CN102647317A - 一种提高传感器可接入性的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高传感器可接入性的系统，该系统具有一个或者多个通信模块，每个模块有相应的驱动模块，在各个模块之上布置统一的网络层和传输层的协议栈，该系统的独立于该多个通信模块的应用层包括：输入输出模块，其为所述系统提供输入输出和/或适配；设备管理模块，其提供系统级的管理接口，以用于管理节点通过网络进行系统级管理；数据处理与转换模块，负责数据的格式转换；以及适配管理模块，用于统一管理多个通信模块及其相应的适配。
Description
技术领域
本发明涉及计算机信息处理以及数据读取技术，更具体地，涉及一种提高传感器的数据读取和可接入性的系统和方法。
背景技术
物联网应用中涉及大量的传感器，不同的传感器所采用的传输技术(有线，无线)和传输协议标准均可能不同。为了能够对设备进行接入，需要适配传感器的传输技术和协议。
首先，很多健康传感器采用蓝牙技术进行通信，比如蓝牙血压计，为了便于用户使用和在健康应用平板上开发，用户可以通过触摸的方式进行操作，而不需要具备专业的计算机知识。目前，安卓(Android)是平板电脑常用的操作系统，在Android平台上开发应用时，需要在Android平板上对蓝牙血压计进行接入和适配。在此过程中，会遇到一系列的问题和挑战。
此外，操作平台会存在硬件限制的问题，很多平板电脑上没有蓝牙模块，这些平板无法用于应用开发，大大降低了可供选择的平板数量。而且，设备驱动程序与平台操作系统也存在限制，驱动程序是平板电脑操作系统中的重要软件，有了驱动程序，才能将硬件设备呈现在操作系统中，供上层使用。Android是较新的操作系统，相应的驱动程序成熟度和普及性低，并且更新率较高，且软件不完善，很多平板厂商在对Android操作系统进行定制的过程中，有意或者无意地影响或/且二次开发了驱动程序，使得硬件不能完全正常工作，给设备的接入也带来了很大的困难。
同时，Library/API及Profile等会限制设备的接入，因为即使有了正确的驱动，但驱动程序提供的是较底层的访问接口，为了能够进行高层语义的操作，比如通过蓝牙读取血压计的测量数据，实际上每次读操作之前，都要经历一系列的通信和协商步骤。这个过程不但复杂，而且容易出错；任何一步发生错误，通信就会失败，上层应用就无法读到数据。这些底层的步骤一般可以通过Library的方式进行提供，所谓Library是指进行封装了的程序，上层应用可以直接进行高层语义的调用，而不必关心底层交互细节。在Android操作系统上，经常没有可用的Library，开发人员只能花费大量时间去编写、调试这些底层代码。很多设备对应的应用还有进一步的定义，涉及应用层数据的编码、格式等，一般称为Profile。比如，蓝牙血压计传出的数据可能是符合康体佳(Continua)规范的，有特殊的格式和编码需求。
相应的，新操作系统又常常会发生频繁地升级，驱动、Library在新版本的操作系统上的可获得性及可用性(包括功能和性能)都需要花费研发人员的大量精力。比如某些在Android 2.2操作系统下能够接入的设备，再Android升级到2.3之后，就接入失败了。
另外还存在应用开发复杂性的问题，这种复杂性来自开发人员所面临的复杂任务。开发人员不但要熟悉应用的高层逻辑，比如血压监测应用，还需要把握底层的细节和实现，开发复杂度、周期和成本都显著增加。
这些问题对于其他计算机系统和传感器同样存在，以IPAD为例，其操作系统不是开放系统，目前对于蓝牙的访问不向第三方开放，因此其他人无法在IPAD上开发基于蓝牙血压计这样的应用。也有很多传感器采用Zigbee作为传输技术，而Zigbee本身不支持IP地址，其设备寻址、设备发现和设备管理均需要进行映射之后，才能为基于IP的应用所访问，且几乎没有平板电脑、台式机、笔记本带有内置的Zigbee模块，且不说相应的操作系统上是否有驱动和Library的支持。另外一个现状是，很多平板电脑USB接口不能作为Host，而有很多传感器的接口是在USB接口上虚拟的串口(RS232)，根本无法在Android系统上进行接入。所以，传感器的接入及应用开发的复杂性是一个普遍存在的问题，且目前缺乏有效的解决方法。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明设计了一种提高传感器可接入性、降低应用开发复杂性的系统和方法。
