CN110855774B - 基于mqtt协议的自动配置的物联网*** - Google Patents

基于mqtt协议的自动配置的物联网*** Download PDF

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Abstract

本发明提出了基于MQTT协议的自动配置的物联网***，包括云端服务器、物联网网关以及工业设备，其中工业设备支持第一网络通讯协议，所述物联网网关能够实现第一网络通讯协议与MQTT协议之间的转换，实现与工业设备之间通过第一网络通讯协议传输数据，而通过加密的MQTT协议实现与云端服务器之间的数据传输，即通过物联网网关实现了工业设备的设备信息和MQTT协议话题之间的自动配置，无需人工干预，便于客户使用，节省了人力配置以及后期维护的成本；且数据传输安全性高，保证了客户数据的安全性。

Description

基于MQTT协议的自动配置的物联网***
技术领域
本发明涉及物联网领域，尤其是基于MQTT协议的自动配置的物联网***。
背景技术
随着物联网技术的日益发展，越来越多的工业设备需要接入网络并进行云端控制。为了接入物联网，常用的方案有：一、开发新的具有物联网功能的产品；二、开发针对旧设备的专用网关。
其中，新开发的具有物联网功能的产品，常需要支持当下流行的多种接入网络方式：如Wi-Fi、蓝牙、GPRS、3G、4G、eMTC和NB-IoT等，而当产品更新换代后，旧产品将不能接入网络，势必会造成社会资源的浪费和成本的增加；而针对旧设备开发的专用网关，可以经终端用户(设备使用者)配置后，将设备接入物联网，但现有的物联网网关在进行设备连接时需要进行复杂的配置，不仅增加了维护难度，且配置易出错，更增加了维护和人力成本。
同时，常规技术接入网络时，常采用多种不同的网络协议进行连接，各个厂家使用的协议也不尽相同，相应的物联网网关需要兼容不同的协议，使得云端服务器的开发难度增加，对云端服务器的要求更高。此外，市面上的现有产品，更多地关注其功能的多样性，而忽略了网络数据的安全性，常采用基于TCP或UDP的简单连接进行数据传输，很可能造成客户的重大损失。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出了基于MQTT协议的自动配置的物联网***
本发明的主要内容包括：
基于MQTT协议的自动配置的物联网***，包括云端服务器、多个物联网网关以及多个工业设备；其中，所述工业设备具有第一网络通讯协议接口，且通过所述第一网络通讯接口与所述物联网网关连接；
所述物联网网关通过GPRS网络接入互联网，与所述云端服务器之间通过加密的MQTT协议通信，所述物联网网关通过发布或订阅MQTT协议话题，上报工业设备的状态数据至所述云端服务器，并从云端服务器获取设备配置信息；
所述云端服务器包括应用云端和MQTT服务端，所述应用云端用于提供设备配置信息，通过所述MQTT服务端发布或订阅MQTT消息，以对工业设备和所述物联网网关进行控制。
优选的，所述第一网络通讯协议为Modbus通讯协议；所述设备配置信息包括设备配置文件、物联网网关的维护文件以及加密数字证书的更新。
优选的，所述物联网网关从所述云端服务器获取设备配置文件包括设备接入的自动配置以及设备维护的自动配置。
优选的，工业设备接入的自动配置包括：
所述物联网网关通过第一网络通讯协议获取接入其的工业设备的设备ID，根据网络协议变量映射表将其映射为MQTT话题，所述物联网网关通过GPRS发布MQTT消息，所述MQTT服务端向所述应用云端转发所述物联网网关发布的消息，所述应用云端通过订阅接收所述物联网网关发布的消息；
其中，所述物联网网关发布的MQTT消息的负载部分包括该工业设备的设备ID以及相应的配置文件加载请求，所述加载请求用于请求加载该设备ID对应的设备配置文件；
所述应用云端接收所述MQTT服务端转发的MQTT消息，根据该MQTT消息的负载内容，通过查询对应的设备配置表，发布MQTT消息，所述MQTT服务端转发该MQTT消息，将该设备 ID对应的设备配置文件转发至订阅该MQTT话题的所述物联网网关；
