CN103944895A - 一种异构传感网络的数据融合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构传感网络的数据融合装置，包括核心处理器、3/4G通信模块、wifi模块、zigbee协调器模块、蓝牙模块、RJ45模块、音频模块、RS232通信模块、RS485模块、Can总线控制模块、HDMI接口模块、USB模块、LVDS接口模块、自定义USER_IO接口、JTAG模块、电源模块，核心处理器包括网络管理模块，该网络管理模块根据自定义通信协议，对其所连接的设备实现设备配置管理、协议转换、消息解析、数据组包及转发，其他各模块均与所述核心处理器相连，本发明能够支持多数RS485及Can总线通信方式的工业设备的接入，提高了传感网络设备的兼容性，降低了设备选型难度。

Description

一种异构传感网络的数据融合装置

技术领域

本发明涉及传感器网络领域，特别是涉及一种异构传感网络的数据融合装置。

背景技术

传感网络(Sensor Network)是利用各种传感器(光、电、温度、湿度、压力等)和控制器（继电器、步进电机等）加上中低速的近距离通信技术构成一个独立的网络,是由多个具有有线或无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，它一般提供局域或小范围物与物之间的信息交换功能。

传感网络是物联网技术的重要组成部分，是物联网技术应用的基础。由于传感器及控制器种类繁多，通信协议涵盖RS485、RS232、Can、zigbee、wifi、蓝牙等，在构建一个物联网应用系统的时候，通常需要多种类型传感器或控制器，对于不同通信类型的设备，通常需要开发相应的适配模块以实现组网通信，同时数据交互及不方便。

目前现有的网关设备存在的问题主要包括：

1、只支持部分接口，通常是定制开发的，只支持某几种通信协议的终端，导致在物联网应用中存在一定的限制。

2、核心处理器数据处理能力低，通常不适合大数据量、并发数据的处理，无法完成一些复杂的数据处理及网络管理功能。

3、通用性及扩展性差，未涉及不同设备的数据融合问题，未解决如何实现对异构传感网络设备的统一管理问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种异构传感网络的数据融合装置，其能够支持多数RS485及Can总线通信方式的工业设备的接入，丰富的硬件接口提高了传感网络设备的兼容性，降低了设备选型难度。

本发明之另一目的在于提供一种异构传感网络的数据融合装置，通过网络管理软件对底层数据进行统一封装，实现不同传感网络的协议转换，根据既定协议可以通过3/4G网络、以太网完成异构传感网络与应用层服务器的数据交互,提高了传感网络组网效率和可扩展性。

本发明之另一目的在于提供一种异构传感网络的数据融合装置，其采用自定义通信协议，解决了通信数据格式不统一问题，提高了设备的可操作性及扩展性。

为达上述及其它目的，本发明提出一种异构传感网络的数据融合装置，所述数据融合装置包括核心处理器、3/4G通信模块、wifi模块、zigbee协调器模块、蓝牙模块、RJ45模块、音频模块、RS232通信模块、RS485模块、Can总线控制模块、HDMI接口模块、USB模块、LVDS接口模块、自定义USER_IO接口、JTAG模块、电源模块，所述核心处理器包括网络管理模块，所述网络管理模块根据自定义通信协议，对其所连接的设备实现设备配置管理、协议转换、消息解析、数据组包及转发，所述3/4G通信模块、所述wifi模块、所述zigbee协调器模块、所述蓝牙模块、所述RJ45模块、所述音频模块、所述RS232通信模块、所述RS485模块、所述Can总线控制模块、所述HDMI接口模块、所述USB模块、所述LVDS接口模块、所述自定义USER_IO接口、所述JTAG模块均与所述核心处理器相连，所述电源模块与核心处理器及其他模块连接，以给其供电。

进一步地，所述网络管理模块包括设备管理模块、协议转换/解析模块以及消息收发模块，所述设备管理模块用于对设备的管理及数据的读写，所述协议转换/解析模块用于实现上下行消息的转换、解析，对于上行消息进行协议转换及数据组包，通过所述消息收发模块完成数据的统一组包转发，对于下行消息进行协议转换及数据解析，通过所述设备管理模块完成对设备的反馈控制。

进一步地，所述设备管理模块对设备的管理包括串口信息、地址信息、设备类型、设备状态的管理。

进一步地，所述上行消息为从RS485设备、zigbee协调器、Can设备、串口设备采集到的数据；所述下行消息为通过服务器或所述数据融合装置本身触发的消息。

进一步地，所述自定义通信协议由消息头和消息体组成，所述消息头包括固定标记位、消息长度、网关标识、设备类型标识、设备节点地址、消息ID以及流水号，所述消息体为与所述核心处理器连接的设备收发的数据。

