一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统及组网方法
阅读说明：本技术 一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统及组网方法 (Internet of things intelligent networking monitoring system and networking method based on 6LowPAN protocol ) 是由 谢孔英 赖拥军 王宁 于 2021-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及物联网技术领域,具体地说,涉及一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统及组网方法。包括基础建设单元、协议管理单元、数据处理单元和扩展服务单元；基础建设单元用于提供支持监测系统运行的基础设备、智能终端、传感装置及技术支持等；协议管理单元用于在系统中载入6LowPAN协议并对协议进行管理分配；数据处理单元用于对系统的监测对象终端的状态参数进行采集、传输等操作；扩展服务单元用于给系统增加多种扩展功能业务并扩展系统的应用环境。本发明设计可以有效精简协议内存、降低功耗,有效防止干扰,避免了传统智能物联网系统中存在的有线布网移动性差、扩展性差的问题；其组网方法可以有效提高系统的稳定性、安全性及实用性。(The invention relates to the technical field of Internet of things, in particular to an Internet of things intelligent networking monitoring system and a networking method based on a 6LowPAN protocol. The system comprises an infrastructure unit, a protocol management unit, a data processing unit and an extended service unit; the infrastructure unit is used for providing basic equipment, an intelligent terminal, a sensing device, technical support and the like for supporting the operation of the monitoring system; the protocol management unit is used for loading a 6LowPAN protocol in the system and managing and distributing the protocol; the data processing unit is used for collecting and transmitting the state parameters of the monitoring object terminal of the system; the extended service unit is used for adding various extended function services to the system and extending the application environment of the system. The design of the invention can effectively simplify the protocol memory, reduce the power consumption, effectively prevent the interference and avoid the problems of poor wired network distribution mobility and poor expansibility in the traditional intelligent Internet of things system; the networking method can effectively improve the stability, safety and practicability of the system.)
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体地说，涉及一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统及组网方法。
背景技术
