CN102457416A - 一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法。该方法是利用以太网帧间隙来实现传感探测和以太网叠加通信的。利用该方法设计的智能传感装置是一种能在不影响原网络应用和不增加网络布线的前提下，实现远程设备主动探测及远程环境监测的智能传感装置，该方法的应用有着广阔的市场前景。

Description

一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法

所属技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法。

背景技术

下面是一个IEEE 802.3标准定义的以太网帧格式：Preamble(7-bytes)Start Frame Delimiter(1-byte)Dest.MAC Address(6-bytes)Source MACAddress(6-bytes)Length/Type(2-bytes)MAC Client Data(0-n bytes)Pad(0-p bytes)Frame Check Sequence(4-bytes)。Preamble：一个由交替的1和0组成的用于同步的前缀。他使网络有时间检听网上的信号，并决定是否接受数据帧或产生冲突。Start Frame Delimiter：帧起始分界符，一个8比特序列，由10101011构成，用于指明数据帧开始。Destination&SourceMAC Addesses：目的&源MAC地址，目的MAC地址字段用于指明帧被传送的一个或多个目的地址，源MAC地址用于指明发送帧的起始站点。一个目的地址既可以作为单独地址指明一个唯一的站点，也可以作为多址地址指明一组站点，一个全部由1组成的目的地址称为广播地址用来指明LAN上的所有站点。Length/Type：如果这个字段的值小于或等于1500，那Length/Type字段将用于指明MAC Client Date字段的字节数，如果这个字段得值大于或等于1536，那Length/Type字段将用于指明MAC client protocol的属性(协议类型)。MAC Client Date：这个字段包括从原站到目的站传输的数据，最多包含1500字节.如果这个字段小于46字节，那就必须使用下面的“Pad″字段，以使帧的总长度大于最小长度(64字节)。Pad：如果需要额外的数据字节将被附加到这个字段中，以使帧的长度大于64字节。Frame CheckSequence：这个字段包括4字节循环冗余校检码(CRC)用于检查错误。当一个原站组装一个MAC帧，他在所有字节(从Destination MAC Address到Pad字段)执行一个CRC计算，原站将计算的结果放入这个字段，并作为帧的一部分传输给目的站，当帧被目的站接受后，目的站进行同样的校检，如果校检和同字段中的值不同，目的站将认为在传输中发生错误并丢弃这个帧。最初的以太网标准定义的最小帧为64字节，最大帧为1518字节，这个数字包含从目的MAC地址字段到校检字段的所有字节，帧前缀和帧起始分界字段不包含在内。在1998年发布的IEEE802.3ac标准扩展了最大帧到1522字节，已允许一个″VLAN tag″可以插入到以太网帧当中。

帧间隙是指以太网设备必须允许在被连续传输的两个帧中间有一个最小空闲周期(IFG：Interframe Gap；IPG：InterPacket Gap)。它在两个帧中间提供一个短暂的恢复时间，以允许设备有时间做好接收下一帧的准备。

随着信息技术和通信产业的迅速发展，网络已经成为人们工作和生活不可缺少的重要组成部分。为了快速提供新业务、涉足新领域，同时降低网络建设和运行维护成本，当前许多领域迫切需要一种能在不影响原网络应用和不增加网络布线的前提下，实现远程设备主动探测及远程环境监测的智能传感装置。该装置的特点是支持网络拓扑的动态变化，能唯一识别网络中任何一台网络设备(不论该设备是否通电运行)，并且该装置能与智能传感器探头通信，通信信号叠加在帧间隙中传送，不影响原网络的通讯速率和带宽。该装置可广泛应用于企事业、网吧、学校、宾馆、小区及SOHO/家庭的灾害预报、环境监测等领域。

目前该领域的智能传感装置普遍采用无线网络功能模块的集成产品，这类产品有如下缺陷：1、无线信号易受天气的影响。2、通讯信号的强弱受本地无线网络信号强弱的影响。3、要有电池供电或在本地取电，一旦电池没电或本地停电，设备无法工作。4、由于每个传感器探头都包含无线网络模块，所以成本很高。5、每台无线传感器探头要配SM等手机卡，并且要定期充值，维护成本高。

