CN102566553B

CN102566553B - 一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统

Info

Publication number: CN102566553B
Application number: CN201210028155.7A
Authority: CN
Inventors: 容毅; 李玲; 叶兢; 李晓钢; 张智莹; 钱尚溢; 许光; 邹杰; 李国军
Original assignee: China Railway Science and Industry Group Co Ltd
Current assignee: China Railway Engineering Machinery Research and Design Institute Co Ltd
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: CN102566553A

Abstract

本发明涉及一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统。本发明专利创建了1.一种新型实时控制无线局域网架构该无线网络架构的通信传播特性非常适合大型移动施工设备，尤其是设备群之间的联控。这是因为该系统的信号传播不受视距限制，信号可以绕射，不会因为受到遮挡而引起传播障碍。这一特点非常具有使用价值。2.基于运架设备控制器结构的实时控制无线网络的私有协议栈；本发明专利采用私有协议可以提高监控系统的效率，增加数据处理能力。私有协议的封闭性对系统的安全十分有利。入侵的途径被限制在一个极小的范围内，设计者可以从容地采取相应的对策。实时WLAN的数据链路层采用了不对称总线结构。

Description

一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统

技术领域

本发明涉及一种实时控制无线网络控制系统，尤其是涉及一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统。

背景技术

现代大型施工设备日趋复杂，单台设备包含的机构也越来越多，具有很强的机动性；设备信息系统之间的连接采用无线更加合理。在很多场合无线控制方案显示了其优点。

在户外施工设备特别是设备群组网控制方面，无线控制方案经常是唯一的选择。然而常见的基于IEEE802.11X系列标准的无线局域网产品由于其固有的视距传输物理特性，难以用于这种场合。

本发明专利采用私有协议的户外施工设备无线网络控制系统就是为了解决上述问题而研制的新装置。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采用私有协议栈设计的软件通信架构，对系统的安全十分有利，入侵的途径被限制在一个极小的范围内的一种基于私有协议的工程机械实时控制无线网络控制系统。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种信号传播不受视距限制，信号可以绕射，不会因为受到遮挡而引起传播障碍的一种基于私有协议的工程机械实时控制无线网络控制系统。

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种网络系统内部可以无线传送视频信号，也可通过Internet方式进行远程图像传输的一种基于私有协议的工程机械实时控制无线网络控制系统。

一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统，其特征在于，该基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统架构包括：

架构模式一：由若干个相互移动机构组成的特定一台户外施工设备；

或者架构模式二：由若干台相互独立的户外施工设备组成的现场设备群联控；

以上两种模式均采用了基于不对称令牌逻辑环的私有协议。

在上述的一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统，所述架构模式一包括依次连接的：

无线网络设备：由非视距传输的数传电台组成；

网络各节点控制器：数传电台通信时序同步处理；

0号站点：WLAN模式一中的主节点；

WLAN网际通信模块：由私有协议与电台时序同步程序组成；

远程通讯端口：实现一些特定的远程测控服务。

所述架构模式二包括依次连接的：

无线网络设备：由非视距传输的数传电台组成；

网络各节点控制器：数传电台通信时序同步处理；

现场中心终端瘦服务器：是设备群WLAN控制的核心，现场所有运架设备的运行参数、现场图像都汇总到服务器上，现场设备数据的分析处理都在服务器上完成，并在服务器的显示屏上以各种图形符号和图表显示，同时在服务器上建立项目部级安全运行数据库；

WLAN网际通信模块：由私有协议与电台时序同步程序组成；

控制传输节点设备：设备群WLAN控制的核心节点设备，现场级子网通过它组成设备群WLAN，所有的现场控制传输设备都是设备群WLAN控制的一个远程站点，控制传输节点设备与瘦服务器连接，现场设备所有上传的数据都通过它进入服务器处理；

有线/无线路由设备：负责将中心终端瘦服务器处理的所有户外施工设备数据上传至远程终端；

定向天线：非视距信号传输装置，采用信号增益高的室外天线，天线的架设应根据现场地势选择合理的位置；

现场中心终端人机界面：显示的是同一施工工地的设备，设备群WLAN控制实时/模拟监控画面采用多画面分割，在屏幕上形成不同子画面监控显示区域。

在上述的一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统，所述以上两种模式均采用了基于不对称令牌逻辑环的私有协议，包括：

不对称令牌逻辑环私有协议：由本发明开发的基于无冲突协议的令牌总线结构，是令牌总线协议的一种延伸；

时间的不对称性：不同的时刻，不同的工况，由操作者发出不同的指令，启动不同的程序进程，形成不同的网络状态；

优先级别的不对称性：私有协议根据客户方要求和设备的特性而拟定的程序执行顺序；

静态优先级别：一种在系统设计时就已完成的程序执行顺序划分策略，动态优先级别：一种基于中断技术的程序执行顺序划分策略，是在程序运行中动态完成的；

帧结构：本协议的数据通信基准格式；

环地址计数字段：本协议的时序基准，存储在掉电保持RAM中；

初始化帧：机器上电由初始化程序实现；

中断控制字段：本私有协议规定的一种宏中断模式，结合用户应用层程序完成。

在上述的一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统，所述系统可用于受视距传输限制的场合，以及在无运营商信号的环境条件下组建WLAN并远程连接Internet的功能。

