CN104836690A - 可用于多种通信协议混合自主组网的装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于多种通信协议混合自主组网的装置及其控制方法，其中装置包括控制器MCU，该控制器MCU的第一串口端连接有无线通讯模块，所述控制器MCU的第二串口端连接有串口扩展模块，所述控制器MCU的第三串口端连接有硬件存储电路，所述控制器MCU的第四串口端连接有RTC电路；所述无线通讯模块用于实现网关与网关或者网关与节点之间的通讯互连；所述串口扩展模块具有多种技术标准的接口电路，可用于与服务器或其他设备进行信息交互。显著效果是：可实现多装置间或装置与节点间的自主组网；实现了同时支持多种无线网络、工业以太网等多种技术标准的接口电路；装置采用多通道网络传输，通信抗干扰能力强。

Description

可用于多种通信协议混合自主组网的装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及到多协议通讯技术领域，具体地说，是一种可用于多种通信协议混合自主组网的装置及其控制方法。

背景技术

随着计算机网络技术与通信技术的飞速发展以及生活水平的日益提高，当前人们越来越重视网络智能设备的舒适性与便捷性。然而，在现有智能建筑中，包含有若干个既相互独立，又相互关联的系统。由于组成上述几个系统的各种设备的生产厂家、生产时间和应用场合不同，因此这些设备所采用的通讯协议也有很大的不同。

为实现统一监测、控制、联动和计量，现有解决上述不同系统以及不同设备之间通讯的方案主要有二种：一是为特定的二种通讯协议提供专用网关；二是定制一种支持4～5种协议转换功能的网关。上述二种方案虽然都能解决不同设备之间的通讯问题，但都存在现有技术无法克服的问题。对上述第一种方案，有多少种不同的设备，就需要多少种专用网关，系统的配置成本很高；另外，当系统中有三种以上的设备时，不同网关之间还可能会出现因协议转换性能不一致而导致的通讯故障。对上述第二种方案，即根据用户的需要定制4～5种协议转换功能的网关，只能支持已定制的通讯协议转换，网关的物理接口也需要事先确定，一旦用户的相关设备升级或替换后，就需要重新定制新的网关设备，网关的复用性不好，设备配置成本也较高。为此，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案，但是均未能有效地解决上述技术问题，难以满足应用所需。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供可用于多种通信协议混合自主组网的装置及其控制方法，不但具有多通讯方式传输功能，同时还适应于多网关装置间或网关装置与节点间的自主组网，且无线传输可靠、通信质量稳定、成本低、抗干扰性强、使用方便等特点。

为达到上述目的，本发明表述一种可用于多种通信协议混合自主组网的装置，其特征在于：包括控制器MCU，该控制器MCU的第一串口端连接有无线通讯模块，所述控制器MCU的第二串口端连接有串口扩展模块，所述控制器MCU的第三串口端连接有硬件存储电路，所述控制器MCU的第四串口端连接有RTC电路；

所述无线通讯模块用于实现网关与网关或者网关与节点之间的通讯互连；所述串口扩展模块具有多种技术标准的接口电路，可用于与服务器或其他设备进行信息交互；所述硬件存储电路用于存储网络数据转换协议；所述RTC电路用于对所述控制器MCU进行实时校准。

在具体使用过程中，首先初始化本装置，然后通过上述RTC电路进行实时校准，然后控制器MCU通过第一串行通信接口实现与无线通信模块进行网络信息交互及数据处理、协议转换和网络内部地址映射等，控制器MCU根据硬件存储电路中的网络数据转换协议对接受的信息进行处理，从实现多通讯协议间的通讯，即实现多网关装置间或网关装置与节点间的自主组网，同时控制器MCU还可通过串口扩展模块与服务器或Internet进行数据交互。本装置不但具有多通讯方式传输功能，同时还适应于多网关装置间或网关装置与节点间的自主组网，且无线传输可靠、通信质量稳定、抗干扰性强、使用方便等特点。

进一步的技术方案是，在所述控制器MCU的输入端连接有模式选择电路，该模式选择电路用于对控制器MCU的工作状态进行控制。

更进一步的技术方案是，在所述控制器MCU与所述无线通讯模块之间还设置有功率控制电路，该功率控制电路包括PMOS管QW1，PMOS管QW1的栅极串接电阻RW19后接控制器MCU的控制信号输出端，PMOS管QW1的源极接直流电源，PMOS管QW1的漏极接所述无线通讯模块的电源输入端，该无线通讯模块的电源输入端还串接电阻RW21后接所述直流电源，PMOS管QW1的栅极还经电容CW1后接地，在PMOS管QW1的源极与栅极之间还连接有电阻RW20。

