一種基于ASN.1的礦用物聯(lián)網(wǎng)管理信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

引言

物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫鏈接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策目的。

“感知礦山”是物聯(lián)網(wǎng)在煤礦領(lǐng)域的典型應(yīng)用?！案兄V山”是通過高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山的全面覆蓋，對(duì)礦山的人(人員定位、無線通信)、設(shè)備(綜合自動(dòng)化)、環(huán)境(安全監(jiān)控、礦壓監(jiān)控等)全面感知，并利用直觀形象的應(yīng)用，來全面展現(xiàn)和管理礦山?！案兄V山”是將先進(jìn)的自動(dòng)控制、通信、計(jì)算機(jī)、信息和現(xiàn)代管理等技術(shù)相結(jié)合，將生產(chǎn)過程的控制、運(yùn)行與管理作為一個(gè)整體，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)化運(yùn)行、控制與管理。

目前，大多數(shù)煤礦已經(jīng)建設(shè)了安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)等信息子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)信息的感知與采集。但是因?yàn)闆]有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，各子系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)五花八門，只是考慮到數(shù)據(jù)的獲取而沒有考慮數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用，簡(jiǎn)單地為了信息化而信息化，各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)無法共享，資源重復(fù)配置，“信息孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重。部分綜合自動(dòng)化系統(tǒng)也僅僅是簡(jiǎn)單地將各子系統(tǒng)集中展示，并未真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效分析利用及各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，沒有給礦山的科學(xué)管理和決策帶來實(shí)際的作用。

制定礦用物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是煤礦物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。只有數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的表達(dá)、交換和處理標(biāo)準(zhǔn)，才能真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分利用，從而實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，通過數(shù)據(jù)分析幫助管理和決策。

本文以礦用設(shè)備管理為研究課題，以設(shè)備的管理信息為研究對(duì)象，提出一種基于抽象語法標(biāo)記1(AbstractSyntaxNotationOne，ASN.1)的管理信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括命名、語法、編碼及應(yīng)用協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一描述及傳輸，以滿足多系統(tǒng)對(duì)同一數(shù)據(jù)源的獲取及利用，為真正實(shí)現(xiàn)'感知礦山”秘智慧礦山”打下基礎(chǔ)。

1工作原理

本文參考簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SimpleNetworkManagementProtocol，SNMP)的設(shè)計(jì)，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路，將每個(gè)管理信息看作一個(gè)管理對(duì)象，比如一個(gè)屬性、一個(gè)配置，甚至一個(gè)實(shí)時(shí)值，都看做一個(gè)管理對(duì)象。

然后，采用OID的編碼方法和樹形結(jié)構(gòu)對(duì)每個(gè)管理對(duì)象進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)；按照設(shè)備類型編寫管理信息庫，每個(gè)管理信息庫包含該類設(shè)備的所有管理信息對(duì)象，管理信息庫的編寫采用ASN.1，ASN.1規(guī)定了可以使用的數(shù)據(jù)類型和語法。

被管理的設(shè)備實(shí)現(xiàn)ASN.1描述的管理信息庫device.mib,將抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射到本地具體實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；管理設(shè)備參考device.mib可以知道被管設(shè)備具有哪些管理對(duì)象以及相應(yīng)的名字、類型和語義等，然后通過應(yīng)用通信協(xié)議訪問被管設(shè)備。信息傳輸采用基本編碼規(guī)則(BasicEncodingRules，BER)。

設(shè)備管理的架構(gòu)如圖1所示。

2管理對(duì)象數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1對(duì)象命名

數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)核心問題就是命名的唯一性問題。命名用于標(biāo)記管理對(duì)象。本文采用名字-數(shù)字對(duì)來命名一個(gè)管理對(duì)象。文本描述的名字方便于人閱讀和查找，而對(duì)應(yīng)的數(shù)字則用于設(shè)備之間的通信。

圖1設(shè)備管理架構(gòu)示意圖

管理對(duì)象的命名結(jié)構(gòu)采用OID的樹形結(jié)構(gòu)。管理對(duì)象的對(duì)象標(biāo)識(shí)符是從根節(jié)點(diǎn)開始到對(duì)象節(jié)點(diǎn)路徑上邊標(biāo)識(shí)的順序連接，是一系列點(diǎn)分?jǐn)?shù)字串的形式，它是對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)。

管理對(duì)象命名結(jié)構(gòu)舉例如圖2所示，則傳感器的類型(type)這個(gè)管理對(duì)象的對(duì)象標(biāo)識(shí)符為為“1.1.1.2”。

2.2描述語法

管理信息庫的描述應(yīng)獨(dú)立于平臺(tái)、機(jī)器與程序語言。ASN.1用一種統(tǒng)一的方式描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與具體的機(jī)器與語言無關(guān)，本文采用簡(jiǎn)化的ASN.1對(duì)管理對(duì)象進(jìn)行描述。

