CN101119315A

CN101119315A - 控制网络中数据传输的方法、系统和网关

Info

Publication number: CN101119315A
Application number: CNA2007101218808A
Authority: CN
Inventors: 王贵春; 莫毅; 江江
Original assignee: PROBA TECHNOLOGIES (BEIJING) Co Ltd
Current assignee: ProBA Technologies (Beijing) Co., Ltd.
Priority date: 2007-09-17
Filing date: 2007-09-17
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2027-09-17
Also published as: CN101119315B

Abstract

本发明提供了控制网络中数据传输的方法、系统和网关，其中，方法包括：步骤一，所述网关确定源末端设备发送到所述网关的数据包的源地址；步骤二，根据所述网关中预置的策略查找所述数据包源地址对应的目的地址；步骤三，根据所述目的地址将所述数据包封装为符合标准局域网传输协议的数据帧，通过所述局域网将所述数据帧发送到所述目的地址对应的目的末端设备所连接的网关；步骤四，所述目的末端设备所连接的网关从所述数据帧拆封装出所述数据包，并将所述数据包发送到所述目的末端设备。本发明使采用不同通讯协议的末端设备都可以通过网关灵活接入到控制网络中，实现互联互通，提高了对末端设备的兼容性，进而提高了控制网络的开放程度。

Description

控制网络中数据传输的方法、系统和网关

技术领域

本发明涉及楼宇建筑和现代家居的建筑自动化领域，特别是涉及控制网络中数据传输的方法、系统和网关。

背景技术

智能化是楼宇建筑和现代家居发展的一种趋势。随着建筑功能的扩展，当前智能建筑控制内容越来越多，控制程度越来越复杂。为满足建筑环境要求、降低能耗、提高住宅舒适度和实现建筑的科学管理，建筑自动化系统(BuildingAutomation System，BAS)应运而生。通常认为建筑自动化系统是对建筑物机电系统进行自动检测、自动控制、自动调节和自动管理的系统。所谓建筑物机电系统，通常包括：采暖空调系统(Heating，Ventilating and Air Conditioning，HVAC)、冷热源系统、给排水系统、照明系统、安防系统，以及家庭内部的电器、照明系统等。

现在，越来越多的计算机芯片被嵌入到机电设备当中。可编程的数字控制器已取代了模拟控制器；具备数字通信功能的“智能”设备也日益广泛地应用在建筑自动化(BA)系统中。BA系统中可通信的设备日益增多，分布日趋分散，基于通信网络实现BA系统设备间的协调管理已经成为不可回避的潮流与方向。

然而，BA网络中各子系统涉及的行业可能采用不同的通信技术标准，并且不同通信协议的系统设备间往往是不兼容的，因此如何让采用不同通信标准的末端设备在网络中充分互联互通成为将各种通信技术应用在BA系统中所面临的主要课题。

以下对BA系统控制网络中的设备逻辑类型做简要介绍。系统设备按照功能可以分为如下一些逻辑类型：传感器、执行器、控制器和数据库等。如图1所示，以一个简单的空调控制系统为例，风机控制器和冷机控制器同时接收来自温度传感器和湿度传感器采集的温湿度数据，使用这两个环境测量值以及风机和冷机反馈的状态信号通过内部的控制运算法则，分别计算出向冷机和风机发出的控制信号。同时为了监控系统的运行状况，温/湿度传感器将测量的数值发送给一台系统监控服务器、风/冷机也同时将自己收到的控制信号发送给该系统监控服务器。图1所示的只是逻辑上的各个设备之间的连接关系。物理上传感器、执行器和控制器之间如何连接实现数据在设备之间的传输有很多不同的方案。

目前，工/商业应用中大部分控制系统中典型的连接方式还是集中化体系结构。传感器和执行器等系统末端设备被接线到辅助面板，然后再通过专用主/从通信总线连接到控制器。控制面板包括一个微处理器，运行一个定制的应用程序，为连接在它上面的所有I/O点实施控制逻辑。在较大系统中，控制器可以在另一个专用通信总线上和其他控制器通信。系统末端设备通常是无智能的I/O设备，也就是说，它们没有智能或通信能力。各个末端设备之间的通信、数据转发都通过对控制器的配置实现。控制系统的每个子系统必须有一个定制的应用程序。该应用程序的软件使用专用编程语言和非标准的随制造商而异的软件工具来开发，因此，不同子系统的应用程序会因制造商和开发语言的不同而各不相同。

