传集合内的数据包，转到步骤A。

本发明的一种实现方式中，所述根据所述重传机制确定通信连接切换机制的步骤，包括：

获取待传输数据包类型，在判断待传输数据包类型为设备控制指令时，获取待传输数据包源地址；

获取数据包源地址作业终端当前任务池内可以启动的任务，并根据所述任务预计进行的会话总数和预计加工总时长；

判断所述会话总数和预计加工总时长是否小于基准参数最大会话次数；

如果是，新建短连接传输该数据包，在数据传输完成后关闭短连接；

如果否，新建长数据传输该数据包，并在数据包传输完成后，等待下一次数据传输，且启动定时器；

在定时周期内判断是否存在发送指令；

如果是，定时器清零，并依据发送指令进行数据发送；

如果否，判断定时器是否已经出发，如果否，返回步骤“在定时周期内判断是否存在发送指令”；如果是，发送心跳消息，并在存在响应的情况下长连接维持成功，否则长连接断开报警。

如上所述，本发明的工业物联网的作业终端通信协议设计方法，具有以下有益效果：

(1)相比较其他作业终端通信协议，成功解决了通信过程复杂、网络负载大、难以兼容设备层协议、数据互操作机制不合理等缺陷。

(2)统一了工业生产现场传感器网络和作业终端核心网络数据交换的通信体系，形成了作业终端的通信管理机制，解决了工业物联网环境下异构网络互通的通信协议问题。

(3)采用新的数据包报头设计和序列化及解析规则，丰富协议功能，简化编码解码方式，降低网络负载；设计重传机制，减少数据包重传次数，提高数据包重传速度，提升了数据传输的准确性；构建通信连接切换机制，根据传输内容切换连接机制，保证传输的实时性的同时最大程度利用了通信资源。

附图说明

图1显示为本发明的工业物联网的作业终端通信协议设计方法的一种流程示意图。

图2显示为本发明工业物联网的作业终端通信协议设计方法的一种具体实施例示意图。

图3显示为本发明工业物联网的作业终端通信协议设计方法的另一种具体实施例示意图。

元件标号说明

S101～S104 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1-图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明实施例提供一种工业物联网的作业终端通信协议设计方法，方法至少包括：

S101，确定通信协议的数据包报头。

需要说明的是，设定通信协议实现的功能：为保证作业终端通信的实时性和可靠性，面向工业物联网的作业终端通信协议除了包含数据寻址、错误校验等基础功能外，在协议中应实现数据包顺序标识、传输优先级标识、重传控制功能，同时，为了增强协议的鲁棒性，还应添加数据包分类、协议版本控制等功能。

设定通信协议数据包报头字段及各字段取值范围和长度：为实现上述通信协议功能，数据包报头字段组成和长度如表1所示。

表1

其中，VER(Version)：表示协议当前版本号，用于告知通信双方所用的协议，长度为4bits；CMD(Command)：用来标识数据包类型，长度为4bits，主要包括生产任务指令、设备控制指令、服务方法请求和业务数据传输四类；TM(Transmission Mode)：用来标识传输类型，长度为4bits，主要包括端对端通信，端对设备通信和设备对端通信三类；SN(SerialNumber)：用来表示每个数据包的序列号信息，由于各数据包的序列号唯一，可以有效地保证接收方所接收数据的完整性。数据接收端能够重组序列号连续的数据包，恢复原先的数据，同时也能够知晓哪些数据包尚未接收，以及中途有哪些数据包发生了丢失，针对性的让发送方重传丢失包。SN字段的长度为16bits，因此可以标记2¹⁶-1个数据包；FLAG：数据包标识位，长度为1bit，用来告知接收方数据传输是否完毕，当Flag值为1时，表示当前数据包是最后的数据包，此次传输即将完成；当其值为0时，表示还有后续的传输任务；PRI(Priority)：用来表示数据包传输的优先级，长度为4bits，当物理层显示链路负载过大或者正在发生碰撞，则低优先级数据包会立刻停止传输，高优先级则开始传输。优先级分为四级，***最高级，报警级，普通级和低级；HCN(Header Check Number)：该字段为校验位，存储了报头校验和，长度为16bits。其功能是监测数据包在转发和传输过程中，其数据是否损坏。数据包在发送之前，协议按照规则计算报头校验数，并将结果一起发送，而接收端在收到数据后，以同样的方式进行计算，并将得到的结果和发送方的校验数据进行比较，如果两者数据不同，则接收端丢弃此数据包，并要求对方进行重发；DL(DataLength)：表示数据包总长度即报头和包体长度总和，长度为16bits，因此可以标识最大长度为2¹⁶-1字节；RUL(RetransmitUpperLimit)：标识数据包重传次数上限，当该数据包重传次数到达上限值时则触发相应报警，长度为4bits；SA(Source Address)：该字段表示数据包源地址，即数据包的发送方地址。以字符串的形式存储发送方的IP地址，其长度为32bits。在数据包的传输过程中，SA字段值不发生变化；DA(Destination Address)：该字段表示数据包的目标地址，即数据包的接收方地址。DA字段也是以字符串的形式存储接收方的IP地址，其长度为32bits。在数据包的传输过程中，DA字段值也不发生变化。

