基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统的制作方法

1.本发明属于物联网技术领域，涉及多系统融合通信协议适配系统，尤其是一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统。


背景技术：

2.目前，终端通信协议众多并且很难统一，使用较多的协议，如modbus、zigbee、载波、wsn、rs232/485等协议，每个协议都有自己的使用场景，除了这些主流并且较规范统一的协议之外，部分终端厂商还有自己的终端通信协议。开发者面对复杂繁多的终端协议，自己逐一解析开发应用的成本大且耗时较长。
3.而且，随着配用电网规模不断扩大、网架结构日益复杂。现有配用电通信网逐步显现出局限性，具体表现为：
4.1、单一业务建网，表现为配电网自动化业务和用电信息采集业务都有独立的终端接入通信子系统；
5.2、通信通道独立共存，终端接入通信网的融合主要局限于业务应用层融合，有别于异构网网络层融合，通信通道只支持单一通信技术的纵向连接而非多种技术的多网协同通信互补融合，不能完全满足配用电业务高可靠性要求。
6.因此，如何使各物联网终端能够标准化适配，快速接入通信网并完成数据的存储和转发，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。
7.经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的公开文献。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统，能够使得各物联网终端的标准化适配、快速接入、数据存储和转发。
9.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
10.一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统，包括：
11.低压通信接入网、中压通信接入网、安全策略模块和多协议适配接口系统；所述安全策略模块用于将中压通信接入网根据不同安全等级划分为中压接入区ⅰ和中压接入区ⅱ，所述中压接入区ⅰ通过调度数据网外接有配电业务系统，所述配电业务系统配置有若干配电终端，所述中压接入区ⅱ通过综合数据网外接有用电信息采集系统，所述用电信息采集系统配置有若干用电终端；所述低压通信接入网与中压接入区ⅱ相连接，采用多模传输模块和融合网关实现有线专网与无线专网的多网协同；所述多协议适配接口系统用于将配电终端和用电终端进行标准化适配接入。
12.而且，所述多协议适配接口系统配置有协议标准化配置单元、高并发终端接入单元、数据解析单元、数据存储单元和通讯引擎；所述高并发终端接入单元与至少一个配电终端或用电终端通过网络连接，该高并发终端接入单元用于提供多路非阻塞的网络i/o；所述高并发终端接入单元还与协议标准化配置单元电信号连接，所述协议标准化配置单元用于
根据配电终端或用电终端的类型不同对应匹配不同类型的协议对象；所述高并发终端接入单元还与数据解析单元电信号连接，该数据解析单元用于根据获取协议对象并使用该协议对象对数据进行解析；所述数据解析单元的输出端与数据存储单元电信号连接，该数据存储单元用于将经由所述数据解析单元解析后的数据临时寄存；所述通信引擎与配电终端或用电终端电信号连接，该通讯引擎用于提供感知层的数据融合。
13.而且，所述通讯引擎配置有规则库，通过规则库比对通讯引擎，匹配正确的协议对象解析该数据，所述协议对象保存于所述数据存储单元中。
14.而且，所述协议对象包括模组协议和设备协议，将上行数据根据相应的模组协议和设备协议分别进行解析得到配电终端或用电终端数据。
15.而且，所述协议标准化配置单元根据协议将设备数据拆分为两部分，然后进行数据类型转换从而实现数据解析，所述设备数据的存储格式设置为bson/json。
16.而且，所述高并发终端接入单元采用双向通道进行数据传输，双向通道注册感兴趣事件。
17.而且，所述感兴趣事件包括服务端接收客户端连接事件、客户端连接服务端事件、读事件和写事件。
18.而且，所述数据解析单元先将设备的上行数据信息先经过模组协议循环读取和解析，判断读取下一字段长度是否足够，是则解析该字段数据，否则记录当前步骤，然后结束指令，直至全部字段均读完或者数据长度不足时停止读取；然后经设备协议循环读取和解析，判断读取下一字段长度是否足够，是则解析该字段数据，否则记录当前步骤，然后结束指令，直至全部字段均读完或者数据长度不足时停止读取。
19.而且，所述配电终端和用电终端均与设备管理平台规定的传输协议配置实现消息的编解码过程，通过设置配电终端或用电终端设备的规则引擎使得设备管理平台添加自定义规则实现消息转发的业务功能，从而显示配电终端或用电终端设备的实时状态和历史数据。