所以，控制系统这种集中式结构不能在不同子系统中形成细致的无缝连接，不同子系统之间设备不能实现完整的通信(数据的寻址和转发)功能。它们仅允许有限的状态和控制信息通过不同的子系统；不同传感器的信息并非总是可以访问；系统不能以整个系统状态为基础实时适合它们的响应。当然，可以通过使用网关和定制程序可以建立更复杂的控制系统，但它们通常不具有成本效应，而且系统的可靠性也将受损，一旦系统完成，用户就不能摆脱对提供网关和定制程序的厂商的依赖。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制网络中数据传输的方法、系统和网关，解决现有集中式控制系统中存在的网络结构封闭、末端设备兼容性差、难以让不同通信标准的末端设备在网络中充分互联互通的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种控制网络中数据传输的方法，用于通过网关在末端设备之间进行数据传输，其中，包括如下步骤：

步骤一，所述网关确定源末端设备发送到所述网关的数据包的源地址；

步骤二，根据所述网关中预置的策略查找所述数据包源地址对应的目的地址；

步骤三，根据所述目的地址将所述数据包封装为符合标准局域网传输协议的数据帧，通过所述局域网将所述数据帧发送到所述目的地址对应的目的末端设备所连接的网关；

步骤四，所述目的末端设备所连接的网关从所述数据帧拆封装出所述数据包，并将所述数据包发送到所述目的末端设备。

上述的方法，其中，在步骤三之前还包括：判断所述目的地址对应的目的末端设备是否连接在当前网关，是则直接根据所述目的地址将所述数据包发送到所述目的末端设备并结束流程，否则执行步骤三。

上述的方法，其中，所述步骤一中，所述网关是根据所述网关的地址和与所述网关相连的末端设备所在的端口编号，来确定所述数据包的源地址的。

上述的方法，其中，所述预置的策略是指：发送数据包的源末端设备与接收数据包的目的末端设备地址之间存在固定的对应关系。

上述的方法，其中，所述步骤一进一步包括：

步骤a，末端设备向网关的设备接口单元发送数据包；

步骤b，所述设备接口单元根据网关的地址和所述末端设备连接的端口编号确定所述末端设备的源地址，并将所述源地址写入所述数据包的源地址字段，然后将该写入源地址的数据包发送给所述网关的寻址单元。

上述的方法，其中，所述步骤二进一步包括：

步骤c，所述寻址单元根据所述源地址，查询网关中预先存储的源汇表，将查询到的目的末端设备的地址作为目的地址写入所述数据包的目的地址字段，然后将该写入目的地址的数据包发送给所述网关的转发单元，所述源汇表中包括有发送数据包的末端设备和接收该数据包的目的末端设备的地址对应关系；

步骤d，所述转发单元根据所述目的地址判断所述目的末端设备是否连接在当前网关，是则直接根据所述目的地址将所述写入目的地址的数据包发送到所述目的末端，否则将所述写入目的地址的数据包发送到所述网管的网络接口单元。

上述的方法，其中，所述步骤三进一步包括：

步骤e，所述网络接口单元根据所述目的地址将所述写入目的地址的数据包封装为符合局域网传输协议的数据帧；

步骤f，所述网络接口单元通过局域网将所述数据帧发送给所述目的末端设备对应的网关。

上述的方法，其中，所述步骤四进一步包括：

步骤g，所述目的末端设备对应的网关拆封装所述数据帧，然后将拆封装出的数据包发送给当前网关的设备接口单元；

步骤h，当前网关的设备接口单元根据所述目的地址将所述拆封装出的数据包发送到所述目的末端设备。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种控制网络中数据传输的系统，其中，包括：通过局域网相连的网关，以及与网关相连的发出数据包的源末端设备和接收数据包的目的末端设备；与所述源末端设备相连的网关用于：根据网关的地址和所述源末端设备所在的端口编号，来确定所述源末端设备发出的数据包的源地址；根据所述网关中预置的策略查找所述源地址对应的目的地址，根据所述目的地址将所述数据包封装为符合标准局域网传输协议的数据帧，并发送到所述局域网；所述局域网用于：将所述数据帧发送到所述目的地址对应的目的末端设备所在的网关；与所述目的末端设备相连的网关用于：从所述数据帧拆封装出所述数据包，并将所述数据包发送到所述目的末端设备。