物联网是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统，在军事、环境监测、智能楼宇、智能电网、工业控制、物流和医疗护理等诸多领域都有广阔的应用前景。但是，传统的智能物联网系统中存在有线布网移动性差、扩展性差的问题；同时，物联网与互联网连接时需要通过一定的网络协议栈，传统的网络协议占据内存较大、功耗大，且服务功能有限、不便进行扩展开发。若在物联网智能组网系统中引入嵌入式的微型 6LowPAN协议，则能很好地解决这个问题。然而，目前却没有完善的基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统及其组网方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统及组网方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统，包括
基础建设单元、协议管理单元、数据处理单元和扩展服务单元；所述基础建设单元、所述协议管理单元、所述数据处理单元与所述扩展服务单元依次通过以太网通讯连接；所述基础建设单元用于提供支持监测系统运行的基础设备、智能终端、传感装置及技术支持等；所述协议管理单元用于在系统中载入6LowPAN协议并对协议进行管理分配；所述数据处理单元用于对系统的监测对象终端的状态参数进行采集、传输等操作；所述扩展服务单元用于给系统增加多种扩展功能业务并扩展系统的应用环境；
所述基础建设单元包括终端管理模块、状态感知模块、路由开发模块和网络通信模块；
所述协议管理单元包括节点设计模块、模式选择模块、固件升级模块和服务开发模块；
所述数据处理单元包括属性标识模块、探测读取模块、格式转换模块和传输处理模块；
所述扩展服务单元包括实时监测模块、安全管理模块、信息反馈模块和功能应用模块。
作为本技术方案的进一步改进，所述终端管理模块、所述状态感知模块与所述路由开发模块依次通过以太网通讯连接；所述终端管理模块用于对支持系统运行的基础终端设备进行分配管理；所述状态感知模块用于通过布设在监测对象环境内的终端传感装置对环境状态参数进行检测及数据采集操作；所述路由开发模块用于开发物联网路由器的功能服务，以促进物联网与互联网的连接；所述网络通信模块用于给系统各层面之间提供信号接入及数据传输的通道。
其中，终端设备包括计算机处理器、显示器、路由器等。
其中，终端传感装置包括但不限于温湿度传感器、空气质量检测仪、烟雾报警器、智能手环等。
其中，网络通信包括但不限于有线通信、局域网、无线WiFi、3G、数据流量等。
作为本技术方案的进一步改进，所述路由开发模块包括协议嵌入模块、算法设计模块、信道选择模块和应用连接模块；所述协议嵌入模块、所述算法设计模块、所述信道选择模块与所述应用连接模块依次通过以太网通讯连接且并列运行；所述协议嵌入模块用于通过设计嵌入式微型协议栈以实现协议精简及降低功耗；所述算法设计模块通过自主设计自适应频率捷变算法并与具有良好选择性的射频信号结合以达到防止驻波干扰、调频干扰的效果；所述信道选择模块用于给数据传输提供良好传输信道的选择条件并自动进行信道智能选择功能；所述应用连接模块用于以宽带或3G为载体结合各种无线传输技术并应用于各种智能数字管理系统以解决有线布网移动性差、扩展性差的问题。
作为本技术方案的进一步改进，所述信道选择模块采用作业优先级的算法，其计算公式为：
Pj[i]＝Po[i]+N*Twait
其中，Po[i]为作业提交时指定的优先级，Twait为作业在队列中等待的时间，N为常数因子，随着等待时间的增加，作业优先级动态的增加，直到增加到阈值，即最高优先级。
作为本技术方案的进一步改进，所述节点设计模块、所述模式选择模块、所述固件升级模块与所述服务开发模块依次通过以太网通讯连接并独立运行；所述节点设计模块用于对6LowPAN协议的作用节点按照需要完成的物联网具体功能进行选择及分布的设计；所述模式选择模块用于通过AT指令对xPAN进行配置并设定不同的模式以供系统调用；所述固件升级模块用于在协议的xPAN模块端开放OTA固件升级协议给用户提供可以远程维护设备的功能服务；所述服务开发模块用于开发物联网服务器的应用功能及工作流程。
其中，xPAN的模式分为配置模式和应用模式，在使用时，用户可以先将模块设置为配置模式，配置好相关的参数之后再将模块设置为应用模式；在应用模式，串口使透明传输的，串口发送的数据将直接转发给服务器。
作为本技术方案的进一步改进，所述属性标识模块的信号输出端与所述探测读取模块的信号输入端连接，所述探测读取模块的信号输出端与所述格式转换模块的信号输入端连接，所述格式转换模块的信号输出端与所述传输处理模块的信号输入端连接；所述属性标识模块用于对监测对象的属性进行标识并形成标识标签；所述探测读取模块用于通过布设在监测环境各处的终端传感装置对各监测对象的属性标签进行探测识别及读取操作；所述格式转换模块用于将读取的标签数据转换为适合网络传输的统一格式；所述传输处理模块用于通过优选的网络通道将采集的数据传输到信息处理中心进行统计分析。
其中，属性包括静态和动态的属性；静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要由传感器实时探测。
