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CN109687995B - 一种适用于资源受限型工业现场设备的基于CoAP的OPC UA报文传输方法 - Google Patents

一种适用于资源受限型工业现场设备的基于CoAP的OPC UA报文传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于资源受限型工业现场设备的基于CoAP的OPC UA报文传输方法，属于工业通信技术领域。该方法利用OPC UA信息模型对数据进行封装和编码，并将整个OPC UA数据报文再封装进CoAP报文的载荷部分，然后基于UA‑CoAP服务器对网络中是否存在HTTP‑to‑CoAP代理服务器进行查询；若存在，则将UA‑CoAP数据报文发送至HTTP‑to‑CoAP代理服务器，将收到数据报转换为HTTP协议，并将其发送到OPC UA客户端上。本发明解决了资源受限型工业现场设备的数据无法进行统一描述且无法被统一访问的问题，同时满足了工业现场设备访问Web服务的需求。

Description

一种适用于资源受限型工业现场设备的基于CoAP的OPC UA报 文传输方法
技术领域
本发明属于工业通信技术领域，涉及一种适用于资源受限型工业现场设备的基于CoAP的OPC UA报文传输方法。
背景技术
受限应用协议(Constrained Application Protocol，CoAP)是国际互联网工程任务组(The Internet Engineering Task Force，IETF)于2014年提出的一种专门针对物联网中的资源受限节点和网络的Web传输协议，其出现为含有资源受限节点的网络提供了具有低功耗，高安全，可拓展特性的解决方案。
OPC统一架构(OPC Unified Architecture，OPC UA)是OPC基金会于2006年发布的一种旨在解决多协议网络中数据互联互通问题的关键技术。OPC UA除了能够进行数据无缝传输之外，还拥有构建信息模型，安全且独立于平台的通讯等特点，它为机器对机器(Machine to Machine，M2M)通讯提供了一个通用的技术和语义操作层，对实现工业互联网的互联互通起着至关重要的作用。
本发明针对资源受限型工业现场设备的数据无法进行统一描述且无法被统一访问的问题，同时亦满足工业现场设备访问Web服务的需求，设计了一种适用于底层设备的基于CoAP的OPC UA报文传输方法。CoAP的REST架构能实现底层设备访问Web服务的功能而OPCUA则可以对底层存在的多种协议格式的数据进行统一建模，二者相结合能在一定程度上保证底层设备数据的互联互通和轻量化通信。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于CoAP的OPC UA报文传输方法，该传输方法可满足资源受限型工业现场设备访问Web服务的需求以实现工业现场网络从上(云端、ERP、MES等)而下(PLC、网关、底层设备等)的无缝连通。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于CoAP的OPC UA报文传输方法，包括以下步骤：
S1：使用CoAP通信协议的OPC UA服务器(简称UA-CoAP服务器)从资源受限型工业现场设备中采集数据，利用OPC统一架构(OPC Unified Architecture，OPC UA)信息模型对数据进行封装，以二进制形式或者可扩展标记语言(Extensible Markup Language，XML)形式对封装好的数据进行编码，并将整个OPC UA数据报文再封装进CoAP报文的载荷部分，即UA-CoAP数据报文；然后UA-CoAP服务器对网络中是否存在HTTP协议转换CoAP协议的代理服务器(简称HTTP-to-CoAP代理服务器)(一般安装在边界网关或者边界路由器上)进行查询；
S2：若存在HTTP-to-CoAP代理服务器，UA-CoAP服务器会将UA-CoAP数据报文发送至位于底层工业现场设备网络边界处(通常是边界网关或者边界路由器)的HTTP-to-CoAP代理服务器；若不存在HTTP-to-CoAP代理服务器，UA-CoAP服务器会将UA-CoAP数据报文丢弃，并采用TCP的方式进行直接传输；