上述的系统，其中，与所述源末端设备相连的网关还用于：判断所述目的地址对应的目的末端设备是否连接在当前网关，是则直接根据所述目的地址将所述数据包发送到所述目的末端设备并结束数据传输流程，否则才进行所述数据包的封装及向所述局域网的发送。

上述的系统，其中，所述局域网为有线以太网或无线局域网；所述网关以有线或无线的方式连接末端设备。

为了实现上述目的，本发明又提供了一种控制网络中数据传输的网关，连接末端设备和局域网，其中，包括：设备接口单元、寻址单元、转发单元和网络接口单元；所述设备接口单元，用于：接收所述末端设备发出的数据包，根据网关的地址和与所述网关相连的末端设备所在的端口编号，来确定所述数据包的源地址，并将所述源地址写入所述数据包的源地址字段后发送给所述寻址单元；接收来自转发单元或网络接口单元的已写入目的地址的数据包，并根据目的地址将数据包发送给目的终端设备；所述寻址单元，用于：根据所述源地址，查询网关中预先存储的源汇表，将查询到的目的末端设备的地址作为目的地址写入所述数据包的目的地址字段，然后将该写入目的地址的数据包发送给所述网关的转发单元，所述源汇表中包括有发送数据包的末端设备和接收该数据包的目的末端设备的地址对应关系；所述转发单元，用于：根据所述目的地址判断所述目的末端设备是否连接在当前网关，是则直接根据所述目的地址将所述写入目的地址的数据包发送到所述设备接口单元，否则将所述写入目的地址的数据包发送到所述网络接口单元；所述网络接口单元，用于：根据所述目的地址将所述写入目的地址的数据包封装为符合局域网传输协议的数据帧，通过局域网将所述数据帧发送给所述目的末端设备对应的网关；接收并拆封装来自局域网的数据帧，将拆封装出的数据包发送给所述设备接口单元。

上述的网关，其中，所述网关以有线或无线的方式连接所述末端设备和所述局域网。

本发明的技术效果在于：

1.使用不同通讯协议(例如EIA-RS-232/422/485协议、通用串行总线(USB)协议、IEEE-802.15.3 Zigbee协议等)的末端设备都可以通过网关灵活接入到控制网络中，并可以实现互联互通，提高了系统对末端设备的兼容性，进而提高了控制网络的开放程度。

2.数据的寻址和转发都集中在网关上，末端设备仅和其连接的对应网关进行通信，不用处理发送和接收的数据包的地址，降低了末端设备通信的复杂度，进而降低了末端设备的成本。

3.和传统集中式系统相比，没有辅助面板、集中器等中间设备，末端设备直接连接到网关，系统结构简单，降低了网络传输的延时，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1控制系统逻辑连接的示意图；

图2为本发明提供的控制网络中数据传输的系统的示意图；

图3为本发明提供的控制网络中数据传输方法的步骤流程图；

图4为本发明提供的网关的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明针对现有集中式控制系统中网络结构封闭、末端设备兼容性差的缺点，提供了控制网络中数据传输的方法、装置和网关，使不同生产厂家的末端设备之间可以自由通讯，进而提高了控制网络的开放程度和设备兼容性。

图2所示是本发明提供的控制网络中数据传输系统的示意图，系统中包括：网关和末端设备。网关具有局域网接口，可以以有线(例如IEEE-802.3标准的以太网接口)或者无线(例如IEEE-802.11标准的无线局域网接口)的方式同标准化的局域网进行通信，传输基于IP协议的数据包。网关还具有串行通信接口，可以通过接口和末端设备进行通信，传输基于串行通讯协议(例如EIA-RS-232/422/485协议、通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)协议等)的数据包，网关通常具有多个串行端口，因此可以同时连接多个末端设备。当然网关也可以通过无线接口(例如使用IEEE-802.15.4 Zigbee短距离通信标准)连接末端设备。

网关主要完成协议转换的功能，可以将来自末端设备的数据包封装成符合局域网通信协议的IP分组，并进一步封装成以太网数据帧或者无线局域网数据帧后发送到局域网；同时，网关还可以完成相应的逆操作，将来自局域网的数据帧解封装后发送给末端设备。

网关还有一个重要的功能就是完成对来自末端设备的数据包的寻址和转发。在本系统中，为了简化末端设备上的通讯复杂度，末端设备只和相对应连接的网关进行通信，而发送末端设备的数据通过网关转发到哪个接收末端设备的寻址操作由网关来进行。