作为本技术方案的进一步改进，所述格式转换模块采用语义转换的方法，具体为：
用Rset表示语义转换规则集，Rset＝{r1，r2，…，rn}，其中ri表示某一条规则，i＝1，2，…，n， n为规则总数量，ri＝(T，D，OT，O，R)；
T为Type，语义转换问题类型标识；D为Data，语义转换层待处理的数据对象；OT为OperationType，语义转换层所执行转换操作的触发器类型；O为Operation，语义转换具体操作；R为Reference，规则中操作。
作为本技术方案的进一步改进，所述实时监测模块、所述安全管理模块、所述信息反馈模块与所述功能应用模块依次通过以太网通讯连接；所述实时监测模块用于通过高速的无线数据传输技术来获取实时的环境参数并及时进行处理以达到实时监测的目的；所述安全管理模块用于对智能组网及其监测系统运行过程中的安全因素进行管理保护；所述信息反馈模块用于将实时监测的信息及安全情况上报到管理后台及用户终端；所述功能应用模块用于通过对系统进行调整升级以便应用于不同的功能环境中。
其中，功能环境包括但不限于健康监控、智能家居、环境监测、工业自动化、道路监控、污水处理、应急救援等。
作为本技术方案的进一步改进，所述安全管理模块包括网络安全模块、系统稳定模块和信息保护模块；所述网络安全模块、所述系统稳定模块与所述信息保护模块并列运行；所述网络安全模块用于通过多种网络防护操作及加设防火墙的手段来对系统运行的网络环境进行保护；所述系统稳定模块用于通过隐私保护、用户认证、通信层安全及随时可用性等方面的安全管理来维持系统的稳定运行；所述信息保护模块用于通过可靠的读取控制、数据保密性、数据完整性等方面的防护手段来对信息安全进行保护。
本发明的目的之二在于，提供一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网方法，通过该方法构建的组网系统作为上述的基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统的运行载体及执行器，包括如下步骤：
S1、依据物联网检测系统应用的对象及其运行环境，进行规划设计；
S2、依据安全性、可靠性、实用性、高性能为第一指标要素的物联网设计原则，进行物联网系统的设计，并充分考虑6LowPAN协议；
S3、引入物联网路由器，在物联网路由器上进行服务器开发，将物联网与互联网连接起来，并对6LowPAN协议进行节点设计和固件升级；
S4、进行物联网工程设计，合理选择物联网基础设施，包括信号发射、接收装置，进行数据存储系统，物联网管理系统的设计；
S5、根据监测系统应用的环境场景，对专用工具与设备进行选择和设计，将对应的传感器布设于环境场景中，并分别经对应的数据中转终端通过合适的网络通信技术与监测管理系统处理中心连接起来；
S6、对系统方案进行配置，将外网连接入系统后，先在内部网和外部网之间、专用网和公共网之间设置安全防火墙；
S7、进行系统测试，使物联网大系统下的每一子系统、功能和作业环境，都保证能与系统整体有效衔接与协调一致。
本发明的目的之三在于，提供一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统运行装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述任一的基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统。
本发明的目的之四在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一的基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统中，通过设计嵌入式微型的6LowPAN 协议，可以有效精简协议内存、降低功耗，实现物联网与互联网的无缝连接，同时通过与具有良好选择性的射频信号结合以提供信道选择功能，有效防止驻波干扰、调频干扰，使其可以与其他无线模块在物联网路由器内良好共存，另外以宽带或3G为接入载体，与其他无线传输技术结合，避免了传统智能物联网系统中存在的有线布网移动性差、扩展性差的问题，进而可以应用于多种环境场景的智能管理系统；
2.该基于6LowPAN协议的物联网智能组网方法中，按照物联网组网原则进行设计，引入物联网路由器并设计嵌入式6LowPAN协议，并根据应用的环境场景选取合适的基础设施及传感终端，并通过多种防护手段提高系统的安全性，可以有效提高系统的稳定性、安全性及实用性，可以适用于多种领域。
附图说明
图1为本发明的示例性产品架构图；
图2为本发明的整体系统装置结构图；
图3为本发明的局部系统装置结构图之一；
图4为本发明的局部系统装置结构图之二；
图5为本发明的局部系统装置结构图之三；
图6为本发明的局部系统装置结构图之四；
图7为本发明的局部系统装置结构图之五；
图8为本发明的局部系统装置结构图之六；
图9为本发明的示例性方法流程框图；
图10为本发明的示例性计算机程序产品结构图。