发明内容

为了弥补现有智能传感装置存在不足的问题，本发明提出一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法。采用该方法的智能传感装置有如下优点：1、通讯信号不会受天气的影响。2、不依赖于本地网络通讯信号的强弱。3、无需电池供电或本地取电。4、传感器中没有无线网络模块，成本低廉。5、不影响原网络的通讯速率和带宽。6、通过对网络设备阻抗、感抗、容抗的测量，可识别网络设备。7、在帧间隙中叠加通信信息，实现智能传感探头与智能传感装置的通信，这样在原有网络上拓展新功能的同时节约了网络建设成本。8、传感器探头不用配SM等手机卡，维护成本低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

通过一定的技术手段检测以太网的帧间隙，并且在帧间隙通过另一些技术手段探测网络设备或智能传感器探头的阻抗、感抗、容抗特性，以此确定网络设备或智能传感器探头是否丢失。其中一定的技术手段是指通过对以太网中数据包的高速A/D采样，从而分析以太网中数据包帧间隙的技术手段。其中所述的阻抗、感抗、容抗特性，可以只是阻抗特性，也可以只是感抗特性，也可以只是容抗特性，也可以是阻抗、感抗、容抗的任意组合特性。

通过一定的技术手段检测以太网的帧间隙，并且在帧间隙叠加通讯信息，实现智能传感装置与以太网中多台智能传感器探头的数据通讯。其中所述的通讯信息，可以是已有的标准通讯协议的通讯信息，也可以是自定义通讯协议的通讯信息。

利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法设计一套智能传感装置，该装置将测量得到的阻抗、感抗、容抗上传到后台PC机数据库中进行数据分析，由此可以确定每个网络设备或智能传感器探头的特性，当特性发生变化时可以由此判断网络设备或智能传感器探头是否丢失。在测量间隙，以太网间隙通讯模块还可在以太网的帧间隙中叠加通讯信号，使得智能传感装置可以与智能传感器探头通讯，将智能传感器探头检测到的数据传送到后台PC机数据库中保存。使用该技术能在不影响原网络应用和无需重新网络布线的前提下，快速提供远程环境监测等新业务。

利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法设计一套智能传感装置，该装置包括中央控制模块、网络通讯模块、高速A/D采样模块、阻抗、感抗、容抗的测量模块、以太网间隙通讯模块、电源模块。其中电源模块用于给智能传感装置和智能传感器探头供电。阻抗、感抗、容抗测量模块由阻抗、感抗和容抗测量电路构成，并且直接与以太网中的8根网线相连。高速A/D采样模块与阻抗、感抗和容抗测量模块相连，并且高速采集阻抗、感抗和容抗测量模块中的电压数据，高速A/D采样模块根据中央控制模块的指令选择指定的采样点采集电压数据。采集到的数据由DSP 芯片处理后，发送到后台PC机数据库中进行数据分析计算。以太网间隙通讯模块可以根据中央控制模块的指令将通讯信号叠加到帧间隙上，实现智能传感装置与智能传感器探头的数据通讯。智能传感器探头是具有各种探测功能的传感器探头，如可以是单独具有温度、湿度、露点、压力等探测功能的传感器探头，也可以是这些功能任意组合后的传感器探头。

本发明的有益效果是：1、通讯信号不会受天气的影响。2、不依赖于本地网络通讯信号的强弱。3、无需电池供电或本地取电。4、传感器中没有无线网络模块，成本低廉。5、不影响原网络的通讯速率和带宽。6、通过对网络设备阻抗、感抗、容抗的测量，可识别网络设备。7、在帧间隙中叠加通信信息，实现智能传感探头与智能传感装置的通信，这样在原有网络上拓展新功能的同时节约了网络建设成本。8、传感器探头不用配SM等手机卡，维护成本低。

附图说明

图1智能传感装置的使用连接示意图；

图2智能传感装置设计原理图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为智能传感装置的使用连接示意图。利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信方法设计的一套智能传感装置。图中(1)是交换机或集线器等其他网络数据交换设备，(2)是连接(1)和(3)之间的网线，(3)是智能传感装置，(41)、(42)、(43)、(44)、(45)、(46)、(47)、(48)是连接(3)和(51)、(52)、(53)、(54)、(55)、(56)、(57)、(58)之间的网线，(51)、(52)、(53)、(54)、(55)、(56)、(57)、(58)是传感器探头或网络设备，网线(2)、(41)、(42)、(43)、(44)、(45)、(46)、(47)、(48)可以是平行网线，也可以是交叉网线。智能传感装置(3)将采集到的数据通过交换机或集线器等其他网络数据交换设备(1)发送到后台PC机的数据库中。(51)、(52)、(53)、(54)、(55)、(56)、(57)、(58)可以是传感器探头也可以是网络设备，当是网络设备时，智能传感装置(3)能实时探测网络设备的特性，当是传感器探头时，智能传感装置(3)除探测智能传感器探头的特性外还能与智能传感器探头通讯，并将传感器探头采集到的数据上传到后台PC机的数据库中。采用以太网帧间隙技术探测和通讯，不会影响原网络通讯的速率和带宽，同时还能在不增加网络建设成本的前提下，扩展新功能。