末端设备可以是传感器、控制器、执行器、数据库，也可以是这些逻辑设备类型的集合。比如，一个有阀位反馈功能的阀门就可以看成一个传感器和一个执行器的集合。

进行网络通信时需要为每个网络节点分配其在网络中的标示，即网络地址。IP地址是数据通讯网络中最通用的编址模式，提供了一种独立于网络物理介质的地址规划方法。根据国际标准化组织(OSI)的分层网络体系结构模型，广泛应用的以太网和无线局域网尽管在物理层(physical layer)和数据链路层(data link layer)采用的技术标准不同，但是在网络层(network layer)上通过应用IP协议做到了统一，得以互联互通。

地址的分配：本发明中的网关设备有以太网或者无线局域网的接口，因此具有IP地址。而根据楼宇控制系统的特点，网关和末端设备安装完成以后就不会经常变动，设备之间的连接关系相对固定。因此，本发明通过末端设备对应连接网关的IP地址和设备连接到网关的端口号就可以确定末端设备的地址。比如，一个网关的IP地址是192.168.1.2，一个末端设备通过4号串行通信接口连接到该网关，则这个末端设备的网络地址即为192.168.1.2.4。对于通过无线接口连接的末端设备也可以采用类似的方法，用对应网关的IP地址加上一个预先设定的设备编号，就可以确定该无线末端设备的地址。比如，一个网关的IP地址是192.168.1.2，系统给一个无线末端设备设定的编号为100，则这个末端设备的网络地址即为192.168.1.2.100。这样本发明使用四个字节的IP地址加上一个字节的端口/设备编号就可以为控制网络中的每个末端设备分配一个唯一的地址。

数据的发送、寻址、转发和接收：如前所述，楼控、智能家庭网络与一般的计算机通信网络的一个重要不同点就是其发送数据的信息源和接收数据的信息汇之间的对应关系一般是相对简单而且固定的。比如灯与开关的对应关系，温湿度传感器和空调风机、冷机之间的对应关系等等。因此在如图2所示的系统中，如果将这些末端设备之间的地址对应关系配置在网关中，那么源末端设备只需要向网关发送数据而无需知道目的末端设备的地址，同理，目的末端设备只需要从网关接收数据而无需知道源末端设备的地址，即通过网关由控制网络实现对末端设备数据的寻址和转发，这样将会简化设备的通信功能，在降低末端设备成本的同时提高设备介入的通用性。

图3为本发明提供的控制网络中数据传输方法的步骤流程图，如图，末端设备通过网关进行数据发送、寻址、转发和接收的过程包括：

步骤301，首先源末端设备向网关的设备接口单元发送数据包；

步骤302，所述网关设备接口单元接收到数据包后，根据网关的IP地址和所述源末端设备连接端口编号确定源末端设备的地址，并将所述源末端设备的地址写入所述数据包的源地址字段，然后将该数据包发送给所述网关的寻址单元；

步骤303，所述网关寻址单元接收到数据包后，根据数据包的源地址，查询网关中预先存储的源末端设备和目的末端设备地址对应关系的源汇表，将查询到的目的末端设备的地址写入所述数据包的目的地址字段，然后将数据包发送给所述网关的转发单元；

步骤304，所述网关转发单元接收到数据包后，根据数据包的目的地址，判断目的末端设备是否和源末端设备连接到同一个网关，如果是，则执行步骤305，否则执行步骤307；

步骤305，将数据包发送给所述网关的设备接口单元，

步骤306，所述网关设备接口单元收到数据包后，根据数据包的目的地址将数据包发送到对应的目的末端设备，结束流程。

步骤307，将数据包发送给所述网关的网络接口单元；

步骤308，所述网关网络接口单元收到数据包后，根据数据包的目的地址对数据包进行封装，并将封装后的符合局域网传输协议的数据帧通过局域网发送给目的末端设备对应的网关；

步骤309，所述目的末端设备对应网关的网络接口单元收到数据帧后进行拆封装，然后将拆封装后的数据包发送给设备接口单元；

步骤310，设备接口单元收到数据包后，根据数据包的目的地址将数据包发送到对应的目的末端设备。

图4为本发明提供的网关装置的结构框图，可见，该装网关置包括以下功能单元：

设备接口单元：用于接收从源末端设备发送的数据包后，将源末端设备的地址写入数据包的源地址字段，并将所述数据包发送给寻址单元；还用于接收从转发单元或网络接口单元发送的数据包，并根据数据包的目的地址字段将数据包发送给对应的末端设备。