图中：
1、处理器；2、显示器；3、物联网路由器；4、IPV6协议；5、数据中转终端；6、传感终端；
100、基础建设单元；101、终端管理模块；102、状态感知模块；103、路由开发模块；1031、协议嵌入模块；1032、算法设计模块；1033、信道选择模块；1034、应用连接模块； 104、网络通信模块；
200、协议管理单元；201、节点设计模块；202、模式选择模块；203、固件升级模块；204、服务开发模块；
300、数据处理单元；301、属性标识模块；302、探测读取模块；303、格式转换模块；304、传输处理模块；
400、扩展服务单元；401、实时监测模块；402、安全管理模块；4021、网络安全模块；4022、系统稳定模块；4023、信息保护模块；403、信息反馈模块；404、功能应用模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-图10所示，本实施例提供了一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统，包括
基础建设单元100、协议管理单元200、数据处理单元300和扩展服务单元400；基础建设单元100、协议管理单元200、数据处理单元300与扩展服务单元400依次通过以太网通讯连接；基础建设单元100用于提供支持监测系统运行的基础设备、智能终端、传感装置及技术支持等；协议管理单元200用于在系统中载入6LowPAN协议并对协议进行管理分配；数据处理单元300用于对系统的监测对象终端的状态参数进行采集、传输等操作；扩展服务单元400用于给系统增加多种扩展功能业务并扩展系统的应用环境；
基础建设单元100包括终端管理模块101、状态感知模块102、路由开发模块103和网络通信模块104；
协议管理单元200包括节点设计模块201、模式选择模块202、固件升级模块203和服务开发模块204；
数据处理单元300包括属性标识模块301、探测读取模块302、格式转换模块303和传输处理模块304；
扩展服务单元400包括实时监测模块401、安全管理模块402、信息反馈模块403和功能应用模块404。
本实施例中，终端管理模块101、状态感知模块102与路由开发模块103依次通过以太网通讯连接；终端管理模块101用于对支持系统运行的基础终端设备进行分配管理；状态感知模块102用于通过布设在监测对象环境内的终端传感装置对环境状态参数进行检测及数据采集操作；路由开发模块103用于开发物联网路由器的功能服务，以促进物联网与互联网的连接；网络通信模块104用于给系统各层面之间提供信号接入及数据传输的通道。
其中，终端设备包括计算机处理器、显示器、路由器等。
其中，终端传感装置包括但不限于温湿度传感器、空气质量检测仪、烟雾报警器、智能手环等。
其中，网络通信包括但不限于有线通信、局域网、无线WiFi、3G、数据流量等。
进一步地，路由开发模块103包括协议嵌入模块1031、算法设计模块1032、信道选择模块1033和应用连接模块1034；协议嵌入模块1031、算法设计模块1032、信道选择模块1033与应用连接模块1034依次通过以太网通讯连接且并列运行；协议嵌入模块1031 用于通过设计嵌入式微型协议栈以实现协议精简及降低功耗；算法设计模块1032通过自主设计自适应频率捷变算法并与具有良好选择性的射频信号结合以达到防止驻波干扰、调频干扰的效果；信道选择模块1033用于给数据传输提供良好传输信道的选择条件并自动进行信道智能选择功能；应用连接模块1034用于以宽带或3G为载体结合各种无线传输技术并应用于各种智能数字管理系统以解决有线布网移动性差、扩展性差的问题。
具体地，信道选择模块1033采用作业优先级的算法，其计算公式为：
Pj[i]＝Po[i]+N*Twait
其中，Po[i]为作业提交时指定的优先级，Twait为作业在队列中等待的时间，N为常数因子，随着等待时间的增加，作业优先级动态的增加，直到增加到阈值，即最高优先级。
本实施例中，节点设计模块201、模式选择模块202、固件升级模块203与服务开发模块204依次通过以太网通讯连接并独立运行；节点设计模块201用于对6LowPAN协议的作用节点按照需要完成的物联网具体功能进行选择及分布的设计；模式选择模块202用于通过AT指令对xPAN进行配置并设定不同的模式以供系统调用；固件升级模块203用于在协议的xPAN模块端开放OTA固件升级协议给用户提供可以远程维护设备的功能服务；服务开发模块204用于开发物联网服务器的应用功能及工作流程。
其中，xPAN的模式分为配置模式和应用模式，在使用时，用户可以先将模块设置为配置模式，配置好相关的参数之后再将模块设置为应用模式；在应用模式，串口使透明传输的，串口发送的数据将直接转发给服务器。