S102，根据数据包报头构建数据包序列化和解析规则。

本发明采用结构化数据存储格式Protocol Buffer，作为序列化方法对数据包进行序列化和解析。Protocol Buffer基于二进制，相比于传统XML，JSON等具备体积小、序列化速度快、传输速度快、使用简单和可扩展性好等优点。基于该方法，将数据包报头作为输入参数，生成的消息对象模型如下所示。

message MessagerHeader{

required string Version＝1[default＝”1.0”]；//协议版本号

required int32Command＝2；//数据包类型

required int32TransmissionMode＝3；//传输类型

required int32SerialNumber＝4；//序列号

required int32Flag＝5；//标识位

required int32Priority＝6；//优先级

required int32HeaderCheckNumber＝7；//校验位

required int32DataLength＝8；//数据包总长度

required int32RetransmitUpperLimit＝9；//重传次数上限

required string SourceAddress＝10；//源地址

required string DestinationAddress＝11；//目标地址

S103，根据序列化和解析规则，确定数据包重传机制。

可以理解的是，设定数据包重传过程参数协议：在工业环境的数据传输过程中，由于震动，生产设备信号干扰等使通信链路易受环境因素干扰，因而数据包可能会产生丢包现象，从而影响接收方所收数据的完整性。因此，为保证协议稳定性原则，设计数据包重传方案，以提高协议的容错能力。本发明采用的数据包重传机制所涉及的核心参数包括：待传输集合PSet(PendingSet)、重传集合RtSet(RetransmitSet)、传输序号tSN(transmitSerialNumber)以及数据包报头中SN、FLAG、RUL和PRI字段。

设定完整的数据包重传机制：本发明采用的数据包重传机制原理如图2所示，具体说明如下：

步骤A：检查待传输集合中是否包含数据包，按照数据包传输的优先级进行数据传输；

步骤B：启动定时器，初始化传输序号为0，初始化重传集合为空；

步骤C：若在定时器计时结束前未收到数据包，则将该数据包序列号加入重传集合中，同时复位定时器，否则进入下一步；

步骤D：从接收的数据包中获取序列号和标识位，判断标识位是否为1，若不为1进入步骤E，否则转到步骤H；

步骤E：判断传输序号是否为0，若为0则将序列号赋值给传输序号，同时将位于1和传输序号之间的序列号加入重传集合，若不为0进入下一步；

步骤F：判断序列号是否等于传输序号加1，若等于则将序列号赋值给传输序号，否则进入下一步；

步骤G：判断序列号是否大于传输序号加1，若大于，则将位于序列号和传输序号之间的序列号加入重传集合，否则，从重传集合中移除值为传输序号项；同时判断重传集合是否为空，若为空，则传输成功，转到步骤C，若不为空，则转到步骤H；

步骤H：将重传集合所有数据包重传次数加1，同时判断是否超过数据包重传上限RUL，若超过则进行传输失败报警，若未超过则将重传集合中序列号最大的数据包标识位置为1，移除待传输集合中序列号不在重传集合内的数据包，转到步骤A。

S104，根据重传机制确定通信连接切换机制。

设定通信过程通信连接类型使用规则：对于CMD为设备控制指令的传输类型，在一段连续的生产周期中，基本维持不变，针对某次生产服务只需要和设备进行一次会话，故而使用短连接简单而高效。对于其他类型的数据包传输需要综合考虑发送作业终端当前任务池中可启动任务的预计会话总数和预计加工总时长的比值同当前网络负载下单位时间内可接受的最大会话次数Parm(Parameter)的大小，若前者较大则采用长连接，反之则采用短连接。