所述物联网网关由所述MQTT服务端接收到该MQTT消息，加载该MQTT消息负载部分的设备配置文件，实现对工业设备的配置；
其中，所述设备配置表包括标识配置表的UUID、配置表版本、配置表数据大小、第一网络协议变量类型和地址信息、变量订阅属性；其中，所述网络变量映射表存储在所述应用云端，用于实现MQTT话题与第一网络通讯协议的变量的映射。
优选的，所述物联网网关从所述云端服务器获取设备配置文件之前还包括在所述工业设备接入所述物联网网关时，所述物联网网关查询其自身是否已加载过该工业设备对应的设备配置文件，若已加载则直接对该工业设备进行配置；若未加载，则向云端服务器发送加载对应设备配置文件的请求。
优选的，工业设备维护的自动配置包括：
所述物联网网关通过第一网络通讯协议接口获取工业设备的状态数据，并根据网络协议变量映射表将该状态数据映射为MQTT话题，发布MQTT消息，所述MQTT服务端转发该消息，所述应用云端订阅该话题，获取该工业设备的状态数据；
所述应用云端根据工业设备的状态数据，发布包含对该工业设备的控制命令的MQTT消息，所述MQTT服务端转发该消息，所述物联网网关订阅所述应用云端发布的该MQTT话题，接收对工业设备的控制命令，对工业设备进行控制；
其中，所述网络变量映射表存储在所述应用云端，用于实现MQTT话题与第一网络通讯协议的变量的映射。
优选的，所述物联网网关以轮询方式将工业设备的状态数据上报至所述云端服务器；其中，所述轮询方式是指所述物联网网关按照一定的频率获取工业设备的状态数据，并将该次状态数据与上一次存储的状态数据进行比较，当两次数据有更新时，所述物联网网关启动MQTT 的发布机制，否则不启动。
优选的，对物联网网关的维护以及对加密数字证书的更新包括所述应用云端将相应的配置文件发布，所述MQTT服务端转发该MQTT话题，所述物联网网关订阅该话题，接收并加载相应的配置文件，以自动完成对其自身的维护或者加密数字证书的更新。
优选的，所述设备配置信息预先存储在所述应用云端或者通过本地的AT指令或客户端进行配置并传送至所述应用云端。
优选的，所述物联网网关通过SSL或者TLS加密MQTT通讯数据，再经过TCP网络协议传输。
本发明的有益效果在于：本发明提出了基于MQTT协议的自动配置的物联网***，包括云端服务器、物联网网关以及工业设备，其中工业设备支持第一网络通讯协议，所述物联网网关能够实现第一网络通讯协议与MQTT协议之间的转换，实现与工业设备之间通过第一网络通讯协议传输数据，而通过加密的MQTT协议实现与云端服务器之间的数据传输，即通过物联网网关实现了工业设备的设备信息和MQTT协议话题之间的自动配置，无需人工干预，便于客户使用，节省了人力配置以及后期维护的成本；且数据传输安全性高，保证了客户数据的安全性。
附图说明
图1为本发明的功能结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明所保护的技术方案做具体说明。
请参阅图1。本发明提出的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，包括云端服务器、多个物联网网关以及多个工业设备；其中，所述工业设备具有第一网络通讯协议接口，通过 GPRS网络与所述物联网网关连接；在本实施例中，所述第一网络通讯协议接口为Modbus通讯协议接口，也可以为本司自行研发的通讯协议，为了使得本发明提出的物联网***能够应用于其他领域以及其他企业的产品，优选的，本第一网络通讯协议为Modbus协议，工业设备与物联网网关均支持该Modbus协议，工业设备通过Modbus接口与物联网网关连接，向物联网网关发送Modbus RTU报文。
而所述物联网网关与所述云端服务器之间通过MQTT协议通信，且所述物联网网关通过加密的GPRS网络与所述云端服务器连接。所述物联网网关用于从所述云端服务器获取设备配置文件以实现工业设备的自动配置，即所述物联网网关接收所述工业设备发送的Modbus RTU报文，将其映射为MQTT协议的话题，然后实现与云端服务器之间的数据传输。