根据本发明的一个方面，提出了一种提高传感器可接入性的系统，该系统具有多个通信模块，每个模块有相应的驱动模块，该系统的应用层包括：输入输出模块，其为所述系统提供输入输出；设备管理模块，其提供系统级的管理接口，使得所述系统可以被管理节点通过网络进行管理；数据处理与转换模块，负责数据的转换；以及适配管理模块，对于所述系统中所有的通信模块及其相应的适配进行统一的管理。
根据本发明的另一方面，提出了一种提高传感器可接入性的方法，该方法采用提高传感器可接入性的系统，从而使得传感器利用所述系统与处理器设备进行通信，具体步骤包括：第一步：将传感器通过该传感器对应的通信接口接入所述系统；第二步：应用层中的适配管理模块将通过对应的通信模块读取传感器数据所需的命令及其格式，并加载到系统中；第三步：通过数据处理与转换模块将读出的数据转换为与处理器设备无关的标准数据；第四步：通过对应于处理器设备所具有的通信模块，将转换后的数据发送至处理器设备；当处理器设备向传感器发送命令和数据时，通过数据处理与转换模块转换为与传感器设备相关的命令和数据，再通过相应的通信模块发送给传感器。
通过采用本发明的系统，能够更加方便用户对家用传感器的数据的读取，同时也保证了数据的存储和转换。
附图说明
图1是本发明的提高传感器可接入性的系统的第一实施例；
图2是本发明的进一步提高传感器可接入性的系统的第二实施例；
图3是基于本发明的第二实施例的系统传感器与平板电脑的通信图；
图4是本发明的提高传感器可接入性的系统的第二实施例的变体；
图5是基于本发明的第二实施例的变体的系统传感器与平板电脑的通信图；
图6是本发明的提高传感器可接入性的系统的第四实施例。
如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种提高传感器可接入性、降低应用开发复杂性的系统和方法进行详细描述。
同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
在本发明的第一优选实施例中，如图1所示，该提高传感器可接入性的系统中具有多个通信模块，每个通信模块有相应的驱动模块和适配功能，使之都可以进行数据传输和控制管理，数据传输所采用的协议可以包含本领域已知的任何协议，其中优选采用TCP/IP的方式进行数据的传输，并优选采用TCP/IP协议作为各个模块之上统一的网络层和传输层的协议栈；其可以是目前已普遍应用的IPv4，也可以是正在部署的IPv6。通过适配，使得下层模块的通信统一到基于TCP/IP的标识、寻址和管理上。在传输层和网络层上是独立于具体通信模块的应用层，其中应用层主要包括提供系统的输入输出模块、设备管理模块、数据处理与转换模块以及适配管理模块。该应用层中的模块采用如上所述的本领域已知协议与下层通信模块及每个模块有相应的驱动模块和适配功能进行通信。
该系统的通信模块是与具体通信技术相关的硬件模块，比如蓝牙模块，USB模块，WiFi模块，Zigbee模块。其中硬件通信模块及相应的驱动模块，可以根据需要进行选择、加载和组合。驱动模块是与通信模块硬件相关的软件，使得上层可以通过驱动提供的软件接口访问、控制底层的硬件，同时针对不同的通信技术，其标识和寻址(Naming and Addressing)都有相应的定义及方式，其管理方式也各有不同。以Zigbee为例，Zigbee的节点是由ID进行标识的，本身没有IP地址；Zigbee的节点会按照Zigbee协议的定义，进行发现、加入网络、退出网络等管理操作。因此，由驱动模块之上可优选于包括名址映射适配模块和设备管理适配模块(未图示)，从而对这些协议相关的机制和操作进行适配。