20.而且，所述传输协议配置具体是根据系统约定规则以xml节点方式拆分成各个数据类型的字段。
21.本发明的优点和有益效果：
22.1、本发明提出一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统，配置有协议标准化配置单元、高并发终端接入单元、数据解析单元、数据存储单元和通讯引擎，协议标准化配置单元用于根据配电终端或用电终端的类型不同对应匹配不同类型的协议对象，高并发终端接入单元用于提供多路非阻塞的网络i/o，数据解析单元用于根据获取协议对象并使用该协议对象对数据进行解析，数据存储单元用于将经由数据解析单元解析后的数据临时寄存，通讯引擎用于提供感知层的数据融合；本发明能够使得各物联网配电终端或用电终端的标准化适配、快速接入、数据存储和转发。
23.2、本发明的基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统架构采用了nio技术设计和实现了tcp和udp通信引擎，同时加入了多线程控制，采用线程池技术动态地分配和调节线程数，异步、高效地处理连接和读写等事件，有效提高了系统的吞吐率和并发数。
附图说明
24.图1是本发明的一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统的整体结构图；
25.图2是本发明的一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统的配电业务系统示意图；
26.图3是本发明的一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统的用电信息采集系统示意图；
27.图4是本发明的一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统的多协议适配接口系统示意图；
28.图5是本发明的一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统的数据解析单元工作过程示意图；
29.图6是本发明的一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统的数据存储结构示意图。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
31.一种基于泛在电力物联网多系统融合通信协议适配系统，如图1所示，包括：
32.低压通信接入网、中压通信接入网、安全策略模块和多协议适配接口系统；所述安全策略模块用于将中压通信接入网根据不同安全等级划分为中压接入区ⅰ和中压接入区ⅱ，所述中压接入区ⅰ通过调度数据网外接有配电业务系统，所述配电业务系统配置有若干配电终端，所述中压接入区ⅱ通过综合数据网外接有用电信息采集系统，所述用电信息采集系统配置有若干用电终端；所述低压通信接入网与中压接入区ⅱ相连接，采用多模传输模块和融合网关实现有线专网与无线专网的多网协同；所述多协议适配接口系统用于将配电终端和用电终端进行标准化适配接入。
33.在本实施例中，低压通信接入网在满足配用电业务安全接入前提下，除需要网络专用与横向隔离要求的业务(如调度业务)外，对不同网络技术(如epon技术、td
‑
lte技术和lte230技术)承载相同业务情况(如配电网二遥、微网接入和用能管理)，可采用转换通用协议(如ip协议)或研制多模传输模块实现有线专网和无线专网的多网协同，如基于光载无线rof技术epon有线通道可以作为td
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lte/lte
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230基站与业务层主站的回传传输链路；基于多模传输模块，td
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lte(1.8ghz频段)与lte230(230mhz频段)无线专网间可实现多频段的组网和数据调度，为配电终端或用电终端提供双通信通道支持。低压通信接入网不同网络技术(如plc技术和wsn技术)承载相同业务情况(如用电信息采集业务和用户需求响应业务)，可采用研制多模传输模块和融合网关实现有线专网和无线专网的多网协同，如wsn协议与plc协议转换，用电终端可以依据plc信道状态与wsn频段状态实现通信通道的自动切换，保证双通道支持；研制兼容td
‑
lte和lte230的传输协议的wsn融合网关，使得wsn用电终端支持双通道(如epon有线通道或td
‑
lte/lte230无线通道)数据回传，保证了通信的可靠性。
34.所述多协议适配接口系统配置有协议标准化配置单元、高并发终端接入单元、数据解析单元、数据存储单元和通讯引擎；所述高并发终端接入单元与至少一个配电终端或用电终端通过网络连接，该高并发终端接入单元用于提供多路非阻塞的网络i/o；所述高并