设定通信长连接的维持和检测方法：通信长连接在通信双方在一段时间内没有传输数据时，其连接可能会变成“休眠”状态，甚至断开，因此想要维护和检测长连接需要使用心跳机制。然而在工业环境中，作业终端使用长连接传输的情景一般会频繁进行数据传输，在这段时间内心跳机制的反而会占用带宽，降低网络通信效率。因此，本发明采用的通信连接切换机制所使用的心跳机制，会在原有的基础上修改其弊端，将固定时间发送改为一段时间内存在数据传输，就取消心跳消息的发送，具体流程如下图3所示。

获取待传输数据包类型，在判断待传输数据包类型为设备控制指令时，获取待传输数据包源地址；

获取数据包源地址作业终端当前任务池内可以启动的任务，并根据任务预计进行的会话总数和预计加工总时长；

判断会话总数和预计加工总时长是否小于基准参数最大会话次数；

如果是，新建短连接传输该数据包，在数据传输完成后关闭短连接；

如果否，新建长数据传输该数据包，并在数据包传输完成后，等待下一次数据传输，且启动定时器；

在定时周期内判断是否存在发送指令；

如果是，定时器清零，并依据发送指令进行数据发送；

如果否，判断定时器是否已经出发，如果否，返回步骤“在定时周期内判断是否存在发送指令”；如果是，发送心跳消息，并在存在响应的情况下长连接维持成功，否则长连接断开报警。

如上，本发明的工业物联网的作业终端通信协议设计方法，具有以下有益效果：

(1)相比较其他作业终端通信协议，成功解决了通信过程复杂、网络负载大、难以兼容设备层协议、数据互操作机制不合理等缺陷。

(2)统一了工业生产现场传感器网络和作业终端核心网络数据交换的通信体系，形成了作业终端的通信管理机制，解决了工业物联网环境下异构网络互通的通信协议问题。

(3)采用新的数据包报头设计和序列化及解析规则，丰富协议功能，简化编码解码方式，降低网络负载；设计重传机制，减少数据包重传次数，提高数据包重传速度，提升了数据传输的准确性；构建通信连接切换机制，根据传输内容切换连接机制，保证传输的实时性的同时最大程度利用了通信资源。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种工业物联网的作业终端通信协议设计方法，其特征在于，所述方法至少包括：

确定通信协议的数据包报头；

根据所述数据包报头构建数据包序列化和解析规则；

根据所述序列化和所述解析规则，确定数据包重传机制；

根据所述重传机制确定通信连接切换机制；

其中，根据所述重传机制确定通信连接切换机制包括：

获取待传输数据包类型，在判断待传输数据包类型为设备控制指令时，获取待传输数据包源地址；

获取数据包源地址作业终端当前任务池内可以启动的任务，并根据所述任务预计进行的会话总数和预计加工总时长；

判断所述会话总数和预计加工总时长是否小于基准参数最大会话次数；

如果是，新建短连接传输该数据包，在数据传输完成后关闭短连接；

如果否，新建长数据传输该数据包，并在数据包传输完成后，等待下一次数据传输，且启动定时器；

在定时周期内判断是否存在发送指令；

如果是，定时器清零，并依据发送指令进行数据发送；

如果否，判断定时器是否已经出发，如果否，返回步骤“在定时周期内判断是否存在发送指令”；如果是，发送心跳消息，并在存在响应的情况下长连接维持成功，否则长连接断开报警。

2.根据权利要求1所述的工业物联网的作业终端通信协议设计方法，其特征在于，所述通信协议至少包含数据寻址、错误校验、数据包顺序标识、传输优先级标识、重传控制、数据包分类、协议版本控制。

3.根据权利要求1所述的工业物联网的作业终端通信协议设计方法，其特征在于，数据包报头字段至少包括：协议当前版本号、标识数据包类型、标识传输类型、每个数据包的序列号信息、数据包标识位、数据包传输的优先级、校验位、数据包总长度、数据包重传次数上限、数据包源地址、数据包的目标地址。

4.根据权利要求1-3任一项所述的工业物联网的作业终端通信协议设计方法，其特征在于，所述根据所述数据包报头构建数据包序列化和解析规则的步骤，包括：

采用结构化数据存储格式作为序列化方法对数据包进行序列化和解析。

Images