为了能够使用于多种类的通讯协议，是的本网管桩子具有好的实用性，优选所述无线通讯模块为WiFi、3G、GPRS、蓝牙、RF或ZigBee无线通讯系统中的至少一种。

根据上述可用于多种通信协议混合自主组网的装置的电路结构，本发明还提出了一种基于该装置的控制方法，按照以下步骤进行：

步骤1：系统初始化；

步骤2：等待接收信息；

步骤3：控制器MCU将接收的信息进行网内加密解码，并判断是否为自身管理地址范围，若是则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4：控制器MCU将接收的信息进行分类处理，并根据分类结果执行相应的程序；

步骤5：处理守护进程函数，并返回步骤2。

进一步的，步骤4中信息的分类结果包括在线调试信息、上层软件指令信息以及紧急或意外传递信息。

更进一步的技术方案是，步骤5所述守护进程函数的处理步骤如下：

步骤S1：创建子进程，父进程退出；

步骤S2：在子进程中创建新会话；

步骤S3：改变当前目录为根目录；

步骤S4：重设文件权限掩码；

步骤S5：关闭文件描述符。

上述方法中，对装置进行控制，不仅本装置能够满足人们对多种通讯协议的需求，而且适应于多装置间或装置与节点间的自主组网。

本发明的显著效果是：不但具有多通讯方式传输功能，同时还适应于多网关装置间或网关装置与节点间的自主组网；实现了同时支持多种无线网络、工业以太网等多种技术标准的接口电路；装置采用多通道网络传输，通信抗干扰能力强，支持在2.4GHz和5.8GHz两种微波频段工作。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意；

图2是所述功率控制电路的电路原理图；

图3是本发明的控制方法流程图；

图4是本发明的无线组网时的网络拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1所示，一种可用于多种通信协议混合自主组网的装置，包括控制器MCU，该控制器MCU的第一串口端连接有无线通讯模块，所述控制器MCU的第二串口端连接有串口扩展模块，所述控制器MCU的第三串口端连接有硬件存储电路，所述控制器MCU的第四串口端连接有RTC电路，在所述控制器MCU的输入端连接有模式选择电路，所述控制器MCU由所示电源模块供电；

所述无线通讯模块用于实现网关与网关或者网关与节点之间的通讯互连；所述串口扩展模块具有多种技术标准的接口电路，可用于与服务器或其他设备进行信息交互；所述硬件存储电路用于存储网络数据转换协议；所述RTC电路用于对所述控制器MCU进行实时校准，所述模式选择电路用于对控制器MCU的工作状态进行控制。

在具体使用过程中，首先初始化本装置，然后通过上述RTC电路进行实时校准，然后控制器MCU通过第一串行通信接口实现与无线通信模块进行网络信息交互及数据处理、协议转换和网络内部地址映射等，控制器MCU根据硬件存储电路中的网络数据转换协议对接受的信息进行处理，从实现多通讯协议间的通讯，即实现多网关装置间或网关装置与节点间的自主组网，同时控制器MCU还可通过串口扩展模块与服务器或Internet进行数据交互。

如图2所示，在所述控制器MCU与所述无线通讯模块之间还设置有功率控制电路，该功率控制电路包括PMOS管QW1，PMOS管QW1的栅极串接电阻RW19后接控制器MCU的控制信号输出端，PMOS管QW1的源极接直流电源，PMOS管QW1的漏极接所述无线通讯模块的电源输入端，该无线通讯模块的电源输入端还串接电阻RW21后接所述直流电源，PMOS管QW1的栅极还经电容CW1后接地，在PMOS管QW1的源极与栅极之间还连接有电阻RW20。

当所述控制器MCU控制信号输出端输出信号导通PMOS管时，输入无线通讯模块的电源输入端的电压为直流电源电压；当PMOS管阶段时，输入无线通讯模块的电源输入端的电压为电阻RW21分压后的电压，通过改变无线通讯模块的输入电压改变其功率。