发终端接入单元还与协议标准化配置单元电信号连接，所述协议标准化配置单元用于根据配电终端或用电终端的类型不同对应匹配不同类型的协议对象；所述高并发终端接入单元还与数据解析单元电信号连接，该数据解析单元用于根据获取协议对象并使用该协议对象对数据进行解析；所述数据解析单元的输出端与数据存储单元电信号连接，该数据存储单元用于将经由所述数据解析单元解析后的数据临时寄存；所述通信引擎与配电终端或用电终端电信号连接，该通讯引擎用于提供感知层的数据融合。
35.如图4所示，按物联网数据架构由上至下依次分成应用层、权限控制层、能力服务总线、数据流总线、通讯层和设备管理层，应用层作为物联网逻辑架构的最顶层，主要功能是将设备管理层采集到的数据信息进行计算处理以实现决策的精确管理，集中面向数据应用和用户端设备，其中轻应用快速构建平台配置有监视组件库、控制组件库、可视化应用构建引擎、时间订阅组件，能够实现数据透传服务、数据流数据、时间订阅服务以及软件应用开发功能，适用于智能工业应用、智能农业应用、智能家居应用等，通讯层配置有包括nio高效tcp处理引擎以及udp处理引擎在内的通讯引擎、不同总线的适配器；数据流总线配置有no sql数据流异步队列和实时数据流透传接口，能够实时写入离线数据；能力服务总线中包括设备监视服务引擎、设备控制服务引擎、设备预警服务引擎，能够实现数据存储服务、配电终端或用户终端信息同步、日志服务、位置服务、sim状态服务等；权限控制层主要包括设备权限控制、应用权限控制和用户与角色控制，设备管理层作为最底端的感知层，用于识别设备对象获取设备信息，在线监控、日志等环境信息。
36.在本实施例中，物联网广泛协议适配接口系统主要是用于各物联网配电终端或用户终端的标准化适配、快速接入、数据存储和转发。由于每个协议都有自己的标准和规则，协议配置需要最大程度地兼容各类型的协议，特别是主流的终端协议，以达到统一协议、标准化配置的目的。系统同时需要保留相应接口，针对部分特殊协议予以自定义扩展实现，提高系统的可扩展性；系统应考虑未来配电终端或用户终端的众多接入量，面对海量接入终端，系统需解决高并发问题，提高系统的并发数和吞吐率；根据在系统的配置协议，系统需要将配电终端或用户终端上传的数据正确、高效地解析，除了接收和解析终端上行数据，系统可以对指定上行指令进行回应或者主动向配电终端或用户终端下发数据；各行业各类型的配电终端或用户终端数据解析之后的数据结构都不一样，本系统实现将不同结构类型配电终端或用户终端数据的快速读写。
37.如图2和图3所示，根据配用电通信网的要求和多种通信技术特征，考虑充分发挥各种通信技术的优点，减弱各种技术应用缺点，在中压通信接入平面和低压通信接入平面建立以光纤网络为骨干、无线技术与载波通信为辅的多种技术融合的网络结构，其中，olt表示光线路终端；onu表示光网络单元；ftu表示馈线终端单元；dtu表示配电终端单元；ttu表示配电变压器终端单元。
38.平面融合技术主要包括epon技术、中压plc技术、工业以太网技术、td
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lte技术、lte230技术和rof技术，以上6种单一技术通信qos指标均能满足中压通信接入平面终端的qos要求。考虑该平面配电终端通信需求侧重可靠性要求，用电终端侧重通信带宽要求，因此采用双通信通道融合设计。具体融合技术途径：
39.多网协同，采用内部多种通信技术集成机制，包括epon与lte融合，专网多频段组网、专网多频段调度、无线专网与无线公网切换4种方式；
40.①
epon与lte融合
41.采用光载无线rof技术，运用epon的onu单元作为td
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lte基站与业务主站回传传输链路单元，在单元内部集成通信技术，直接利用光载波来传输射频信号，实现配用电业务终端灵活接入。
42.②
专网多频段组网
43.采用含td
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lte(1.8ghz频段)与lte230(230mhz频段)的多模传输模块，在模块内部集成多种通信技术，实现微网新能源接入业务(光伏－充电桩)横联互补接入，提高接入的可靠性。
44.③
专网多频段调度
45.采用含td
‑
lte(1.8ghz频段)与lte230(230mhz频段的多模传输模块，在模块内部集成多种通信技术，扩展多频段多信道传输及业务数据流调度功能，依据各网络业务负载带宽资源占用情况，动态调整配电终端的最佳接入网络，实现高带宽接入。
46.④
无线专网与无线公网切换
47.采用含无线专网(含td
‑