该系统应用层中的输入输出模块为本系统提供一些基本的输入输出能力。例如，现有蓝牙技术有一个配对的过程，会提示用户进行配对，并由用户输入特定字符或/且进行配对确认。输出的方式可以优选采用显示屏，指示灯，声音，以及其他方式及其组合，输入方式可以优选采用按键、键盘、语音、视频(摄像头)以及其他方式及其组合。
应用层中的设备管理模块提供系统级的管理接口，使得本系统可以被管理节点通过网络进行管理。应用层中的数据处理与转换模块，负责数据的转换，例如将从设备收到的一种格式的数据(比如二进制)转换成应用所需要的另外一种格式(比如文本形式的XML格式)，反之亦然。
最后，应用层中的适配管理模块对于系统中所有的通信模块及其相应的适配进行统一的管理。虽然在上述描述中及其附图中，该应用模块包括上述四个独立模块，然而对于本领域技术人员应当理解的是，其仅在于说明应用层所具有的功能，而并非对其具体模块数量的限定，对于本领域技术人员也可以将四个独立的模块任意组合，从而构成单一的组合模块或两个、三个组合模块。
此外，该系统还优选于包括电源适配模块(未图示)，其除了为本系统供电，还可以通过供电/充电接口为其他传感器进行供电或者充电，提高这些传感器的工作时间。本系统即可以利用交流电源供电，也可以利用内部大容量电池供电，同时优选于采用可充电的电池(未图示)，还优选于具有外接电源插孔(未图示)，使用符合要求的电源适配器对系统进行供电和充电。
针对现在很多使用电池供电的传感器，也提供外接电源插孔，比如血压计，或者电池是可以充电的，比如心电仪。由于本系统从使用模式上，与这些传感器距离很近，可以利用自身的电力(来自交流电源或大容量电池)为传感器供电和充电，提高这些传感器的工作时间。因此，该系统还优选于包括供电/充电接口(未图示)，该供电/充电接口提供多种形状的接头，可自动/手动地调整输出电压及正负极，以适应不同传感器上的外接电源插孔。作为一种优选，在本系统上还可以提供充电电池的槽位(未图示)。供电/充电接口也可以通过无线方式向具有相应特性的传感器传输能量。
在该第一实施例中，传感器利用该系统与诸如平板电脑、IPAD、便携终端之类的处理器设备进行通信的具体步骤包括：首先将传感器通过该传感器对应的诸如USB、蓝牙、红外等通信接口接入本系统；应用层中的适配管理模块将通过对应的通信模块读取传感器数据所需的命令及其格式，并加载到系统中；然后通过数据处理与转换模块将读出的数据转换为与处理器设备无关的标准数据，例如字符串形式，或者XML形式；最后再通过对应于处理器设备所具有的通信模块，将转换后的数据发送至处理器设备。基于同样的原理，当处理器设备需要向传感器发送命令和数据时，通信模块通过其对应的通信接口，将数据发送到系统，再通过数据处理与转换模块转换为与传感器设备相关的命令和数据，最后通过与传感器相应的通信模块发送给传感器。
在本发明的第二优选实施例中，如图2中所示，一种基于USB接口的传感器和平板电脑所开发的一个数据管理应用技术。其中该传感器可以诸如是家用设备数据采集传感器、血糖仪、血压计等传感器，该平板电脑的操作系统无法支持该传感器的USB接口。在没有本发明时，要实现需求所描述的功能非常困难，需要修改平板电脑操作系统的内核才可能将设备接入。工作量大，调试复杂，且进行这样的修改后，一般会失去平板电脑厂商的质保，因为这样相当于对平板电脑进行了“刷机”。
为了有效地接入该USB接口的传感器，降低应用开发的复杂性，根据本发明，实现如下一个系统。其中该系统中的功能模块与图1中的基本相同，相同之处在本实施例中将不在赘述，其主要的不同是系统底层有两个通信模块，分别是USB通信模块和WiFi通信模块。其中USB通信模块在USB Host驱动程序的配合下，可以与插入的传感器的USB接口(作为USB Client)建立USB会话，USB标识、通道适配模块与上层的TCP/IP层交互，将相应的传感器USB设备绑定为一个可以通过IP地址进行访问的通信对端。另外一个通信模块是WiFi通信模块，在相应的驱动程序作用下，工作在AP模式，也就是说其他WiFi Client端可以接入。