本实施例中，为结合现有主流设备，所述无线通讯模块为基于WiFi、GPRS、蓝牙的三种无线通讯系统。

参见附图3，结合上述的可用于多种通信协议混合自主组网的装置的电路结构，本实施例提案提出了一种基于该装置的控制方法，具体步骤如下：

步骤1：系统初始化；

具体为：

第一步初始化硬件驱动，移植不同的平台，针对使用的通信设备(wifi/蓝牙/980M)，需要修改主要配置文件；

第二步初始化软件设置，申请网关链表，针对预计默认设置好整个网络的最大数、最少单位数、网络密码等等；

第三步返回初始化完成信息。

步骤2：等待接收信息，若如果已经有物件了，并且有物件事件了，那么就轮流处理物件中事件函数。每个时间中断将每个物件中的事件剩余触发时间减一，并判断是否为零，根据通信等级决定是否降级。而事件的等级影响物件等级，当最低时，也就是意味着物件上的事件都没用了，发送判断是否在线测试，根据事件最低时间段内回信或未回信，判断是否删除物件；

步骤3：控制器MCU将接收的信息进行网内加密解码，并判断是否为自身管理地址范围，若是则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4：控制器MCU将接收的信息进行分类处理，并根据分类结果执行相应的程序，具体为：

在线调试信息：

收到修改/增加/删除系统信息，在权限内返回执行操作结果；

收到修改/增加/删除物件信息，修改物件链表，并同时维护物件和事件的时间和等级；

收到修改/增加/删除事件信息，修改物件中的事件链表，并同时维护物件和事件的时间和等级。

上层软件指令信息：

收到上层软件指令信息，判断命令标识和命令选项，进入系统函数或者物件事件函数，执行操作并返回操作结果，并同时维护系统信息、物件和事件的时间和等级；

收到地址指令信息，遵循有地址分配，与子路由器协商，借用多余地址分配；都没有的情况下，说明网络饱和需要修改地址最大数默认值和修改分配地址最大值；

收到网络优化指令信息，将根据网络深度，从最深子节点开始层层优化，然后保存网络路径。

紧急或意外传递信息：

判断网络密钥和网络权限，正确的情况下传递邻近网络，并返回传递结果，同时维护邻近网络节点、自身网络中的节点、自身管理地址段链表和节点链表。

步骤5：处理守护进程函数，并返回步骤2；

作为一种实施方式，守护进程函数的处理步骤为：

步骤S1：创建子进程，父进程退出；

步骤S2：在子进程中创建新会话；

步骤S3：改变当前目录为根目录；

步骤S4：重设文件权限掩码；

步骤S5：关闭文件描述符。

将本装置作为网关，并采用上述方法分别对四个装置进行控制，进行自主组网后的网络拓扑图参见附图4，其中所述节点由协路由器与终端节点组成。本实施例中，网关A、网关B、网关C与网关D，协路由器1、协路由器2与协路由器3，以及终端节点1、终端节点2与终端节点3通过互联进行组网。

在实施时，当网络出现多个网关时，用户可以连接任一网关；但是出现0网关时，也就是用户强制将网关降级为协路由器，系统会提出警告，但是会执行，选出网关相邻的协路由器为网关，万一整个网络没有协路由器存在，网关相邻节点先升级为协路由器，再升级为网关。如果出现没有相邻的协路由器或者节点，说明该网络就一个网关，执行后就变成了协路由器。而协路由器也可以降级为终端节点。

具体实施过程中，协路由器的自主组网控制方法为：

A1：首先是初始化硬件和软件信息；

第一步初始化硬件驱动，移植不同的平台，针对使用的通信设备(wifi/蓝牙/980M、433M射频RF等)，需要修改主要配置文件；

第二步初始化软件设置，申请节点链表，针对预计默认设置好整个网络的最少单位数、网络密码、选择网络处于协路由器或者节点模式等等；

第三步返回初始化完成信息。

A2：每隔一段时间，请求地址，直至收到回复信息；

A3：判断目的地是否为自己的信息，再次判断是否为网关或者协路由器传回来的地址分配信息，不是此类信息返回A2；

A4：解析地址，然后初始化自身物件信息和事件信息，上传给父协路由器，并在网关注册物件和事件信息表。根据自身通信等级，每隔段时间检测自身事件信息，到达完成事件时间，调用事件函数；

A5：等待接收信息；

A6:收到信息，根据网内加密解码，判断目的地是否是自身管理地址范围，不是完整包或者不是自己的，返回A5，得到目的地是自己的数据包分类：

在线调试信息：

收到修改/增加/删除系统信息，在权限内返回执行操作结果；

收到修改/增加/删除物件信息，修改物件链表，并同时维护物件和事件的时间和等级；

收到修改/增加/删除事件信息，修改物件中的事件链表。并同时维护物件和事件的时间和等级。

收到系统指令信息：

收到系统指令信息，判断命令标识和命令选项，进入系统函数或者物件事件函数，执行操作并返回操作结果。并同时维护系统信息、物件和事件、的时间和等级。

收到地址指令信息，遵循有地址分配；无地址请求父级分配，父级有地址则分配，无则父级与兄级路由器协商，借用兄级多余地址分配；都没有的情况下，父级再次请求父级的父级路由器，依旧遵从本地址分配原则。