具体地，所述云端服务器包括应用云端以及MQTT服务端，其中，所述应用云端用于配置工业设备和物联网网关的配置文件，以及网络传输中使用到的加密数字证书，即能够提供新接入工业设备的配置文件、工业设备维护的配置文件、物联网网关的固件更新等文件以及加密网络用的加密数字证书的更新文件等；而所述MQTT服务端充当MQTT通讯中的代理者 (Broker)，用于建立、修改或者删除与应用云端和物联网网关两个client的连接，转发两个client的发布和订阅消息。
在其中一个场景中，当某个具有Modbus网络协议接口的工业设备通过Modbus接口与所述物联网网关连接后，所述物联网网关根据该工业设备的设备ID，通过向云端服务器查询网络变量映射表，将工业设备接入的配置文件加载请求映射为相应的MQTT话题，向云端服务器发送MQTT消息，也即向云端服务器发送该设备对应的设备配置文件请求，由于所述应用云端已订阅有该话题，故所述MQTT服务端转发接收该消息至所述应用云端，所述应用云端根据该消息内的负载部分的内容，通过查询对应的设备配置表，将对应的设备配置文件以MQTT消息进行发布，所述MQTT服务端转发该消息至已订阅该MQTT话题的所述物联网网关，所述物联网网关接收后，加载负载部分的设备配置文件，从而实现对工业设备的自动配置。
其中，所述设备配置表包括标识配置表的UUID、配置表版本、配置表数据大小、第一网络协议变量类型和地址信息、变量订阅属性；其中，所述网络变量映射表存储在所述应用云端，用于实现MQTT话题与第一网络通讯协议的变量的映射；所述网络变量映射表为实现第一网络通讯协议与MQTT协议转换的表单，即实现MQTT协议话题与Modbus变量的映射，该网络变量映射表可以预先存储在云端服务器，也可以通过AT指令或者APP进行配置后再同步至云端服务器。
在其中一个实施例中，当一个工业设备通过Modbus接口与物联网网关连接时，所述物联网网关首先查询其自身是否已加载过该工业设备对应的设备配置文件，若已加载则直接对该工业设备进行配置；若未加载，则向云端服务器发送加载对应设备配置文件的请求。
在其中一个场景中，当工业设备需要维护或者升级时，所述物联网网关还用于根据网络变量映射表将获取到的接入其的工业设备的状态数据转换为MQTT协议中对应的话题，与所述云端服务器之间进行MQTT协议话题的订阅与发布；即所述物联网网关将获取到的工业设备的状态数据首先转换为对应的MQTT协议话题，然后进行发布，所述应用云端通过订阅接收到该话题，从而由所述MQTT服务端转发，而获取到工业设备的状态数据，同时，所述物联网网关也订阅有应用云端发布的话题，从而能够实现应用云端对工业设备的控制或者修改工业设备的Modbus变量，以实现对工业设备的自动维护和升级。
进一步地，为了节约网络资源，所述物联网网关以轮询方式将工业设备的状态数据上报至所述云端服务器；其中，所述轮询方式是指所述物联网网关按照一定的频率获取工业设备的状态数据，并将该次状态数据与上一次存储的状态数据进行比较，当两次数据有更新时，所述物联网网关启动MQTT的发布机制，否则不启动。
在另外一个场景中，所述物联网网关的固件升级或者网络加密数字证书需要更新时，所述应用云端将相应的配置文件发布，所述MQTT服务端转发该MQTT话题，所述物联网网关订阅该话题，接收并加载相应的配置文件，以自动完成对其自身的维护或者加密数字证书的更新，从而无需单个维护设备，也无需人工接入，降低了运维成本。具体地，所述物联网网关通过SSL或者TLS加密MQTT通讯数据，再经过TCP网络协议传输，保证了客户的数据安全，且通过MQTT协议更新证书，进一步提高了安全性。
下面将以一个工业设备接入物联网网关为例阐述本发明的物联网***的工作方法：
首先，对于某个具有Modbus协议接口的工业设备，其Modbus接口与物联网网关连接，所述物联网网关获取到该工业设备的设备ID，且该设备ID具有唯一性；之后，所述物联网网关会首先查询自身是否已加载有该工业设备对应的设备配置文件，若已加载，则直接进行配置；而当未加载时，则所述物联网网关从所述云端服务器获取设备配置文件以实现工业设备的自动配置，且本次加载的设备配置文件会覆盖掉物联网网关之前加载的设备配置文件，从而降低了对物联网网关的资源的需求，降低了布设成本。
