基于物联网的电能计量箱数据交互方法及系统与流程

本发明涉及物联网数字信息传输，具体涉及基于物联网的电能计量箱数据交互方法及系统。

背景技术：

1、电能计量箱内通常设有电能表及用于采集箱门状态、温度或开关状态的辅助设备。现有数据交互系统一般由计量箱侧终端通过本地接口采集上述设备的数据，并经蜂窝网络、低功耗广域网络、有线网络或其他物联网链路上传至主站；主站还可向计量箱侧终端下发状态查询、数据补采、参数配置或设备控制信息。

2、当计量箱处于无线覆盖波动、链路拥塞或临时断网环境时，现有系统多对上行数据和下行指令分别实施缓存、重传和应答。由于数据确认状态、设备拓扑或配置版本与指令执行状态之间缺少统一约束，链路恢复后容易出现已接收数据重复发送、缺失数据定位不准确、历史指令在设备状态变化后仍被执行或者应答丢失引发重复执行等情况。对于多厂商、多规约设备或双链路、箱间转发场景，链路切换或设备变更还可能导致既有确认状态丢失并触发会话重建。

3、此外，异常事件通常关联触发前后数据、设备状态及操作记录。在带宽受限时，一次性上传全部关联内容会延迟事件到达，仅上传告警信息又难以保证后续核验所需内容完整。因而，现有电能计量箱数据交互方式仍需在弱网恢复、上下行状态一致性、控制执行安全以及事件信息完整传输等方面予以改进。

技术实现思路

1、本发明旨在解决物联网电能计量箱在链路间歇连接、拥塞、重连或切换过程中，计量箱交互终端与主站对数据生成与接收状态、设备状态及指令执行结果的认识不一致，导致数据重复传输、历史指令在设备状态变化后被错误执行、目标操作项被重复执行以及数据与操作结果无法共同闭合的问题，提供基于物联网的电能计量箱数据交互方法及系统，以使上行数据恢复与下行控制或参数配置在同一通信状态约束下完成。

2、为实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于物联网的电能计量箱数据交互方法，由计量箱交互终端与主站通过物联网通信网络协同执行。

3、计量箱交互终端获取计量箱设备产生的数据，将所述数据划分为数据段，并基于计量箱标识、设备状态版本和采集窗口建立数据交互批次。本文所称数据交互批次，是用于归集确定设备状态版本和采集窗口下的数据段、主站确认状态、目标操作项及其执行回执的交互状态单元，而不是仅按照固定时长划分的通信周期。设备状态版本包括设备拓扑版本和设备配置版本；数据交互批次的批次标识由计量箱标识、设备拓扑版本、设备配置版本、采集窗口和本地批次序号共同确定。设备加入、删除、更换或设备能力改变时更新设备拓扑版本，设备参数或规约字段映射改变而设备连接关系不变时更新设备配置版本；设备状态版本发生变化时建立新的数据交互批次，并在原数据交互批次中记录指向新数据交互批次的迁移关系。

4、每一数据段关联设备标识、数据类型、采集时刻或采集窗口标识、段序号以及完整性校验信息。计量箱交互终端先将数据段及其元数据写入非易失存储器，在完成完整性校验后再将该数据段计入已生成数据段范围。由此，在终端断电、通信链路中断或会话重新建立后，终端仍能根据非易失存储内容重建待交互的数据段范围及相应状态，而不以一次报文是否已经发出作为释放数据的依据。

5、计量箱交互终端针对数据交互批次生成终端状态描述符并发送至主站。终端状态描述符表征已生成数据段范围、主站确认集合和指令执行回执状态，还可以表征设备拓扑版本、设备配置版本、待闭合事件的证据摘要、待确认或已执行的指令回执集合、规约字段映射版本以及链路连续性信息。主站针对计量箱标识和数据交互批次保存主站状态，所述主站状态表征已完整接收的数据段集合、已确认的指令回执集合、已接收的事件证据以及主站记录的设备状态版本。

6、主站比较终端状态描述符和对应数据交互批次的主站状态，确定终端已经生成而主站尚未完整接收的缺失数据段，并确定携带指令标识且用于改变计量箱设备运行状态或配置状态的目标操作项。主站据此生成联合差量交互指令。该联合差量交互指令同时包含数据段确认指示、缺失数据段指示和与执行前置状态绑定的目标操作项，使数据确认关系与下行操作关系在同一通信指令中建立关联，而不是分别通过互不关联的上传恢复过程和命令重放过程进行处理。