為了數(shù)據(jù)描述的簡(jiǎn)潔性和可擴(kuò)展性，本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)支持表1所示基本數(shù)據(jù)類型：

每個(gè)類型有一個(gè)唯一標(biāo)簽，用來區(qū)分不同的數(shù)據(jù)類型,作為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)接收方判斷數(shù)據(jù)類型的依據(jù)。用戶也可以使用TEXTUAL-CONVENTION自定義數(shù)據(jù)類型(類似C語言的typedef自定義數(shù)據(jù)類型)。

一個(gè)管理對(duì)象定義通常包括下面五個(gè)域：

(1)OBJECT:是一個(gè)字符串名，它叫OBJECTDESCRIPTOR，它指定對(duì)象類型，這個(gè)類型和OBJECTIDENTIFIER相對(duì)應(yīng)。

語法：對(duì)象類型的抽象語法。描述對(duì)象的類型和取值范圍等。

定義：對(duì)對(duì)象類型語義的文本描述。實(shí)現(xiàn)中必須保證對(duì)象的實(shí)例滿足這個(gè)定義。

訪問:只能取只讀，讀寫，只寫或不能訪問這四個(gè)值。

狀態(tài)：強(qiáng)制(mandatory)，可選(optional)或過時(shí)的obsolete)。

2.3應(yīng)用協(xié)議

應(yīng)用協(xié)議主要包括管理對(duì)象的讀寫，規(guī)定了3種報(bào)文,報(bào)文屬于應(yīng)用層，與通信鏈路類型無關(guān)，見表3。

2.4編碼規(guī)則

傳輸采用 BER（Basic Encoding Rules）編碼規(guī)則。BER傳輸語法的格式是 TLV 三元組 <Type，Length，Value>，如圖 3 所示。

TLV每個(gè)域都是一系列八位組，對(duì)于組合結(jié)構(gòu)，其中V還可以是TLV三元組。BER傳輸語法是基于八位組的，自定界的編碼，因?yàn)槠渲蠰明確界定了八位組的長(zhǎng)度。BER是大端編碼的，其八位組的高位比特在左手邊。傳輸時(shí)結(jié)構(gòu)如圖4所示：

3實(shí)例及分析

傳感器設(shè)備的部分設(shè)備管理信息描述如下所示：

sensorTypeOBJECT-TYPE

SYNTAXINTEGER

ACCESSread-only

STATUSmandatory

DESCRIPTION

“傳感器類型:CH4(1),CO(2),CO2(3),H2S(4)…可

增加擴(kuò)展類型”

::={sensor1)

sensorNameOBJECT-TYPE

SYNTAXOCTETSTRING

ACCESSread-only

STATUSmandatory

DESCRIPTION

“傳感器名稱”

::={sensor2)

sensorValueUpdateRateOBJECT-TYPE

SYNTAXINTEGER

ACCESSread-write

STATUSmandatory

DESCRIPTION

“傳感器數(shù)據(jù)刷新時(shí)間，單位為ms”

::={sensor3)

sensorStatusOBJECT-TYPE

SYNTAXINTEGER

ACCESSread-write

STATUSmandatory

DESCRIPTION

“傳感器狀態(tài)：正常(1),掉線(2),故障(3)……”

::={sensor4)

上述實(shí)例是傳感器類型設(shè)備管理信息庫描述文件(sensor.mib)的一部分，定義了sensorType、sensorName、sensorValueUpdateRate、sensorStatus等傳感器管理對(duì)象sensorType的類型是整數(shù)，訪問權(quán)限是只讀，狀態(tài)是強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)，OID是sensor.1(完整OID是1.1.1.1)。其他設(shè)備如要訪問這個(gè)管理對(duì)象，則使用應(yīng)用協(xié)議的1號(hào)報(bào)文GetObjectValue,參數(shù)為sensor.1，然后通過BER編碼發(fā)送給具體的傳感器設(shè)備,傳感器設(shè)備根據(jù)OID找到對(duì)應(yīng)的管理對(duì)象，然后通過3號(hào)報(bào)文Response返回具體值。

4結(jié)語

本文提出一種基于ASN.1的礦用物聯(lián)網(wǎng)管理信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括管理對(duì)象的命名、語法、應(yīng)用通信協(xié)議與編碼規(guī)則，該標(biāo)準(zhǔn)提供了一種統(tǒng)一描述和傳輸數(shù)據(jù)的方法，獨(dú)立于平臺(tái)與語言，為煤礦各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的充分分析利用以及后續(xù)的系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、科學(xué)管理與決策提供了基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)真正的“感知礦山”的關(guān)鍵技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)只是一種可能的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，目前僅應(yīng)用于本公司的設(shè)備管理，這里拋磚引玉，煤礦行業(yè)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立需要整個(gè)行業(yè)的共同努力。

20211223_61c4115f05f92__一種基于ASN