应用层的设备管理模块对外提供对此设备进行配置管理的接口，可以为用户提供基于Web Page的管理界面，也可以提供基于网络通信的配置界面。可以通过这个模块进行系统级的管理与配置，比如配置传感器对应的IP地址，配置无线访问的密码等。适配管理模块将通过USB读取传感器数据所需的命令及其格式加载到系统中，可以是一些配置项，也可以是一段可以运行的代码，与传感器设备相关。读出的二进制数据也与传感器设备相关，通过数据处理与转换模块，转换成为与处理器设备无关的标准数据，比如字符串形式，或者XML形式。
而WiFi网卡已经成了平板电脑的标配，所以平板电脑可以利用WiFi，通过本系统很容易地访问USB接口的传感器，实现了这种传感器的接入，通信协议可以采用TCP，UDP或者HTTP。平板上的应用程序也可以专注于传感器数据管理应用逻辑本身，而不必考虑如何将设备接入。可选用的平板也不再受是否有USBHost接口，是否有相应的Library支持的限制。由于只有应用层的逻辑，受操作系统升级的影响也很小。
在图3中示出了基于该第二实施例的系统下，USB传感器和平板电脑进行通信的方式。首先将传感器通过USB接口接入本系统；应用层中的适配管理模块将通过USB读取传感器数据所需的命令及其格式加载到系统中；然后通过数据处理与转换模块将读出的数据转换为与处理器设备无关的标准数据，例如字符串形式，或者XML形式；最后再通过WiFi通信模块将转换后的数据发送至平板电脑。基于同样的原理，当平板电脑需要向USB传感器发送命令和数据时，通信模块通过其对应的通信接口，将数据发送到系统，再通过数据处理与转换模块转换为与USB传感器相关的命令和数据，最后通过与传感器相应的通信模块发送给USB传感器。
在这里需要说明的是虽然在本实施例中描述了USB通信模块和WiFi模块，然而对于本领域技术人员应当理解，对于本领域已知的其他通信模块，诸如Zigbee模块、蓝牙模块、红外模块、射频模块等等，应用在本系统中均同样可以实施。
在本发明的第二优选实施例中还可以有包含其他变体，比如，如图4所示，不同于图2的实施例，本系统的WiFi模块之上是一个WiFi Client(WiFi客户端)的驱动。一般而言，WiFi Client驱动所需要的资源(计算能力，存储能力等)和实现的复杂度都低于WiFi AP驱动。在这种情况下，平板电脑和本系统都作为WiFiClient接入一个现有的WiFi AP。由于目前WiFi技术的普及，这样的方式在可实现性和成本方面均不存在问题。如图5中示出了基于本发明的第二实施例的变体的系统传感器与平板电脑的通信图。首先将传感器通过USB接口接入本系统；应用层中的适配管理模块将通过USB读取传感器数据所需的命令及其格式加载到系统中；然后通过数据处理与转换模块将读出的数据转换为与处理器设备无关的标准数据，例如字符串形式，或者XML形式；最后再通过WiFi通信模块接入现有的WiFi应用中，然后将转换后的数据通过wifi发送至平板电脑。
本发明的第三优选实施例提供一种基于USB接口的传感器、基于蓝牙接口的传感器与平板电脑所开发的一个数据管理应用技术。其中该传感器可以诸如是家用设备数据采集传感器、血糖仪、血压计等传感器，该平板电脑的操作系统无法支持一个传感器的USB接口和另一个传感器的蓝牙接口。在没有本发明时，要实现需求所描述的功能非常困难，需要修改平板电脑操作系统的内核才可能将设备接入。工作量大，调试复杂，且进行这样的修改后，一般会失去平板电脑厂商的质保，因为这样相当于对平板电脑进行了“刷机”。