其中，所述物联网网关从所述云端服务器获取设备配置文件以实现工业设备的自动配置的步骤包括：所述物联网网关获取接入其的工业设备的设备ID，根据该设备ID向所述云端服务器发送配置文件的加载请求，并将该加载请求映射为MQTT消息；所述加载请求用于请求加载该设备ID对应的设备配置文件；
所述云端服务器订阅有该话题，接收到该MQTT消息后根据所述物联网网关发送的加载请求中的该设备ID，通过查询对应的设备配置表，向物联网网关发布对应的MQTT协议话题，以传送该设备ID对应的设备配置文件，所述物联网网关通过订阅云端服务器的话题，接收所述云端服务器传输的设备配置文件，以加载该设备配置文件，实现对工业设备的自动配置；
在工业设备的使用过程中，所述物联网网关可以向云端服务器上报相应的工业设备的状态数据，并可接收云端服务器对工业设备的控制或者修改工业设备的Modbus变量，具体步骤如下：
所述物联网网关以轮询方式将工业设备的状态数据上报至所述云端服务器，即所述物联网网关按照一定的频率获取工业设备的设备变量，并将该次设备变量与上一次存储的设备变量的数据进行比较，当两次数据有更新时，所述物联网网关启动MQTT的发布机制，否则不启动；所述物联网网关启动MQTT的发布机制是指将该工业设备的状态数据上报至所述云端服务器，同时，控制终端将控制命令发送至云端服务器，所述物联网网关还可以通过订阅相应的话题，接收云端服务器发布的对工业设备的控制、升级等参数的修改，实现对工业设备的自动维护。
同时，当各个物联网网关的固件需要更新或者网络加密数字证书需要更新时，直接由应用云端配置相应的更新文件，通过MQTT协议发布至相应的物联网网关，实现对物联网网关的自动维护。
此外，本发明中的物联网网关采用宽电压设计，可以直接由控制器上取电，也可以搭配电源适配器使用，在本实施例中，所述物联网网关保留了两种电源接口：螺接端子以及圆形电源插口，其中，螺接端子可以用于连接控制的电源输出口，而圆形电源插口可以与常见的电源适配器接口适配，便于客户灵活选择。同时，物联网网关的天线设计可以选用外置的形式，方便客户安装和部署。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容及附图所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，包括云端服务器、多个物联网网关以及多个工业设备；其中，所述工业设备具有第一网络通讯协议接口，且通过第一网络通讯接口与所述物联网网关连接；
所述物联网网关通过GPRS网络接入互联网，所述物联网网关通过第一网络通讯协议接口获取工业设备的设备ID或者状态数据，并根据网络协议变量映射表将其映射为MQTT话题；其中，所述网络协议变量映射表存储在应用云端，用于实现MQTT话题与第一网络通讯协议的变量的映射；所述物联网网关与所述云端服务器之间通过加密的MQTT协议通信；所述物联网网关通过发布或订阅MQTT协议话题，上报工业设备的状态数据至所述云端服务器，并从云端服务器获取设备配置信息；
所述云端服务器包括应用云端和MQTT服务端，所述应用云端通过查询对应的设备配置表，用于提供设备配置信息，通过所述MQTT服务端发布或订阅MQTT消息，以对工业设备和所述物联网网关进行控制；其中，所述设备配置表包括标识配置表的UUID、配置表版本、配置表数据大小、第一网络协议变量类型和地址信息、变量订阅属性。
2.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，所述第一网络通讯协议为Modbus通讯协议；所述设备配置信息包括设备配置文件、物联网网关的维护文件以及加密数字证书的更新。
3.根据权利要求2所述的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，所述物联网网关从所述云端服务器获取设备配置文件包括设备接入的自动配置以及设备维护的自动配置。