在上述的一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统，所述系统能够通过网络传输实时图像信号。

因此，本发明具有如下优点：1.本发明实时控制WLAN采用私有协议栈设计的软件通信架构，实时控制系统的这种封闭性对系统的安全十分有利，入侵的途径被限制在一个极小的范围内；2.本无线网络控制系统的通信传播特性非常适合大型施工设备，尤其是设备群之间的联控。这是因为该系统的信号传播不受视距限制，信号可以绕射，不会因为受到遮挡而引起传播障碍；3.信号传输速率≥640Kbps；网络系统内部可以无线传送视频信号，也可通过Internet方式进行远程图像传输。

附图说明

附图1是本发明中实时控制无线局域网架构的结构原理示意图。

附图2是本发明中时间的不对称性的原理示意图。

附图3是本发明中动态优先级别划分(假定站点1为仲裁节点)的原理示意图。

附图4是本发明中的帧结构的原理示意图。

附图5是本发明中的中断控制字段(8位)的原理示意图。

附图6是本发明中的初始化帧的原理示意图。

附图7是本发明实施例的结构原理示意图。

附图8是本发明实施例中的瘦服务器的结构原理示意图。

附图9是本发明实施例中由若干台相互独立的户外施工设备组成的现场备群联控方式的结构原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。首先介绍一下本发明技术方案的创新点：

①户外施工设备无线网络控制系统架构(附图1)。

该无线网络架构的通信传播特性非常适合大型移动施工设备，尤其是设备群之间的联控。这是因为该系统的信号传播不受视距限制，信号可以绕射，不会因为受到遮挡而引起传播障碍。这一特点非常具有使用价值。

该架构解决了如下三个关键技术：

1).无线设备与网络各节点控制器的时序同步问题。

本发明专利中数传电台采用的是单工方式的，用于实时WLAN控制必须首先要解决其与设备控制器的通信时序问题，这是一个相当复杂的技术，本发明专利通过修改设备控制器的底层驱动程序，解决了这个问题，达到了实用效果。

2).网内传输视频信号涉及到的图像压缩问题。

目前百兆频段数传电台的信号传输速率≤640Kbps，这对于普通图像的传输是远远不够的，为了实现网络系统内部可以无线传送视频信号，也可通过Internet方式进行远程图像传输。本发明专利通过设备端的应用程序实现了图像压缩、智能传输，有效解决了WLAN带宽与数据量的矛盾。

3).户外施工设备实时控制WLAN的安全性设计

户外施工设备实时控制WLAN安全的关键在于物理的和信息的全面安全防护技术。每一层的网络安全措施都如同增加了一道保障网络安全的大门，可以防止各种形式的干扰与攻击。利用软硬件防火墙认证这个安全措施可以保证只让获得授权的用户访问无线网络。同样，利用加密算法与地址映射能够有效保护实时控制WLAN内部数据的传输安全。

②基于户外施工设备的实时控制无线网络的私有协议栈；

本发明专利采用私有协议可以提高监控系统的效率，增加数据处理能力。私有协议的封闭性对系统的安全十分有利。入侵的途径被限制在一个极小的范围内，设计者可以从容地采取相应的对策。实时WLAN的数据链路层采用了不对称总线结构。

(1)不对称总线结构(附图2)。

该结构是基于无冲突协议的，它不会发生重要的帧为了等待不重要的帧而被阻塞的情况。因而，非常适合于实时控制系统。此WLAN总线结构的不对称性有以下几层含义：

1).时间的不对称性：

该组设备在不同的工况，不同的时刻具有不同的设备组合。

A时刻的设备组合为站点1、2、3、6、7、8。

B时刻的设备组合为站点2、3、4、5、6、7。

系统不允许不工作的站点留在总线内。

2).优先级别的不对称性：

优先级别的划分一般有两种方式，第一种方法为静态划分。静态划分是在系统设计完成时就已经划分完毕了。各个节点的优先级别从此都是固定不变的。静态划分虽然简单，但是由于系统在运行过程中所谓的“关键节点”并非在所有时刻都有很大的数据处理量。在这种情况下，分配给它的资源就白白浪费掉了。而在另一方面其它的站点也有繁忙时刻。正是基于此，本系统采用了动态优先级别划分，即第二种方法。这也是本系统流量控制的重要组成部分。所谓动态级别划分，即指系统在初始化时，系统只给出了一个初始的优先级别划分，而以后的先级别划分则是系统根据当时的资源运行状况及相应的调度算法随时给出不同的优先级别。