S3：HTTP-to-CoAP代理服务器收到数据报文后，将CoAP协议转换为HTTP协议，OPCUA信息保持不变；转换完成后，HTTP-to-CoAP代理服务器形成包含原有OPC UA信息的HTTP数据报文，由于OPC UA本身支持HTTP形式的数据报文，所以HTTP-to-CoAP代理服务器可直接将数据报文发送到外网的标准OPC UA客户端上，进行下一步的数据分析。
进一步，所述步骤S1中，所述UA-CoAP服务器在构建UA-CoAP数据报文时，需要重新构建头部，头部主要包含的内容有报文功能类型，用于重复检验和差错检验的唯一消息ID，OPC UA信息编码类型，额外CoAP功能选项以及数据报文长度。
进一步，所述步骤S1中，所述对网络中是否存在HTTP-to-CoAP代理服务器进行查询的方法具体为：发送一个请求帧去查询边界网关或边界路由器是否具备代理转换的功能，若收到相对应的确认帧，则判定为存在；若在一个有限的时间段内未收到确认帧，则判定为不存在。
进一步，所述步骤S1中，当UA-CoAP服务器向边界网关或边界路由器发送一个查询请求帧时，若存在HTTP-to-CoAP代理服务器，则代理服务器会向UA-CoAP服务器回复确认帧，若在一段有限的时间内多次发送查询请求帧后仍得不到确认帧回复，UA-CoAP服务器会舍弃构建好的UA-CoAP数据报文，转而采用OPC UA-TCP的方式发送数据报文。
进一步，所述步骤S2中，所述HTTP-to-CoAP代理服务器运行在边界网关或者边界路由器上，需要支持的功能为：标准CoAP数据与标准HTTP数据报文相互转换。
本发明的有益效果在于：
本发明针对资源受限型工业现场设备的数据无法进行统一描述且无法被统一访问的问题，同时亦满足工业现场设备访问Web服务的需求，提供了一种适用于资源受限型工业现场设备的基于CoAP的OPC UA报文传输方法。本发明通过添加HTTP-to-CoAP代理服务器的方式实现在不改变外部OPC UA客户端的条件下，亦能使资源受限型工业现场设备对数据进行统一描述和统一访问。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明采用的通信协议栈示意图；
图2是本发明所述的UA-CoAP服务器结构图；
图3是本发明所述的UA-CoAP数据报文头部示意图；
图4是本发明采用的一种存在代理转换服务的通信方式连接图；
图5是本发明所述的基于CoAP的OPC UA报文传输方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1是本发明优选实施例设计的通信协议栈；该通信协议栈的主要包括有：OPCUA、安全通道、以及CoAP构成应用层协议族。其中OPC UA可以根据应用场景采取UA二进制或者XML的编码格式进行编码。
图2是本发明优选实施例设计的UA-CoAP服务器；UA-CoAP服务器的主要功能为：接收底层数据并构建OPC UA信息模型，经过编码后封装进标准CoAP数据报文的载荷之中，发送查询请求帧查询是否存在代理转换服务器。
图3是本发明优选实施例设计的UA-CoAP数据报文头部；UA-CoAP数据报文头部的主要内容包括有：IP协议版本；报文功能类型，用于重复检验和差错检验的唯一消息ID；OPCUA信息编码类型；额外CoAP功能选项以及数据报文长度。
图4是本发明优选实施例设计的一种存在代理转换服务的通信方式；该通信方式的主要内容包括：重新设计的UA-CoAP服务器将数据传至网络边缘处的HTTP-to-CoAP代理服务器，转换后的HTTP数据报文可与标准的OPC UA客户端直接进行通信。该通信方式的优势在于更好地支持Web服务，原有的UA客户端无需改动。
图5是本发明优选实施例基于CoAP的OPC UA报文传输方法实施过程，该传输方法主要在服务器，客户端和代理转换服务器三种设备之间进行。如图5所示，其具体实现过程如下：
Step1：UA-CoAP服务器对底层设备进行数据采集，并将采集到的数据进行UA二进制编码或者XML编码，最后封装为OPC UA格式的数据。
Step2：在UA-CoAP服务器中，OPC UA格式的数据被封装进CoAP数据报文的载荷之中，同时重新构建UA-CoAP数据报文头部，加入载荷中OPC UA数据的编码格式信息等，并赋予一个唯一编号，以保证正确的数据传输顺序。