为了有效地接入该USB接口的传感器和蓝牙接口的传感器，降低应用开发的复杂性，根据本发明，实现如下一个系统，其中该系统中的大部分功能模块与图1、图2中的基本相同，相同之处在本实施例中将不在赘述，其主要的不同是系统底层有三个通信模块，分别是USB通信模块、蓝牙通信模块和WiFi通信模块。其中USB通信模块在USB Host驱动程序的配合下，可以与插入的传感器的USB接口(作为USB Client)建立USB会话，USB标识、通道适配模块与上层的TCP/IP层交互，将相应的传感器USB设备绑定为一个可以通过IP地址进行访问的通信对端。蓝牙通信模块在蓝牙驱动程序的配合下，可以与准备接入的传感器的蓝牙接口建立蓝牙会话，蓝牙标识、通道适配模块与上层的TCP/IP层交互，将相应的传感器设备绑定为一个可以通过IP地址进行访问的通信对端。WiFi通信模块，在相应的驱动程序作用下，工作在AP模式，也就是说其他WiFi Client端可以接入。
应用层中的设备管理模块对外提供对此设备进行配置管理的接口，可以为用户提供基于Web Page的管理界面，也可以提供基于网络通信的配置界面。可以通过这个模块进行系统级的管理与配置，比如配置传感器对应的IP地址，配置无线访问的密码等。适配管理模块将通过USB或蓝牙技术读取传感器数据所需的命令及其格式加载到系统中，可以是一些配置项，也可以是一段可以运行的代码，与传感器设备相关；读出的二进制数据也与传感器设备相关，通过数据处理与转换模块，转换成为与处理器设备无关的标准数据，比如字符串形式，或者XML形式。基于同样的原理，当处理器设备需要向传感器发送命令和数据时，通信模块通过其对应的通信接口，将数据发送到系统，适配管理模块同样进行命令和格式加载操作，进行数据转换。
WiFi网卡已经成了平板电脑的标配，所以平板电脑可以利用WiFi，通过本系统很容易地访问USB接口的传感器，实现了这种传感器的接入，通信协议可以采用TCP，UDP或者HTTP。平板上的应用程序也可以专注于传感器数据管理应用逻辑本身；而不必考虑如何将设备接入。可选用的平板电脑也不再受是否有USBHost接口以及蓝牙接口，是否有相应的Library支持的限制；由于只有应用层的逻辑，也基本不受操作系统升级的影响。
本发明的第四优选实施例如图6所示，其中该系统中的大部分功能模块与图1、图2中的基本相同，相同之处在本实施例中将不在赘述，其主要的不同是，在应用层中还优选的包括下述模块：名址映射管理模块，其提供系统级的标识、命名和寻址的管理机制；数据加密解密模块，其对所传送的数据进行保护，防止窃取或篡改；会话管理模块对于应用中有会话(Session)需求的提供相应的支持；任务调度模块负责处理系统中优先级不同的任务。应用管理模块则维护访问此系统的应用的相关信息，以便更好地对应用进行支持；比如应用访问传感器的频率、数据量、优先级、安全需求等。
在这里还需说明的是，系统中定义的层次和模块是示意性的。其实现方式也有不同形式，例如，可以基于单片机(MCU)进行实现，也可以基于可以运行操作系统的嵌入式系统实现，以及基于通用CPU的平台实现。在实现中，也可以根据具体的需求和应用场景，对不同的模块进行裁剪和组合。
同时，在上述描述中虽然采用四个具体实施例对本发明进行了描述，然而对于本领域技术人员应该理解，在四个具体实施例之间不存在矛盾的情况下，四个具体实施例之间的模块功能、特征可进行相互组合、替换，例如第二实施例的变体也可以用于第三实施例；或者第四实施例中应用层优选的模块也可以用在前述的所有实施例中。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
Claims (13)
1.一种提高传感器可接入性的系统，该系统具有一个或者多个通信模块，每个模块有相应的驱动模块，其特征在于，在各个模块之上布置统一的网络层和传输层的协议栈，该系统的独立于该多个通信模块的应用层包括：
输入输出模块，其为所述系统提供输入输出和/或适配；
设备管理模块，其提供系统级的管理接口，以用于管理节点通过网络进行系统级管理；
数据处理与转换模块，负责数据的格式转换；以及
