物联网信息模型及通信协议的设计与实现

物联网信息模型及通信协议的设计与实现

摘要：物联网安全通信协议是物联网网络安全的重要基础。虽然它通常只传递

几个有限的消息，但各消息之间在行为上相互制约，在逻辑上紧密联系，同时对

协议的相关消息进行了加密处理。设计和分析一个满足安全规范的协议时，需要

用一些分析方法和工具对协议的安全性进行分析和验证。在这些方法中形式化的

分析方法最为重要。通常而言，形式化的分析方法必须建立系统的数学逻辑模型，通过设定的相关方法来判断协议系统是否安全。

关键词：物联网信息模型及通信协议；设计实现；

电力线通信利用低压供电线路实现数据传输和控制，具有实用方便、不需要重新

布线、系统成本低等优点，广泛应用于照明控制、自动抄表和电力系统遥控遥测

等方面。电力线通信的试验网络已经遍及４０多个国家和地区。由于信道环境干

扰较多，要利用电力线实现可靠的通信非常不易，所以世界许多科研机构和电气

公司都把研究重点放在如何利用低压电力线路实现高速、可靠的数字通信技术上。

一、物联网信息模型

1.传输配套标准采用。在通信协议设计的过程中，为了满足整个系统通信协议的

一致性，必须遵循传输标准中的相关规定。现阶段，我国的电力系统通行的标准，本文的通讯协议是在该标准的基础上设计的专用通信协议。虽然只是为了电力系

统数据的传输功能设计的，但在实际应用中暴露出一些问题。标准只定义电力功

率有关的数据，但没有定义电网设备和输电电站的管理参数。在这种情况下，电

力系统传输的信息类型将被减少，因此，不可能对电力线系统的参数、设备的信息、电力站收集的信息等各种通信信息进行统一的收集、分析和计算。在本文的

电力物联网通信协议的设计中，需要扩展包括电网设备和电站信息在内的信息类型，并在系统各个连接的网络上对信息进行收集和处理。

2.通信协议的组成设计与其特点。相关规定，进行电力网络设计时，可以对网络

中专用通信协议进行研发，传统的通信协议往往采用的是信号传输与反馈机制。

研发之前，必须确定该协议由哪些内容组成。通常，协议是由对象绑定表和单元

标识符两部分组成的。本文设计的元标识符采用的是规定的格式; 而对象绑定表

可以分为标识符和值两个部分，在通信或承租监视对象数量会发生变化，继而会

导致序列长度的变化。本文设计的通信协议与传统通信协议相比具有实时性和动

态性，在传输的过程中通信协议是变化的，因此本通信协议更加复杂。但是在通

信协议设计过程中，信息编码是十分重要的一步。本文中，采用ASN. 1 编码规则

对传输信息进行编码。该规则中的编码方式是TLV 方法，也就是说，TLV 和三个

字段被用来形成每个传输值的类型。相对于物理网络拓扑和硬件方面的设计过程

来说，网络中通信协议应该是相对独立的。通信协议主要作用于数据链路层，该

层的功能和作用是检测和校正数据，并在此基础上完成整个网络的数据传输任务。在传输过程设计中，主要考虑了以下两个方面的内容:( 1) 框架、应用层数据可分

为处理数据单元;( 2) 错误控制，检测和重传损坏的帧或丢失的帧。在设计信息模

型时，还要采取统一的数据表达格式。首先，需要实现关键字的统一。具体来讲，就是描述中的关键字需要有简称和命名，并且使用英文单词的方式进行这些内容

的表达。其次，在表述物理设备时，需要采取统一的表述方法进行设备类型及与

之对应的抽象数据类的表述。

二、通信协议的设计与实现

１．现有电力线通信协议的分析。电力线物联网主要研究生活场景、生产场景和

农业场景，目标是针对上述场景中所有覆盖的地域和所有用电设备，开发网络架

构和协议体系协议是网络通信最基础的部分。低压电力线通信系统中的协议一般

只有三层：应用层、数据链路层和物理层。参考这些国外的协议不难得出其中一

些共同点。（１）数据丢失后的重传机制。协议必须可靠，如果出现报文丢失的

情形，一定要有错误恢复机制。国外流行的协议，丢失的报文都基本上用自动重

传机制恢复。接收端成功接收数据后，要向发送端发出确认报文。（２）信息编

码及差错控制。由于信道的传输特性不太好及各种加性噪声的影响，信道在实际

传输数字信号时，接收方收到的信号不可避免会出错。为了获得较好的信道性能，需要采用合适的硬件设备和信道编码。（３）连接管理及网络寻址。连接管理包

括连接状态的建立、关闭，以及出现异常情况时的处理办法等功能。为了将信息

正确的传送到目的地，要通过介质信道的共享机制来进行网络寻址。

２．数据链路层通信协议的设计。通信协议总体来说需满足：独立于物理网络拓

扑结构；独立于硬件设计；独立于调制方案。数据链路层的主要任务是对数据进

行检错和纠错，从而为上层提供无差错的数据传输。本层需要处理以下任务。（１）组帧，将应用层的数据划分为可以处理的数据单元。（２）差错控制，检

测和重传受损的帧或是丢失的帧。（３）链路权限控制，确定哪个设备当前可以

使用传输链路。数据链路层组成结构分为两种：一种是设备Ａ向设备Ｂ传送的数据。

3.通信协议的软件实现。数据链路层中，数据的传输存在需要应答信息和不需要

应答信息这两种情况。本文采用需要应答信息这种情况。那么在这种情形下，则

需要考虑最大重传次数和重传方式；程序也需要在不同的情形下进行不同的处理。所以，在程序设计时，函数的参数要选择帧格式里的控制字段；再定义出一个枚

举变量来表示数据传输时的不同情形。函数的作用是实现电力线的数据接收。首先，差错校验。其次，由收到的信息中的字段来判断是否需要应答信息，并做相

应的处理。最后，在接收完信息后要进行状态的转换，需要重新设置标志位。信

息确认函数包括作用是数据报发送的确认，函数的作用除了数据报接收的确认和

标志变量的设置外，还能从物理层里取得信息并抽出部分后发送到应用层供应用

层利用。另外，上述两个函数只能被函数调用。本协议在参考了一些相关传输协

议后，规定的时序如下。（１）每个传输点在一次传输过程中数据之间的间隔必

须小于８０ｍｓ。（２）每个传输点两次连续传输数据之间的时间间隔必须大于

１２５ｍｓ。（３）每个传输点一次传输数据的时间必须小于１ｓ。（４）在数

据传输时要用７个不一样的值来周期性检测传输线是否空闲，检测时间定为从８５～１１５ｍｓ。（５）对数据的确认信息等待的时间定为３０ｍｓ。为了使得

程序简洁而且高效，在时间中断服务函数中定义了一个用于生成各个时间长度值

的时间基量。为了生成各种时间长度值，定义了一些用于控制的标志位和期望的

时间长度变量。

结束语：在应用电力物联网时，还需要设计相应的信息模型和通讯协议，从而使

物联网的信息管理和传输得到加强。信息模型的设计需要确定模型监测对象，并

且考虑模型结构拓展问题和统一数据表达格式的使用问题。而通讯协议的设计需

要遵循电能累计量传输配套标准，并且进行物联网通信协议字段组成和数据信息

的编码规则的确定。因此，相关人员还要较好地掌握这些设计要点，从而更好地

加强电力物联网的信息建设。

参考文献：

［１］唐军威，万宇鑫，涂国煜，等．智能电网信息系统体系结构研究