进一步地，所述固定标记位标记所述异构网络的数据融合装置，所述固定标记位为0x5473。

进一步地，所述消息长度为消息头加消息体的长度，其占两个字节。

进一步地，所述网关标识用于区分不同异构网络融合装置，其占两个字节，在存在多台异构网络融合装置的情况下，所述网关标识在登录服务器时，由服务器动态分配。

进一步地，所述设备类型标识用于区分接入异构网络融合装置的不同设备，占1个字节。

进一步地，所述设备节点地址标示接入该数据融合装置的同一类型的设备在网络中的唯一标识，其占两个字节；所述消息头中的消息ID为所述数据融合装置与服务器消息交互的标识，占两个字节，与所述消息体中的消息ID无关。

与现有技术相比，本发明一种异构传感网络的数据融合装置通过以CortexA9处理器为核心处理，提供丰富的硬件接口，通过不同的总线(RS232、RS485、Can、USB)及无线通信（zigbee、wifi、蓝牙）接口方式实现与异构传感设备的连接，并可以通过以太网、3/4G通信方式与远端服务器或云服务器进行数据交互，实现了对支持zigbee、RS485、Can总线、RS232、wifi、蓝牙等不同通信协议的采集、控制终端进行统一管理及读写控制，区别于目前市场的多数设备，本发明能够支持多数RS485及Can总线通信方式的工业设备的接入，丰富的硬件接口提高了传感网络设备的兼容性，降低了设备选型难度，同时，本发明通过网络管理模块对底层数据进行统一封装，实现不同传感网络的协议转换，根据既定协议可以通过3/4G网络、以太网完成异构传感网络与应用层服务器的数据交互,提高了传感网络组网效率和可扩展性。

附图说明

图1为本发明一种异构传感网络的数据融合装置的硬件架构图；

图2为本发明较佳实施例之硬件结构图；

图3为本发明较佳实施例中网络管理模块的消息处理过程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种异构传感网络的数据融合装置的硬件架构图。如图1所示，本发明一种异构传感网络的数据融合装置，包括：核心处理器10，实现操作系统的运行及数据综合处理、显示，核心处理器10包括网络管理模块101，根据自定义通信协议，对其所连接的设备实现设备配置管理、协议转换、消息解析、数据组包及转发；3/4G通信模块20，与核心处理器10连接，以实现3/4G音频及数据业务的控制与传输；wifi模块30，与核心处理器10连接，以实现WIFI数据业务的控制与传输；zigbee协调器模块40，与核心处理器10连接，以实现zigbee数据业务的控制与传输；蓝牙模块50，与核心处理器10连接，以实现蓝牙数据业务的控制与传输；RJ45模块60，以实现以太数据业务的控制与传输；音频模块70，以实现音频数据业务的控制与传输；USB模块80，以实现USB数据业务的控制与传输；RS232通信模块90，以实现RS232数据业务的控制与传输；RS485模块110，以实现RS485数据业务的控制与传输；Can总线控制模块120，以实现Can总线数据业务的控制与传输；蜂鸣器模块130，以实现蜂鸣器控制功能；HDMI接口模块140，以实现HDMI高清显示功能；LVDS接口模块150，以实现LVDS高清触摸屏显示及控制功能；自定义USER_IO接口160, 以实现设备的自定义采集及控制；JTAG模块170，以实现核心处理器10及zigbee协调器模块40的仿真调试功能；SDIO控制模块180，实现SD卡数据读取功能；电源模块190，与核心处理器10及其他模块连接，以对其进行供电。

图2为本发明较佳实施例之硬件结构图。在本发明较佳实施例中，以上各模块采用如下配置：

核心处理器：采用CortexA9核心处理单元，实现操作系统的运行及数据综合处理、显示

电源模块：电源取自5V适配器，通过LDO(low dropout regulator, 低压差线性稳压器)实现对板卡内部各模块进行供电；

存储模块：存储模式有两种，一个为SD卡存储模式，一个是FLASH存储模式，分别通过SDIO和SPI与核心处理器（iMX6）进行通信；

USER IO模块：此模块用于核心处理器（iMX6）的预留GPIO接口，连接对外20PIN的接插件；

LVDS触摸屏模块：此模块实现LVDS高清触摸屏显示，通过IIC总线与核心处理器（iMX6）通信；

HDMI显示模块：此模块核心芯片为TPD12S521，通过IIC与核心处理器（iMX6）通信，对外连接HDMI接口；

3G模块：此模块采用mini-PCIE接口与核心处理器（iMX6）通信，此接口可支持市面上主流的3/4G无线通信模块，此模块还包含一个SIM卡槽，一个USB口，一个音频接口，一个SMA天线接口；