紧急或意外传递信息：

判断网络密钥，正确的情况下帮助传递，并返回传递结果。同时维护邻近节点、自身管理地址段链表和节点链表。

A7:判断是否进入网络维修。如果认为自己需要进入，则触发节点局域网络维修函数A8。否则返回A6；

A8：在系统等级设定的维护网络最低时间段轮回，判断各个邻近节点链表的数据包量、总量和出错量；

由通讯知识可知，网络总数据包时间占系统工作总时间与系统效率成类二次函数关系，在网络总数据包时间占节点系统工作总时间70％时，系统效率最高，低于70％成上升关系或高于70％成下降关系。数据包出错量与网络总数据包量成类指数关系，网络总数据包量包越多，出错率越大。由大量MatlaB测试得知，在网络总数据包量时间占系统总时间的10％-30％左右是最优段。

在互相发送接受干扰大的情况下，邻近每个节点拥有相同的事件数或者占用空中信道时间一定情况下，单位面积节点的密度越大，可以正常发送接收数据包时间越少，反之亦然。所以单单这个网络路由器稳定性受到环境和介质条件影响较多，因此需采用默认影响因素比率来衡定各自的网络稳定性和效率性。

A9:计算并判断影响比率因数函数，具体为：

收发比＝收数据包时间比/发数据包时间比，

工作比＝(收数据包时间比+发数据包时间比)/空闲时间比，

自我收数据包正确比＝正常自己正确收到数据包量/总收数据包量，

收数据包正确比＝(正常自己正确收到数据包量+其他情况正确中转数据包量)/总收数据包量，

转发数据包量比＝其他情况正确中转数据包量/总收发数据包量，

其中，总收数据包量＝被打断数据包+正常自己正确收到数据包量+数据包校验错误丢弃量+其他情况正确中转数据包量；

(1)当工作比超过设定值且转发数据包量比超过设定值时，将触发是否转化为自身为协议路由器状态；

(2)当管理节点地址范围超过设定值且自我收数据包正确比超过设定值时，将触发是否转化为自身终端节点状态；

(3)工作比超过设定值且自我收数据包正确比超过设定值且转发数据包量比低于设定值，将触发是否转化为自身终端节点状态。

在具体实施时，以上的设定判断函数都是系统默认的或者设计者自己去定。

所述终端节点的自主组网控制方法为：

B1：首先是初始化硬件和软件信息。

第一步初始化硬件驱动，移植不同的平台，针对使用的通信设备需要修改主要配置文件；

第二步初始化软件设置，申请节点链表，针对预计默认设置好整个网络的最少单位数、网络密码、选择网络处于协路由器或者节点模式等等；

第三步返回初始化完成信息。

B2：每隔一段时间，请求地址。直至收到回复信息。

B3：判断目的地是否为自己的信息，再次判断是否为网关或者协路由器传回来的地址分配信息，不是此类信息返回B2。

B4：解析地址，然后初始化自身物件信息和事件信息，上传给父协路由器，并在网关注册物件和事件信息表。根据自身通信等级，每隔段时间检测自身事件信息，到达完成事件时间，调用事件函数；

B5：等待接收信息；

B6:收到信息，根据网内加密解码，判断目的地是否是自己。不是完整包或者不是自己的，返回B5。得到目的地是自己的数据包分类：在线调试信息：

收到修改/增加/删除系统信息，在权限内返回执行操作结果；

收到修改/增加/删除事件信息，修改物件中的事件链表。并同时维护物件和事件、的时间和等级。

收到系统指令信息：

收到系统指令信息，判断命令标识和命令选项，进入系统函数或者物件事件函数，执行操作并返回操作结果。并同时维护系统信息、物件和事件、的时间和等级；

收到地址指令等无关无效信息，遵循舍弃原则。

紧急传递信息：

判断权限和网络密钥，正确的情况下帮助传递，并返回传递结果。同时维护邻近节点链表。

B7:判断是否进入网络维修：如果认为自己需要进入，则触发节点局域网络维修函数B8，否则返回B6；

B8：在系统等级设定的维护网络最低时间段轮回，判断各个邻近节点链表的数据包量、总量和出错量。

由大量测试得知，网络总数据包时间占系统工作总时间与系统效率成类二次函数关系，在网络总数据包时间占节点系统工作总时间50％时，系统效率最高，低于50％成上升关系或高于50％成下降关系；