适配管理模块，用于统一管理多个通信模块及其相应的适配。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，驱动模块提供上层可访问通信模块的软件接口，优选地包括名址映射适配模块和设备管理适配模块，以对协议相关的机制和操作进行适配。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述通信模块包括USB通信模块，其中USB通信模块用于在USB Host驱动程序的配合下与插入的传感器USB接口建立USB会话，USB标识、通道适配模块与上层的TCP/IP层交互，将相应的传感器USB设备绑定为可通过IP地址进行访问的通信对端。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，输入输出模块中，输出的方式采用显示屏、指示灯和声音的一种或者几种，输入方式采用按键、键盘、语音和视频的一种或者几种。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述通信模块包括WiFi通信模块，其中所述WiFi通信模块用于在AP模式驱动下接入其他WiFi设备；所述适配管理模块还用于通过USB、蓝牙或者WiFi读取传感器数据所需的命令及其格式加载。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述通信模块包括WiFi通信模块，其中所述WiFi通信模块用于在WiFi Client驱动下接入其他WiFi设备。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述设备管理模块还用于对外提供对设备配置管理的接口，为用户提供基于Web Page的管理界面和基于网络通信的配置界面。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，其中所述多个通信模块为蓝牙模块、USB模块、WiFi模块和Zigbee模块的两个、三个或者四个。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其中，该系统还包括电源适配模块，该电源适配模块具有供电/充电接口，该供电/充电接口提供多种形状的接头，可自动/手动地调整输出电压及正负极；该电源适配模块还提供充电电池的槽位。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的系统，其中，应用层中还包括：
名址映射管理模块，用于提供系统级的标识、命名和寻址的管理机制；
数据加密解密模块，用于对所传送的数据进行保护，防止窃取或篡改；
会话管理模块，用于对应用中有会话需求的提供相应的支持；
任务调度模块，用于处理系统中优先级不同的任务；
应用管理模块，用于维护访问所述系统的应用的相关信息。
11.一种提高传感器可接入性的方法，该方法采用权利要求1-10中任意一项所述的提高传感器可进入性的系统，与处理器设备进行通信，该方法包括：
步骤1，将传感器通过对应的通信接口接入所述系统；
步骤2，应用层中的适配管理模块将通过对应的通信模块读取传感器数据所需的命令及其格式，并加载到系统中；
步骤3，通过数据处理与转换模块将读出的数据转换为与处理器设备无关的标准数据；
步骤4，通过对应于处理器设备所具有的通信模块，将转换后的数据发送至处理器设备；当处理器设备向传感器发送命令和数据时，通过数据处理与转换模块转换为与传感器设备相关的命令和数据，再通过相应的通信模块发送给传感器。
12.根据权利要求要求11所述的方法，其中，所述处理器设备为平板电脑、IPAD和便携终端中的一个。
13.根据权利要求要求11所述的方法，其中，该传感器是家用设备数据采集传感器、血糖仪、血压计传感器和其它家用医疗设备中的一个。
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