lte与lte230)与无线公网(含4g无线技术)的多模传输模块，在模块内部集成多种通信技术，在支持用电业务终端(集中器和智能用电终端)依据网络通信状态，自动切换最佳接入网络。
48.自治自愈协同，采用配电终端中继直通基站方式。采用1.8ghz频段td
‑
lte扩展d2d中继直通基站功能传输模块，针对覆盖范围比较差配电终端脱离核心网的配电网终端，通过配电终端中继直通基站方法，配电终端能够借助中继终端实现正常数据传输，实现配电终端脱离核心网控制下的网络可重构机制，完成自治自愈通信。
49.所述通讯引擎配置有规则库，通过规则库比对通讯引擎，匹配正确的协议对象解析该数据，所述协议对象保存于所述数据存储单元中。如图6所示，系统启动时加载所有正确配置的协议，以协议对象的形式保存在数据存储单元中，当系统收到设备数据时，首先在数据存储单元中查找相应的协议对象，然后使用该协议对象解析该数据，设备队列包括若干物联网设备类型、设备端口号、协议类型，解析后的数据暂存有效数据缓存区，分别寄存包括设备端口号、设备编码、数据单位、设备采集数据以及发送设备状态时间在内的数据。
50.所述协议对象包括模组协议和设备协议，将上行数据根据相应的模组协议和设备协议分别进行解析得到配电终端或用户终端数据。
51.在本实施例中，将协议拆分为模组协议和设备协议，相当于将配电终端或用户终端上行数据由相应的模组协议和设备协议分别解析，它们的解析结果合成后就是完整的配电终端或用户终端数据。无论是模组协议配置还是设备协议配置，它们设计思路和实现原理都是一致的。协议配置主要是熟悉协议后，根据系统约定的规则以xml节点方式拆分成各数据类型的字段，目前系统支持的字段有字节类型、短整型、整型、长整型、数组、固定长度字符串、不固定长度字符串、按位与设备包等，并可以根据实际需求不断扩展。针对一些设备数据长度不固定，或者协议比较特殊等情况，系统同时保留了相应接口，由开发者实现该接口而自定义解析数据，提高了系统对各种协议的兼容性和可扩展性。
52.本发明启动时加载所有正确配置的协议，每个协议都以协议对象的形式保存在内存中，系统收到设备数据时首先是在内存中查找相应的协议对象，然后使用该协议对象解析该数据。协议作为系统插件，支持类似硬件的“热插拔”：在系统运行时新增和修改协议，
都会触发协议对象在内存中生成和更新。
53.所述协议标准化配置单元根据协议将设备数据拆分为两部分，然后进行数据类型转换从而实现数据解析，所述设备数据的存储格式设置为bson/json，这使得整个系统的数据的表示能够采用统一模型。
54.所述高并发终端接入单元采用双向通道进行数据传输，双向通道注册感兴趣事件。相较于现有io操作而言，其具有锁和内存映射文件的文件访问接口，面向块、非阻塞和高伸缩性的特点，速度比较快，适合高并发的应用场景。
55.所述感兴趣事件包括服务端接收客户端连接事件、客户端连接服务端事件、读事件和写事件。服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象，我们称之为selector，该对象能检测一个或多个通道(channel)上的事件。以服务端为例，如果服务端的selector上注册了读事件，某时刻客户端给服务端送了一些数据，阻塞i/o这时会调用read()方法阻塞地读取数据，而nio的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector，如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，如果没有感兴趣的事件到达，则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。
56.考虑到大量各种配电终端或用户终端的连接需求，在技术架构上系统采用了nio技术设计和实现了tcp和udp通信引擎。同时加入了多线程控制，采用线程池技术动态地分配和调节线程数，异步、高效地处理连接和读写等事件，有效提高了系统的吞吐率和并发数。
57.如图5所示，所述数据解析单元先将设备的上行数据信息先经过模组协议循环读取和解析，判断读取下一字段长度是否足够，是则解析该字段数据，否则记录当前步骤，然后结束指令，直至全部字段均读完或者数据长度不足时停止读取；然后经设备协议循环读取和解析，判断读取下一字段长度是否足够，是则解析该字段数据，否则记录当前步骤，然后结束指令，直至全部字段均读完或者数据长度不足时停止读取。
58.配电终端和用电终端均与设备管理平台规定的传输协议配置实现消息的编解码过程，通过设置配电终端或用户终端设备的规则引擎使得设备管理平台添加自定义规则实现消息转发的业务功能，从而显示配电终端或用户终端设备的实时状态和历史数据。
59.所述传输协议配置具体是根据系统约定规则以xml节点方式拆分成各个数据类型的字段。
60.需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。