CN102685037B - 网关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网关设备，包括至少一个RJ45接口，用于通过双绞线与其他设备相连；一个以太网控制器，其与至少一个RJ45接口的第1,2,3,6引脚相连，用于经由所述至少一个RJ45接口与其他设备交换以太网数据；以及一个485总线控制器，其与至少一个RJ45接口的第4,5,7,8引脚相连，用于经由所述至少一个RJ45接口与其他设备交换485总线数据。这种带有端口复用功能的网关设备将以太网接口和485总线接口集成在单个的RJ45接口中，使得智能网关能够并行处理以太网数据和485总线数据而不会产生相互干扰，不但扩展了单个RJ45接口的功能，同时也避免了增加不同类型接口或者进行协议转换带来的成本增加问题。

Description

网关设备

技术领域

本发明涉及一种智能家居网络中的网关设备，并且尤其涉及在智能家居网络环境内，具有端口复用功能的网关设备。

背景技术

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

在智能家居网络中，通常是由智能网关通过各种数据网络将各种设备连接起来，从而实现各种智能管理功能。智能家居网络中的设备大致可以分为两类：一类是以家用电脑、笔记本电脑、掌上电脑为代表的信息设备，通常这类设备具有以太网接口；另一类是以电视机、DVD、数码摄像机、音响为代表的传统娱乐设备以及包括冰箱、洗衣机、灯光和家庭安防系统在内的涉及家庭日常起居的家用设备，通常这类设备具有专用或者通用的网络接口，例如RS485接口。

这些设备组成家庭内部网络并通过家庭网关连接到外部网络，从而可以实现远程控制和管理。现有技术中的家庭网关通过以太网接口、无线接口、A/V线缆接口和1394接口连接各种家用设备，并且能够通过共同的互联网接口与外部网络相连，由外部网络操作实现对家用设备的远程控制。

例如申请号为201010125830，名称为“家庭网关”的中国专利申请公开了一种用于家庭设备远程控制的家庭网关。如图1所示，这种网关主要由微控制器核心单元和分别与之相连接的内部网络接口和外部网络接口组成。内部网络接口包括ＲＳ－２３２串行接口、ＲＳ－４８５串行接口、ＵＳＢ串行接口、ＰＳ／２接口、以太网接口、红外接口和普通Ｉ／Ｏ口。外部网络接口包括可以连接到互联网的以太网接口和连接到ＧＰＲＳ网络的无线接口。内部网络的不同接口可以用于连接家庭内部的常用各种设备，外部网络接口用于连接远程控制设备。

又例如申请号为200610061325，发明名称为“一种以太网多路通讯服务器及其控制方法”的中国专利申请公开了一种可将多个RS-485接口模块设备连接到以太网、并对它们进行控制管理的以太网多路通讯服务器。如图2所示，该服务器包括以太网接口模块和ＲＳ－４８５接口模块，还包括ＣＰＵ、光电隔离模块和存储器；所述以太网接口模块与ＣＰＵ连接，光电隔离模块连接于ＲＳ－４８５接口模块与ＣＰＵ之间；使得以太网接口模块和ＲＳ－４８５接口模块之间可通过所述ＣＰＵ、光电隔离模块实现数据通讯。

现有技术中的网关或者服务器设备为了连接多种类型的设备，通常包括尽可能多的接口类型（例如以太网接口，红外接口，RS232接口，RS485接口，IEEE1394接口），以便具有更好的通用性和可扩展性，然而这就必然使得成本增加且导致网关设备的体积变大。

为了解决接口类型较多且不兼容的问题，现有技术中又发展出各种不同接口协议之间的转换模块，从而在网关上只需实现少量接口，就能通过转接器与更多接口类型的设备相连接。如图3所示的主机与485设备组成的网络结构图，其中主机只有RS232接口，那么为了连接485设备，就需要通过RS232/RS485转接器将RS232信号转换为RS485信号，从而实现主机与485设备之间的连接。