寻址单元：存储源末端设备和目的末端设备地址对应关系的源汇表；用于接收从设备接口单元发送的数据包后，根据数据包的源地址查询所述源汇表后得到所述数据包的目的地址，将目的末端设备的地址写入数据包的目的地址字段，并将所述数据包发送给转发单元。

转发单元：用于接收从寻址单元发送的数据包后，根据数据包的目的地址，将数据包转发给设备接口单元或者网络接口单元；具体地，当根据数据包的目的地址判断目的末端设备连接在与源末端设备相同的网关(即本网关)时，将数据包转发给设备接口单元，当根据数据包的目的地址判断末端设备连接在与源末端设备不同的网关时，将数据包转发给网络接口单元。

网络接口单元：用于接收从转发单元发送的数据包后，根据数据包的目的地址对数据包进行封装，并将封装后的符合局域网传输协议的数据帧通过局域网发送给目的末端设备对应的网关；还用于接收从局域网发送的数据帧后，对数据帧进行拆封装，然后将拆封装后的数据包发送给设备接口单元。

由上可知，本发明具有如下有益效果：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种控制网络中数据传输的方法，用于通过网关在末端设备之间进行数据传输，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤三之前还包括：判断所述目的地址对应的目的末端设备是否连接在当前网关，是则直接根据所述目的地址将所述数据包发送到所述目的末端设备并结束流程，否则执行步骤三。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，所述网关是根据所述网关的地址和与所述网关相连的末端设备所在的端口编号，来确定所述数据包的源地址的。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述预置的策略是指：发送数据包的源末端设备与接收数据包的目的末端设备地址之间存在固定的对应关系。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤一进一步包括：

步骤a，末端设备向网关的设备接口单元发送数据包；

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤三进一步包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤四进一步包括：

9.一种控制网络中数据传输的系统，其特征在于，包括：通过局域网相连的网关，以及与网关相连的发出数据包的源末端设备和接收数据包的目的末端设备；

与所述源末端设备相连的网关用于：根据网关的地址和所述源末端设备所在的端口编号，来确定所述源末端设备发出的数据包的源地址；根据所述网关中预置的策略查找所述源地址对应的目的地址，根据所述目的地址将所述数据包封装为符合标准局域网传输协议的数据帧，并发送到所述局域网；

所述局域网用于：将所述数据帧发送到所述目的地址对应的目的末端设备所在的网关；

与所述目的末端设备相连的网关用于：从所述数据帧拆封装出所述数据包，并将所述数据包发送到所述目的末端设备。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，与所述源末端设备相连的网关还用于：判断所述目的地址对应的目的末端设备是否连接在当前网关，是则直接根据所述目的地址将所述数据包发送到所述目的末端设备并结束数据传输流程，否则才进行所述数据包的封装及向所述局域网的发送。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述局域网为有线以太网或无线局域网；所述网关以有线或无线的方式连接末端设备。

12.一种控制网络中数据传输的网关，连接末端设备和局域网，其特征在于，包括：设备接口单元、寻址单元、转发单元和网络接口单元；

所述设备接口单元，用于：接收所述末端设备发出的数据包，根据网关的地址和与所述网关相连的末端设备所在的端口编号，来确定所述数据包的源地址，并将所述源地址写入所述数据包的源地址字段后发送给所述寻址单元；接收来自转发单元或网络接口单元的已写入目的地址的数据包，并根据目的地址将数据包发送给目的终端设备；

所述寻址单元，用于：根据所述源地址，查询网关中预先存储的源汇表，将查询到的目的末端设备的地址作为目的地址写入所述数据包的目的地址字段，然后将该写入目的地址的数据包发送给所述网关的转发单元，所述源汇表中包括有发送数据包的末端设备和接收该数据包的目的末端设备的地址对应关系；

所述转发单元，用于：根据所述目的地址判断所述目的末端设备是否连接在当前网关，是则直接根据所述目的地址将所述写入目的地址的数据包发送到所述设备接口单元，否则将所述写入目的地址的数据包发送到所述网络接口单元；

所述网络接口单元，用于：根据所述目的地址将所述写入目的地址的数据包封装为符合局域网传输协议的数据帧，通过局域网将所述数据帧发送给所述目的末端设备对应的网关；接收并拆封装来自局域网的数据帧，将拆封装出的数据包发送给所述设备接口单元。

13.根据权利要求12所述的网关，其特征在于，所述网关以有线或无线的方式连接所述末端设备和所述局域网。