7、主站确认集合可以采用段标识列表、区间集合、位图或摘要树表示。当采用摘要树时，主站在摘要比较不一致后逐级请求对应分支或数据段的标识，形成能够指示不连续数据段的缺失数据段指示。所述表示方式用于确定主站已经完整接收的数据段与终端已生成数据段之间的差量，不限定物联网通信网络采用的具体蜂窝制式、报文编码格式或摘要算法。

8、执行前置状态包括目标数据交互批次、目标设备状态版本和指定数据段确认点，并可以进一步限定目标设备拓扑版本、目标设备配置版本、目标事件的证据闭合状态或前一关联目标操作项的完成状态。计量箱交互终端收到联合差量交互指令后，根据数据段确认指示更新本地保存的主站确认集合，并按照缺失数据段指示发送对应数据段；对于目标操作项，终端依次校验联合差量交互指令的完整性和权限、目标计量箱设备与当前设备拓扑的对应关系、当前设备状态版本与目标设备状态版本是否一致、指定数据段是否已经得到主站确认，以及目标事件或前一关联目标操作项是否处于允许执行的状态。

9、当前状态不满足执行前置状态时，计量箱交互终端拒绝执行目标操作项，并生成状态不一致回执。状态不一致回执包括指令标识、不一致字段、当前设备拓扑版本、当前设备配置版本、指定数据段的当前确认状态和当前终端状态描述符摘要。主站收到状态不一致回执后，将原指令标识对应的目标操作项标记为不可继续执行，并依据当前终端状态描述符撤销该目标操作项，或者重新确定缺失数据段和执行前置状态，生成具有新指令标识的联合差量交互指令，避免在状态基础已经改变时直接重放原目标操作项。

10、当前状态满足执行前置状态时，计量箱交互终端根据目标操作项的指令标识查询非易失执行记录。在执行目标操作项前，终端将指令标识、执行前置状态摘要和待执行状态写入非易失存储器；执行完成后，以原子写入或可恢复的写入顺序持久化执行结果、执行后设备状态版本以及与执行结果关联的数据段标识，并形成闭环回执。若终端再次收到具有相同指令标识的目标操作项，则比较该目标操作项的执行前置状态摘要与非易失执行记录，不再次改变计量箱设备的运行状态或配置状态，而是返回已有闭环回执或其可验证摘要。该处理使目标操作项在回执丢失、指令重复下发或链路切换情况下保持幂等。

11、闭环回执关联指令标识、执行结果、执行后状态和数据段标识。主站根据数据段的接收状态和闭环回执的接收状态判断数据交互批次是否收敛。当属于该数据交互批次的缺失数据段已经完成接收、目标操作项已经执行或得到明确的不执行结果且相应回执已经确认时，主站发送收敛确认；计量箱交互终端根据收敛确认将相应数据交互批次标记为闭合，并按照保存策略释放对应数据和回执。设备状态版本在交互过程中发生变化时，旧数据交互批次仅继续处理与原状态对应的数据补传和回执确认，不执行与当前状态不匹配的新目标操作项。

12、进一步地，针对计量箱设备产生的事件，计量箱交互终端为事件分配事件标识，并将事件头、触发前数据段、触发时或触发后数据段以及关联设备状态或操作日志组织为事件证据段集合。终端状态描述符记录事件标识、证据摘要和事件闭合状态。当物联网通信网络的可用传输资源受到限制时，终端先发送最小证据包，所述最小证据包包括事件头、事件证据段集合的证据摘要、证据段索引和预先确定的关键证据段，使主站在尚未接收全部事件证据段时能够识别事件并确定缺失证据段。

13、主站根据证据段索引和已经接收的证据段生成缺失证据段指示。计量箱交互终端根据事件紧急程度、证据缺失程度和缓存淘汰风险确定补传次序，并仅补传缺失证据段指示所对应的证据段。主站在必要证据段接收完整且证据摘要校验一致后发送事件闭合确认；终端将事件闭合确认持久化后，才按照保存策略释放对应事件证据段。补传过程中再次发生链路中断时，终端状态描述符继续携带该事件的未闭合状态和已发送证据段摘要，使主站在链路恢复后继续请求剩余证据段。