又例如申请号为200420023466，发明名称为“一种现场总线通讯协议转换接口模块”的中国专利申请公开了一种ModBus-TCP/IP现场总线通讯协议转换接口模块。如图4所示，该接口模块在硬件方面以串行通讯接口和以太网通讯接口，包括集成ＲＳ－４８５和以太网接口以及协议转换微处理器去实现ＲＳ－４８５串行接口和以太网接口的连接，为了达到协议的成功转换，还嵌入了通讯软件和上位机监控软件，从而实现了两类网络的数据对接。

又例如申请号为201110242453，发明名称为“一种ＥｔｈｅｒＣＡＴ与ＲＳ４８５通信转换的网关及其通信方法”。如图5所示，网关包括ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议控制器、ＥｔｈｅｒＣＡＴ收发器、ＡＲＭ中央控制器、ＲＳ４８５收发器。ＡＲＭ中央控制器分别与ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议控制器和ＲＳ４８５收发器双向连接；所述的ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议控制器通过ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议收发器与ＥｔｈｅｒＣＡＴ工业以太网双向连接；所述的ＲＳ４８５收发器与ＲＳ４８５总线双向连接。

尽管这类转接技术可以使得一种类型的接口可以连接多种接口类型的设备，但是转接模块内部通常包括专用芯片，用于执行复杂的协议转换算法，因此这也会导致成本的增加。

另一方面，接口协议之间的转换也可能会导致网关与设备之间的通信实施性较差，例如在网关对智能设备进行分配地址的过程中，由于协议转换所导致的延迟可能使得地址分配的效率降低，进而影响智能设备发挥作用。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明提供一种具有端口复用功能的网关，包括：

至少一个RJ45接口，用于通过双绞线与其他设备相连；

一个以太网控制器，其与至少一个RJ45接口的第1,2,3,6引脚相连，用于经由所述至少一个RJ45接口与其他设备交换以太网数据；以及

一个485总线控制器，其与至少一个RJ45接口的第4,5,7,8引脚相连，用于经由所述至少一个RJ45接口与其他设备交换485总线数据。

进一步的，还包括与以太网控制器和485总线控制器连接的中央处理单元，用于处理所述以太网数据和485总线数据。

进一步的，其中至少一个RJ45接口的数量大于等于2。

进一步的，其中所述中央处理单元包括：

接收模块，用于接收来自其他设备的通知报文，该通知报文包括其他设备的固定地址；

动态地址分配模块，用于根据其他设备的固定地址为其他设备分配一个动态地址；

发送模块，用于向其他设备发送分配报文，该分配报文包括该动态地址。

进一步的，其中该动态地址由网关随机分配。

进一步的，其中该固定地址包括受控设备的条形码。

进一步的，其中该固定地址还包括受控设备的批次代码。

进一步的，其中该固定地址还包括受控设备的序号。

进一步的，其中该动态地址由手动指定。

本发明提供的带有端口复用功能的网关，将以太网接口和485总线接口集成在单个的RJ45接口中，使得智能网关能够并行处理以太网数据和485总线数据而不会产生相互干扰，不但扩展了单个RJ45接口的功能，同时也避免了增加不同类型接口或者进行协议转换带来的成本增加问题。

附图说明

图1现有技术中的网关；

图2现有技术中的以太网通讯服务器；

图3现有技术中主机与485设备组成的网络；

图4现有技术中的通讯协议转换接口模块；

图5现有技术中的ＥｔｈｅｒＣＡＴ与ＲＳ４８５通信转换的网关；

图6本发明使用的智能家居网络；

图7RS232，RS422/RS485总线接口标准中的针脚定义；

图8RJ45接口的引脚定义；

图9本发明中的网关设备结构图；

图10智能家居系统中的设备地址结构；

图11设备接入智能家居网络后的具体地址分配流程；

图12网关处理单元的功能模块；

图13受控设备的功能模块。

具体实施方式

图6显示了本发明公开的智能家居网络的具体结构，主要包括家庭内部的数字家庭智能网关。网关通过总线交换机，以太网总线，485总线将各种智能设备连接起来。

在数据通信，计算机网络以及分布式工业控制系统当中，经常需要使用串行通信来实现数据交换。目前，有RS-232,RS-485,RS-422几种接口标准用于串行通信。RS-232是最早的串行接口标准，在短距离（<15M），较低波特率串行通信当中得到了广泛应用。其后针对RS-232接口标准的通信距离短，波特率比较低的状况，在RS-232接口标准的基础上又提出了RS-422接口标准，RS-485接口标准来克服这些缺陷。