Step3：UA-CoAP服务器会对网络中是否存在HTTP-CoAP代理转换服务器进行查询，若存在，则进行下一步；若不存在，则舍弃UA-CoAP数据报文，并采用TCP的方式将OPC UA信息发出。
Step4：如果网络中存在HTTP-CoAP代理转换服务器，UA-CoAP服务器会将UA-CoAP数据报文发送至代理服务器中进行数据报文格式转换，将UA-CoAP数据报文转换为标准HTTP数据报文。
Step5：由于OPC UA协议本身支持HTTP的传输方式，所以可以使用标准的OPC UA客户端接收经过转换的UA-CoAP数据报文。之后，客户端会提取报文中的数据建模信息，数据值等，以便后续的传输与处理。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于CoAP的OPC UA报文传输方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：使用基于CoAP通信协议的OPC UA服务器从资源受限型工业现场设备中采集数据，利用OPC统一架构（OPC Unified Architecture，OPC UA）信息模型对数据进行封装，以二进制形式或者可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）形式对封装好的数据进行编码，并将整个OPC UA数据报文再封装进CoAP报文的载荷部分，即UA-CoAP数据报文；然后UA-CoAP服务器对网络中是否存在HTTP协议转换CoAP协议的代理服务器进行查询；所述CoAP通信协议的OPC UA服务器简称为UA-CoAP服务器，所述HTTP协议转换CoAP协议的代理服务器简称为HTTP-to-CoAP代理服务器；
S2：若存在HTTP-to-CoAP代理服务器，UA-CoAP服务器会将UA-CoAP数据报文发送至位于底层工业现场设备网络边界处的HTTP-to-CoAP代理服务器；若不存在HTTP-to-CoAP代理服务器，UA-CoAP服务器会将UA-CoAP数据报文丢弃，并采用TCP的方式进行直接传输；
S3：HTTP-to-CoAP代理服务器收到数据报文后，将CoAP协议转换为HTTP协议，OPC UA信息保持不变；转换完成后，HTTP-to-CoAP代理服务器形成包含原有OPC UA信息的HTTP数据报文， HTTP-to-CoAP代理服务器直接将数据报文发送到外网的标准OPC UA客户端上，进行下一步的数据分析。
2.根据权利要求1所述的基于CoAP的OPC UA报文传输方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述UA-CoAP服务器在构建UA-CoAP数据报文时，需要重新构建头部，头部包含的内容有报文功能类型、OPC UA信息编码类型、额外CoAP功能选项以及数据报文长度。
3.根据权利要求1所述的基于CoAP的OPC UA报文传输方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述对网络中是否存在HTTP协议转换CoAP协议的代理服务器进行查询的方法具体为：发送一个请求帧去查询边界网关或边界路由器是否具备代理转换的功能，若收到相对应的确认帧，则判定为存在；若在一个有限的时间段内未收到确认帧，则判定为不存在。
4.根据权利要求3所述的基于CoAP的OPC UA报文传输方法，其特征在于，所述步骤S1中，当UA-CoAP服务器向边界网关或边界路由器发送一个查询请求帧时，若存在HTTP-to-CoAP代理服务器，则代理服务器会向UA-CoAP服务器回复确认帧，若在一段有限的时间内多次发送查询请求帧后仍得不到确认帧回复，UA-CoAP服务器会舍弃构建好的UA-CoAP数据报文，转而采用OPC UA-TCP的方式发送数据报文。
5.根据权利要求1所述的基于CoAP的OPC UA报文传输方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述HTTP-to-CoAP代理服务器运行在边界网关或者边界路由器上，需要支持的功能为：标准CoAP数据与标准HTTP数据报文相互转换。
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