如图2所示，为智能传感装置原理图。整个技术方案的设计采用：硬件+嵌入式操作系统+应用层软件的结构。硬件平台中，主芯片采用TI公司的TMS320C6205和Samsung公司S3C2410的双内核结构，外围芯由Flash存储器、高速AD采样芯片AD9430、以太网接口芯片RTL8305SB等几部分组成。嵌入式操作系统采用μClinux，具有源代码公开、内核可裁剪和易于移植等特点。本装置用C语言进行开发，μClinux强大的应用程序库μCLibc对应用软件层的开发提供了支持，节省了系统开发的时间。根据硬件平台的要求，还需要开发适应硬件平台的驱动程序，包括BSP板级包，串口驱动程序和以太网口驱动程序。BSP板级包贯穿着硬件级、操作系统级和应用程序级多层，与μClinux一起为应用程序提供服务。BSP板级包的编写是实现μClinux系统移植的关键。在BSP板级包上开发和完成硬件初始化，中断的处理和产生，硬件时钟管理，本地和总线的内存映射等功能。应用层软件功能主要模块包括A/D高速采样模块、感抗、容抗、阻抗测量模块、数据校正模块、数据对比分析模块、数据上传模块、与传感器探头的通讯模块。高速采样模块采集以太网中数据信息并分析帧间隙以及网络设备的感抗、容抗、阻抗数据。感抗、容抗、阻抗测量模块分别测试网络设备或智能传感器探头的阻抗、容抗、感抗。数据校正模块根据电源电压的纹波变化及预设的校正值校正测量到的数据。数据对比分析模块分析若干次采样的感抗、容抗、阻抗数据，比较是否超出警戒值，超出则发出报警指令。数据上传模块将每次测量的数据上传到后台PC机的数据库中保存。传感器探头通讯模块用于智能传感装置和传感器探头之间的数据通讯，该通讯不会影响原网络的数据通讯。图2中(7)是Samsung公司的S3C2410，是智能传感装置的中央控制单元，所有的控制指令都由它发送。(8)是FLASH，(9)是SRAM，都是(7)的外围存储芯片。(6)是以太网接口芯片RTL8305SB，采集到的数据由它发送到以太网上。(10)是TI公司的TMS320C6205(DSP芯片)，用于接收采样数据并发送通讯信号到以太网中。(11)是SRAM，是(10)的外围存储芯片。(13)是高速A/D采样芯片AD9430，用于高速采集以太网数据。(12)是感抗、容抗、阻抗测量电路，用于在帧间隙探测网络设备的感抗、容抗、阻抗。(14)是RJ45接口，用于网线的连接，网线的另一头与网络设备或传感器探头连接。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法，其特征在于：通过一定的技术手段检测以太网的帧间隙，并且在帧间隙通过另一些技术手段探测网络设备或智能传感器探头的阻抗、感抗、容抗特性，以此确定网络设备或智能传感器探头是否丢失。

2.一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法，其特征在于：通过一定的技术手段检测以太网的帧间隙，并且在帧间隙叠加通讯信息，实现智能传感装置与以太网中多台智能传感器探头的数据通讯。

3.如权利要求1所述的一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法，其特征在于：所述的一定的技术手段，是指通过对以太网中数据包的高速A/D采样，从而分析以太网中数据包帧间隙的技术手段。

4.如权利要求1所述的一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法，其特征在于：所述的阻抗、感抗、容抗特性，可以只是阻抗特性，也可以只是感抗特性，也可以只是容抗特性，也可以是阻抗、感抗、容抗的任意组合特性。

5.如权利要求2所述的一种利用以太网帧间隙实现传感探测及叠加通信的方法，其特征在于：所述的通讯信息，可以是已有的标准通讯协议的通讯信息，也可以是自定义通讯协议的通讯信息。

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