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

图7显示了RS232，RS422/RS485总线接口标准中的针脚定义。RS485采用差分信号负逻辑，+2V～+6V表示“1”，-6V～-2V表示“0”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制是全双工通讯方式，两线制是半双工通讯方式。具体的，RS485半双工接法为：RX+和TX+并联为Data+；RX-和TX-并联为Data-；RS485全双工/RS422接法为：FULL和GND短接；信号线为RX+，TX+，RX-，TX-，可根据需要连接GND。由此可以看出实际上只有RX+，TX+，RX-，TX-在不同设备之间收发数据。

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。

10/100base-TRJ45接口是常用的以太网接口，支持10兆和100兆自适应的网络连接速度，常见的RJ45接口有两类：用于以太网网卡、路由器以太网接口等的数据终端设备类型，还有用于交换机等的数据通信设备类型。如图8所示的是RJ45接口的引脚定义，第1，2引脚Tx+/-表示数据发送，第3，6引脚Rx+/-表示数据接收，而第4,5,7,8没有使用。

如图9所示，本发明所提出的带有接口复用功能的网关设备。其中该网关包括至少一个RJ45接口，一个以太网控制器以及一个485总线控制器，其中每个RJ45接口通过双绞线与其他设备相连。以太网控制器与至少一个RJ45接口的第1,2,3,6引脚相连，从而经由RJ45接口与其他设备交换以太网数据，如TCP/IP协议数据。485总线控制器与至少一个RJ45接口的第4,5,7,8引脚相连，从而经由RJ45接口与其他设备交换485总线数据。

进一步的，网关设备还包括与以太网控制器和485总线控制器连接的中央处理单元CPU，用于处理以太网数据和485总线数据；此外，网关还可以包括WAN口，用于与互联网进行连接。

这种端口复用的方式，不但使得以太网数据和485总线数据之间的并行传输不会相互干扰，也使得单个RJ45的功能得以扩展，避免了增加不同类型接口或者进行协议转换带来的成本增加，同时也使得智能家居网络中485总线上的设备控制变得简化，例如地址分配。

下面进一步介绍本发明这种网关设备中通过485总线为设备分配地址的方法。图10显示了在本发明所公开的智能家居系统中的设备地址结构。设备地址分为固定地址及动态id地址，固定地址在设备出厂前固化在存储芯片中，而动态id地址则是设备第一次接入总线后网关给予分配作为本节点通信的地址。

设备固定地址即是每个设备的唯一身份证号码，它可以由设备类型、设备的条形码、设备的批次代码、以及设备的序号的其中一个或几个组合起来构成。这种编址方法在不同的场景下能够能保证每个设备的唯一性。

在第一实施例中，如果受控设备在智能家居网络中仅有唯一一个，例如大门门禁。那么设备固定地址可以只包括设备类型码和设备的条形码。

在第二实施例中，如果受控设备可以由设备的条形码和设备批次码唯一确定，那么设备固定地址可以只包括设备类型码、设备的条形码和设备批次码。

在第三实施例中，如果受控设备不能由批次和条形码唯一确定，例如照明设备。那么设备固定地址可以包括设备类型码、设备的条形码和设备批次码，设备序号。

不限于上述三个实施例，根据应用场景的不同，只要能够保证固定地址的唯一性，那么就可以任意组合设备类型、设备的条形码、设备的批次代码、以及设备的序号中的一个或几个以构成固定地址。

在第三实施例的情况下，设备固定地址包括设备固定地址由17个字节构成，其中第一个字节是设备类型，接着12个字节是设备的条形码，然后加上2个字节表示设备的批号，最后两个字节表示设备的序号。当然可以根据具体需要为不同的字段分配不同的字节数。在前两种实施例中，可以去掉表示相应类别的字节，从而构成更短的设备固定地址。