本实施例中，属性标识模块301的信号输出端与探测读取模块302的信号输入端连接，探测读取模块302的信号输出端与格式转换模块303的信号输入端连接，格式转换模块303 的信号输出端与传输处理模块304的信号输入端连接；属性标识模块301用于对监测对象的属性进行标识并形成标识标签；探测读取模块302用于通过布设在监测环境各处的终端传感装置对各监测对象的属性标签进行探测识别及读取操作；格式转换模块303用于将读取的标签数据转换为适合网络传输的统一格式；传输处理模块304用于通过优选的网络通道将采集的数据传输到信息处理中心进行统计分析。
其中，属性包括静态和动态的属性；静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要由传感器实时探测。
具体地，格式转换模块303采用语义转换的方法，具体为：
用Rset表示语义转换规则集，Rset＝{r1,r2,…,rn}，其中ri表示某一条规则，i＝1,2,…,n， n为规则总数量，ri＝(T,D,OT，O,R)；
T为Type，语义转换问题类型标识；D为Data，语义转换层待处理的数据对象；OT为OperationType，语义转换层所执行转换操作的触发器类型；O为Operation，语义转换具体操作；R为Reference，规则中操作。
本实施例中，实时监测模块401、安全管理模块402、信息反馈模块403与功能应用模块404依次通过以太网通讯连接；实时监测模块401用于通过高速的无线数据传输技术来获取实时的环境参数并及时进行处理以达到实时监测的目的；安全管理模块402用于对智能组网及其监测系统运行过程中的安全因素进行管理保护；信息反馈模块403用于将实时监测的信息及安全情况上报到管理后台及用户终端；功能应用模块404用于通过对系统进行调整升级以便应用于不同的功能环境中。
其中，功能环境包括但不限于健康监控、智能家居、环境监测、工业自动化、道路监控、污水处理、应急救援等。
进一步地，安全管理模块402包括网络安全模块4021、系统稳定模块4022和信息保护模块4023；网络安全模块4021、系统稳定模块4022与信息保护模块4023并列运行；网络安全模块4021用于通过多种网络防护操作及加设防火墙的手段来对系统运行的网络环境进行保护；系统稳定模块4022用于通过隐私保护、用户认证、通信层安全及随时可用性等方面的安全管理来维持系统的稳定运行；信息保护模块4023用于通过可靠的读取控制、数据保密性、数据完整性等方面的防护手段来对信息安全进行保护。
如图9所示，本实施例中提供了一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网方法，通过该方法构建的组网系统作为上述的基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统的运行载体及执行器，包括如下步骤：
S1、依据物联网检测系统应用的对象及其运行环境，进行规划设计；
S2、依据安全性、可靠性、实用性、高性能为第一指标要素的物联网设计原则，进行物联网系统的设计，并充分考虑6LowPAN协议；
S3、引入物联网路由器，在物联网路由器上进行服务器开发，将物联网与互联网连接起来，并对6LowPAN协议进行节点设计和固件升级；
S4、进行物联网工程设计，合理选择物联网基础设施，包括信号发射、接收装置，进行数据存储系统，物联网管理系统的设计；
S5、根据监测系统应用的环境场景，对专用工具与设备进行选择和设计，将对应的传感器布设于环境场景中，并分别经对应的数据中转终端通过合适的网络通信技术与监测管理系统处理中心连接起来；
S6、对系统方案进行配置，将外网连接入系统后，先在内部网和外部网之间、专用网和公共网之间设置安全防火墙；
S7、进行系统测试，使物联网大系统下的每一子系统、功能和作业环境，都保证能与系统整体有效衔接与协调一致。
如图1所示，本实施例还提供了一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统的示例性产品架构，包括处理器1及其配套的显示器2，处理器1外通过网线连接有物联网路由器3，物联网路由器3与处理器1之间通过IPV6协议为基础连接，物联网路由器3外经数据中转终端5通过无线通信技术连接有若干传感终端6。
如图10所示，本实施例还提供了一种基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统运行装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与处理器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统。
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统的步骤。
可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面基于6LowPAN协议的物联网智能组网监测系统及组网方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储与一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。