4.根据权利要求3所述的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，工业设备接入的自动配置包括：
所述物联网网关通过第一网络通讯协议获取接入其的工业设备的设备ID，根据网络协议变量映射表将其映射为MQTT话题，所述物联网网关通过GPRS发布MQTT消息，所述MQTT服务端向所述应用云端转发所述物联网网关发布的消息，所述应用云端通过订阅接收所述物联网网关发布的消息；
其中，所述物联网网关发布的MQTT消息的负载部分包括该工业设备的设备ID以及相应的配置文件加载请求，所述加载请求用于请求加载该设备ID对应的设备配置文件；
所述应用云端接收所述MQTT服务端转发的MQTT消息，根据该MQTT消息的负载内容，通过查询对应的设备配置表，发布MQTT消息，所述MQTT服务端转发该MQTT消息，将该设备ID对应的设备配置文件转发至订阅该MQTT话题的所述物联网网关；
所述物联网网关由所述MQTT服务端接收到该MQTT消息，加载该MQTT消息负载部分的设备配置文件，实现对工业设备的配置；
其中，所述设备配置表包括标识配置表的UUID、配置表版本、配置表数据大小、第一网络协议变量类型和地址信息、变量订阅属性；其中，所述网络变量映射表存储在所述应用云端，用于实现MQTT话题与第一网络通讯协议的变量的映射。
5.根据权利要求4所述的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，所述物联网网关从所述云端服务器获取设备配置文件之前还包括在所述工业设备接入所述物联网网关时，所述物联网网关查询其自身是否已加载过该工业设备对应的设备配置文件，若已加载则直接对该工业设备进行配置；若未加载，则向云端服务器发送加载对应设备配置文件的请求。
6.根据权利要求3所述的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，工业设备维护的自动配置包括：
所述物联网网关通过第一网络通讯协议接口获取工业设备的状态数据，并根据网络协议变量映射表将该状态数据映射为MQTT话题，发布MQTT消息，所述MQTT服务端转发该消息，所述应用云端订阅该话题，获取该工业设备的状态数据；
所述应用云端根据工业设备的状态数据，发布包含对该工业设备的控制命令的MQTT消息，所述MQTT服务端转发该消息，所述物联网网关订阅所述应用云端发布的该MQTT话题，接收对工业设备的控制命令，对工业设备进行控制；
其中，所述网络变量映射表存储在所述应用云端，用于实现MQTT话题与第一网络通讯协议的变量的映射。
7.根据权利要求6所述的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，所述物联网网关以轮询方式将工业设备的状态数据上报至所述云端服务器；其中，所述轮询方式是指所述物联网网关按照一定的频率获取工业设备的状态数据，并将该次状态数据与上一次存储的状态数据进行比较，当两次数据有更新时，所述物联网网关启动MQTT的发布机制，否则不启动。
8.根据权利要求2所述的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，对物联网网关的维护以及对加密数字证书的更新包括所述应用云端将相应的配置文件发布，所述MQTT服务端转发该MQTT话题，所述物联网网关订阅该话题，接收并加载相应的配置文件，以自动完成对其自身的维护或者加密数字证书的更新。
9.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，所述设备配置信息预先存储在所述应用云端或者通过本地的AT指令或客户端进行配置并传送至所述应用云端。
10.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的自动配置的物联网***，其特征在于，所述物联网网关通过SSL或者TLS加密MQTT通讯数据，再经过TCP网络协议传输。
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