而设备的动态ID地址由家庭网关确定，其长度由可由于实际应用场景决定。例如在一个实施例中，动态id地址由2个字节组成，那么从0x00到0xffff总共可以表示65536个设备动态id地址，由于动态id地址只有两个字节，很简短，在同一个智能家居网内地址也够用，所以用该地址作为总线上各设备的通信地址能减少通信时间，降低数据冲突的几率，大大提高了通信效率。当然，也可以采用其他长度，例如1个或3个以上字节长度来表示动态ID。

图11显示了设备接入智能家居网络后的具体地址分配流程。首先当设备第一次上电接入网络时，设备经由485总线发送固定地址通知报文到网关的RJ45接口，进而固定地址通知报文经由网关的485总线控制器传送到CPU，其中该通知报文包括设备的固定地址；

然后，网关的CPU收到此通知报文后，进行必要的校验，然后根据系统设置给设备分配一个唯一的动态ID地址，该动态ID地址可以由系统随机分配，也可以由用户指定；

然后，网关经由485总线控制器，RJ45接口，485总线发送动态ID分配报文给设备；

接着在设备收到动态ID分配报文后将其中动态ID存储起来，并在以后的通信中都用该动态id地址作为通信地址。

此外，动态ID地址也可以在网关由用户手动修改。

由于设备条形码唯一的确定了设备的种类，而设备的批次码唯一确定了设备的生产批次，同时设备序号又唯一的确定了设备的生产顺序，因此这就使得设备的固定地址可以唯一的确定一台设备，同时网管依据这个唯一固定地址生成一个更短的动态ID地址，那么这就使得实际通信中使用的设备地址更容易处理，从而提高通信效率。

图12显示了本发明公开的网关中CPU的模块结构，包括接收模块，用于接收来自受控设备的通知报文，该通知报文包括受控设备的固定地址；动态地址分配模块，用于根据受控设备的固定地址为受控设备分配一个动态地址；发送模块，用于向受控设备发送分配报文，该分配报文包括该动态地址。

图13显示了本发明公开的受控设备的模块结构，包括发送模块，向网关发送通知报文，其中该通知报文包括受控设备的固定地址；接收模块，用于接收由网关发送的分配报文，该分配报文包括网关为受控设备分配的动态地址；第一存储模块，用于存储该分配报文中的动态地址；第二存储模块，用于存储受控设备的固定地址。

可以理解的是，本申请权利要求并不限于这些特定公开形式，而是覆盖了所有落入本发明的精神和范围之内的修改方式、等价方式和替换方式。

Claims (5)

1.一种网关设备，包括：

至少一个RJ45接口，用于通过双绞线与其他设备相连；

一个以太网控制器，其与至少一个RJ45接口的第1、2、3、6引脚相连，用于经由所述至少一个RJ45接口与所述其他设备交换以太网数据；以及

一个485总线控制器，其与至少一个RJ45接口的第4、5、7、8引脚相连，用于经由所述至少一个RJ45接口与所述其他设备交换485总线数据；

所述网关设备还包括与以太网控制器和485总线控制器连接的中央处理单元，用于处理所述以太网数据和485总线数据；

所述中央处理单元包括：

接收模块，用于接收来自所述其他设备的通知报文，该通知报文包括所述其他设备的固定地址，该固定地址包括所述其他设备的条形码、设备类型码、批次代码和/或设备序号。

2.如权利要求1所述的网关设备，其中至少一个RJ45接口的数量大于等于2。

3.如权利要求1，2任一所述的网关设备，其中所述中央处理单元还包括：

动态地址分配模块，用于根据所述其他设备的固定地址为所述其他设备分配一个动态地址；

发送模块，用于向所述其他设备发送分配报文，该分配报文包括该动态地址。

4.如权利要求3所述的网关设备，其中该动态地址由所述网关设备随机分配。

5.如权利要求3所述的网关设备，其中该动态地址由手动指定。