数据包出错量与网络总数据包量成类指数关系，网络总数据包量包越多，出错率越大。由大量测试得知，在网络总数据包量时间占系统总时间的20％-50％左右是最优段。在互相发送接受干扰大的情况下，邻近每个节点拥有相同的事件数或者占用空中信道时间一定情况下，单位面积节点的密度越大，可以正常发送接收数据包时间越少，反之亦然。所以单单这个终端节点稳定性受到环境和介质条件影响较多，需要根据影响因素比率来衡定各自的网络稳定性和效率性。

B9：计算并判断影响比率因数函数，并判断触发是否升级转化为自身为协路由器状态，具体为：

当工作比低于设定值且出现紧急单向通信次数超过设定值，父协路由器已经降为终端节点且邻近没有协路由器时，将触发是否转化为自身为协议路由器状态，其中，工作比＝(收数据包时间比+发数据包时间比)/空闲时间比。在具体实施时，以上的设定判断函数都是系统默认的或者设计者自己去定。

通过上述方法，根据协路由器与终端节点自身收集本身的数据包判断发送、接收、和正常运行时间的比做出等级跳转，实现自身状态的动态变换，从而实现整个网络的动态重组过程，增加了网络的利用效率，形成了动态组网；同时网关、协路由器与终端节点或者网关与终端节点之间，均可实现自主组网，实用性更好。

Claims (7)

1.一种可用于多种通信协议混合自主组网的装置，其特征在于：包括控制器MCU，该控制器MCU的第一串口端连接有无线通讯模块，所述控制器MCU的第二串口端连接有串口扩展模块，所述控制器MCU的第三串口端连接有硬件存储电路，所述控制器MCU的第四串口端连接有RTC电路；

所述无线通讯模块用于实现网关与网关或者网关与节点之间的通讯互连；所述串口扩展模块具有多种技术标准的接口电路，可用于与服务器或其他设备进行信息交互；所述硬件存储电路用于存储网络数据转换协议；所述RTC电路用于对所述控制器MCU进行实时校准。

2.根据权利要求1所述的可用于多种通信协议混合自主组网的装置，其特征在于：在所述控制器MCU的输入端连接有模式选择电路，该模式选择电路用于对控制器MCU的工作状态进行控制。

3.根据权利要求1所述的可用于多种通信协议混合自主组网的装置，其特征在于：在所述控制器MCU与所述无线通讯模块之间还设置有功率控制电路，该功率控制电路包括PMOS管QW1，PMOS管QW1的栅极串接电阻RW19后接控制器MCU的控制信号输出端，PMOS管QW1的源极接直流电源，PMOS管QW1的漏极接所述无线通讯模块的电源输入端，该无线通讯模块的电源输入端还串接电阻RW21后接所述直流电源，PMOS管QW1的栅极还经电容CW1后接地，在PMOS管QW1的源极与栅极之间还连接有电阻RW20。

4.根据权利要求1所述的可用于多种通信协议混合自主组网的装置，其特征在于：所述无线通讯模块为WiFi、3G、GPRS、蓝牙、RF或ZigBee无线通讯系统中的至少一种。

5.一种如权利要求1所述的可用于多种通信协议混合自主组网的装置的控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：系统初始化；

步骤2：等待接收信息；

步骤3：控制器MCU将接收的信息进行网内加密解码，并判断是否为自身管理地址范围，若是则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4：控制器MCU将接收的信息进行分类处理，并根据分类结果执行相应的程序；

步骤5：处理守护进程函数，并返回步骤2。

6.根据权利要求5所述的可用于多种通信协议混合自主组网的装置的控制方法，其特征在于：步骤4中信息的分类结果包括在线调试信息、上层软件指令信息以及紧急或意外传递信息。

7.根据权利要求6所述的可用于多种通信协议混合自主组网的装置的控制方法，其特征在于：步骤5所述守护进程函数的处理步骤如下：

步骤S1：创建子进程，父进程退出；

步骤S2：在子进程中创建新会话；

步骤S3：改变当前目录为根目录；

步骤S4：重设文件权限掩码；

步骤S5：关闭文件描述符。