14、进一步地，针对采用不同本地通信规约的计量箱设备，计量箱交互终端保存各计量箱设备的规约标识、设备能力集合和规约字段映射版本。目标操作项采用统一逻辑对象标识并携带目标规约字段映射版本。终端依据设备能力集合校验目标计量箱设备是否支持目标操作项，将通过校验的目标操作项转换为该设备对应的规约报文。目标规约字段映射版本与当前规约字段映射版本不一致时，终端返回版本不一致回执；主站能够在保持既有主站确认集合的情况下下发发生变化的字段映射条目，终端更新设备配置版本，并建立与原数据交互批次关联的新数据交互批次。

15、进一步地，当计量箱交互终端从第一上行链路切换至第二上行链路或者经另一计量箱转发时，终端在新链路的首个会话报文中携带原数据交互批次的批次标识、原链路的最近确认窗口摘要、最近指令回执标识、新链路标识和防重放信息。主站验证所述首个会话报文后，将新链路绑定至原数据交互批次并返回当前主站确认集合；终端按照该主站确认集合补传尚未确认的数据段，并沿用未闭合目标操作项的原指令标识。链路连续性验证失败时，主站请求完整的终端状态描述符，并暂停执行原链路中未闭合的目标操作项，直至重新完成状态比较。由此，单纯的链路切换或转发路径变化不当然导致建立新的数据交互批次。

16、本发明第二方面提供一种基于物联网的电能计量箱数据交互系统，包括计量箱设备、计量箱交互终端、物联网通信网络和主站。

17、计量箱交互终端包括设备接入接口、非易失存储器、终端通信接口和终端处理器。设备接入接口用于获得计量箱设备的数据，并向计量箱设备传送用于改变其运行状态或配置状态的目标操作项；非易失存储器用于保存数据段、数据交互批次状态、指令标识和闭环回执；终端通信接口用于通过物联网通信网络与主站通信；终端处理器用于建立关联数据段、主站确认状态、目标操作项和执行回执的数据交互批次，生成终端状态描述符，根据数据段确认指示和缺失数据段指示更新或发送数据段，校验目标操作项的执行前置状态并进行幂等执行，以及生成关联执行后设备状态和数据段的闭环回执。

18、主站包括主站通信接口、状态仓库、差量及控制处理器和收敛处理器。状态仓库按照计量箱标识和数据交互批次保存主站状态；差量及控制处理器比较终端状态描述符与主站状态，生成同时包含数据段确认指示、缺失数据段指示和与执行前置状态绑定的目标操作项的联合差量交互指令；收敛处理器根据数据段接收状态和闭环回执状态判定数据交互批次是否收敛并生成收敛确认。

19、计量箱交互终端还可以包括事件证据管理单元、规约适配单元和链路连续性单元，主站还可以包括事件证据闭合单元、版本管理单元和链路连续性验证单元。事件证据管理单元与事件证据闭合单元协作用于形成最小证据包、确定缺失证据段、补传证据段以及在证据摘要校验一致后闭合事件；规约适配单元与版本管理单元协作用于统一逻辑对象与不同本地通信规约报文之间的转换和映射版本更新；链路连续性单元与链路连续性验证单元协作用于在双上行链路切换或箱间转发时保持原数据交互批次、确认窗口和最近指令回执之间的连续关系。

20、本发明将数据段、主站确认状态、目标操作项及其执行回执归入同一数据交互批次，并通过双端状态比较生成联合差量交互指令，使终端仅补传主站实际缺失的数据段，同时以数据确认点和设备状态版本约束目标操作项的执行。结合指令标识、非易失执行记录、状态不一致回执和闭环回执，能够避免设备状态变化后继续执行历史目标操作项，防止同一目标操作项因指令重发而被重复执行，并使主站能够联合确认数据接收状态和操作执行结果，从而减少链路恢复过程中的不必要数据传输，提高弱网、重连或链路切换条件下数据交互状态的一致性和可追溯性。

21、本发明进一步通过最小证据包、缺失证据段补传和事件闭合确认，在传输资源受限时保持事件证据完整性的可验证状态；通过统一逻辑对象、设备能力校验和规约字段映射版本，使不同厂商或不同本地通信规约的计量箱设备能够接入同一数据交互流程；通过在双上行链路切换或箱间转发时延续批次标识、确认窗口和指令回执关系，使链路变化不破坏既有交互状态。由此，可在不限定具体本地通信规约、物联网通信制式或报文编码格式的情况下，提高电能计量箱数据交互机制对受限链路、异构设备和通信路径变化的适应能力。