下面进一步说明两种不同的优先级别划分的方法。

a).静态优先级别划分方法(空间划分)。

根据系统各个组成部分的架构、算法的难易程度以及通信数据的流量大小给各个节点分别赋予不同的优先级别，既要满足关键节点优先享用系统资源的要求，又要保证其它节点的资源均匀分配。优先级别高的站点所得到的时间片相对多一些。

b).动态优先级别划分方法(时间划分)见附图3。

在本系统中优先级别的划分主要是由中断技术来实现的。当站点3分配的时间片内来完成数据处理或有其它突发事件需要立即传送数据时，它就会给总线上传来一个中断请求信号(信号捎带)。这个信号会被仲裁站点知道，由其根据事先制定的原则决定是否响应这个中断信号。如果响应，则站点可以插入下一时隙继续享用资源。否则仍按总线顺序往下执行。

(2)帧结构，系统的协议帧结构如下：(附图4)

1).总线地址计数字段；

正常情况下，每一时间结束都要执行下列操作：

总线地址计数器内容＝(当前地址+1)MOD(尺寸寄存器内容)

中断情况时由这仲裁点决定是加一还是保持不变，或是其它值。显然，当前地址计数器内容也就是当前站点的站点号。

2).中断控制字段(附图5)

在本系统中所采用的中断技术与定时中断类似。如果站点多于64点，这里还采用了一种叫强制中断的措施。多个中断源可同时申请然后由仲裁点裁定由哪一个站点来执行中断。当然，每个站点的中断优先级别是由初始化程序决定的。同时对单个站点而言。每次中断过程的中断服务级别也分为10个级别。

与中断优先级别不一样，中断服务级别由中断申请站点自己决定，从0级到9级分别申请不同的服务。

3).初始化帧

每次开始工作和状态转换都要由仲裁站点发送初始化帧，其帧结构如下：(附图6)

在本算法中，总线地址与站点地址是一一对应的也是唯一的。每次转换状态时，仲裁站点只需做删减和增加操作即可。

下面是采用上述技术方案所实施的具体一个实施例：

①由若干个相互移动机构组成的单台设备：

以900t架运设备为例；电气系统为无线局域网控制结构。由一号柱、二号柱、三号柱、一号吊梁小车、二号吊梁小车、运梁车等六个子系统分别组成以嵌入式工作站为中心的计算机控制系统。各子系统任务相对独立，以现场总线控制方式协调工作、互相监督。司机室设操作级管理系统所有操作通过屏幕及遥控器统一进行，主屏幕将实时同步显示系统关键点数据及电气系统本身各部分的工作状态，并将用户程序的运行界面与摄像头的实时监视图像有机地融合为一体，为用户提供了友好人机界面，直观地监视各项安全保护参数的动态变化，同时提供多媒体声像报警。无线遥控装置为用户提供了便捷的操作环境。该系统还具有远程测试与维护的功能。运梁车可以离开网络自成系统独立运行。

②由若干台相互独立的户外施工设备组成的现场设备群联控方式：

施工现场所有架运设备组成设备群WLAN控制；辅助设备包括控制传输节点设备、通讯天线(室内、室外)等，见图9。

监控终端瘦服务器是此控制系统的核心，所有项目部管辖的大吨位箱梁架运设备的运行参数、现场图像都汇总到服务器上。并在服务器的显示屏上以各种图形符号和图表显示；同时在服务器上建立项目部级安全运行数据库。

控制传输节点设备是该系统网络的核心节点设备，现场级子网通过它组成设备群WLAN控制网络，所有的现场控制传输设备都是设备群WLAN控制网络的一个远程站点。控制传输节点设备与项目部瘦服务器连接，现场设备所有上传的数据都通过它进入服务器处理。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统，其特征在于，该基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统架构包括：

以上两种模式均采用了基于不对称令牌逻辑环的私有协议；

所述架构模式一包括依次连接的：

无线网络设备：由非视距传输的数传电台组成；

网络各节点控制器：数传电台通信时序同步处理；

0号站点：WLAN模式一中的主节点；

WLAN网际通信模块：由私有协议与电台时序同步程序组成；

远程通讯端口：实现一些特定的远程测控服务；

所述架构模式二包括依次连接的：

无线网络设备：由非视距传输的数传电台组成；

网络各节点控制器：数传电台通信时序同步处理；

WLAN网际通信模块：由私有协议与电台时序同步程序组成；

现场中心终端人机界面：显示的是同一施工工地的设备，设备群WLAN控制实时/模拟监控画面采用多画面分割，在屏幕上形成不同子画面监控显示区域；

所述以上两种模式均采用了基于不对称令牌逻辑环的私有协议，包括：

帧结构：本协议的数据通信基准格式；

初始化帧：机器上电由初始化程序实现；

2.根据权利要求1所述的一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统，其特征在于，所述系统可用于受视距传输限制的场合，以及在无运营商信号的环境条件下组建WLAN并远程连接Internet的功能。

3.根据权利要求1所述的一种基于私有协议的户外施工设备无线网络控制系统，其特征在于，所述系统能够通过网络传输实时图像信号。