蓝牙模块：此模块核心采用TICC2541，通过IIC总线与核心处理器（iMX6）通信；

WIFI模块：此模块核心芯片为WM-N-BM，通过SDIO接口与核心处理器（iMX6）进行通信，包含一个SMA天线接口。

USB模块：此模块包含一个OTG接口和一个HOST接口，与核心处理器（iMX6）进行通信。

音频模块：此模块核心器件为WM9714，对外连接一个音频输入口，一个音频输出口，并由核心处理器（iMX6）进行控制及数据处理。

zigbee模块：此模块核心芯片为CC2531，通过UART口与核心处理器（iMX6）进行通信，主要实现zigbee数据通信功能，对外提供一个SMA天线接口，一个JTAG调试口。

Can模块：此模块核心芯片包含MCP2551（实现电平转化）和MCP2515(实现Can协议解析)，通过SPI接口与核心处理器（iMX6）进行通信，对外连接2PIN接插件。

RS485模块：此模块核心芯片为SN65HVD10D（实现RS485电平转化），实现外设与核心处理器（iMX6）的RS485通信，对外连接2PIN接插件。

RS232模块：此模块核心芯片为两片ICL3222（实现RS232电平转化），实现两位外设与IMX6的RS232通信，对外连接两个DB9接插件。

千兆以太网模块：此模块核心芯片为AR8031（实现千兆以太数据PHY及MAC层的协议解析），通过总线形式与核心处理器（iMX6）进行通信。

JTAG模块：此模块与核心处理器（iMX6）、 JTAG接口相连，外接10pinJTAG接口，用于核心处理器（iMX6）设备的仿真调试。

图3为本发明较佳实施例中网络管理模块的消息处理过程示意图，如图3所示，在本发明较佳实施例中，网络管理模块101包括设备管理模块102、协议转换/解析模块103以及消息收发模块104。

如图3所示，设备管理模块102完成对设备（例如RS485设备、zigbee协调器、Can设备、串口设备等）的管理（包括串口信息、地址信息、设备类型、设备状态的管理）及数据的读写；协议转换/解析模块103，完成上下行消息的转换、解析,对于上行消息（即从RS485设备、zigbee协调器、Can设备、串口设备等采集到的数据）进行协议转换及数据组包，并通过消息收发模块104完成数据的统一组包转发，对于下行消息（即通过服务器或融合装置本身触发的消息）进行协议转换及数据解析，通过设备管理模块102完成对设备的反馈控制。

为了解决不同通信方式的传感器采集、控制设备的数据融合问题，本发明自定义了通信协议，以解决通信数据格式不统一问题，提高设备的可操作性及扩展性。本发明自定义的通信协议如下表1所示：

该通信协议主要由消息头和消息体组成，消息头包括固定标记位（2字节）、消息长度（2字节）、网关标识（2字节）、设备类型标识（1字节）、保留（1字节）、设备节点地址（2字节）、消息ID（2字节）以及流水号（4字节），消息体为与核心处理器连接的设备收发的数据。各部分含义如下：

（1）、固定标记位标记此异构网络融合装置，设备位移固定标记位为0x5473。

（2）、消息长度是指消息头 + 消息体的长度，即消息的总长度。

（3）、网关标识，区分不同异构网络融合装置。在存在多台异构网络融合装置的情况下，网关标示在登录服务器时，由服务器动态分配。

（4）、设备类型标识区分接入异构网络融合装置的不同设备：

zigbee协调器： 0x01；

RS485设备：  0x02；

RFID读写器：  0x03；

其他设备......

（5）、设备节点地址标示接入该数据融合装置的同一类型的设备在网络中的唯一标识，考虑通过RS485、Can总线等接入多个相同设备情况；

（6）消息头中的消息ID为融合装置与服务器消息交互的标识，和消息体中的消息ID无关。

A、消息头的消息ID为0x1234，标识数据融合装置登录服务器请求消息，此时，网关标识、消息内容都可为空；

B、消息头的消息ID为0x4321，标识融合装置登录PC服务器响应消息，PC服务器动态分配网关标识，供融合装置使用；

C、消息头的消息ID为0x0010，标识zigbee、RFID等设备向PC发送正常业务消息；

D、其他消息.....；

（7）、流水号：收到一条请求消息，要以同样的流水号回响应消息。

（8）、消息体内容：是zigbee、RS485、蓝牙等设备收发的数据；

可见，本发明可解决物联网应用中不同通信方式的传感器采集、控制设备的组网及数据融合问题，主要能够对符合zigbee、RS485、Can总线、RS232、wifi、蓝牙等不同通信协议的采集、控制终端进行统一管理及读写控制，并对底层数据进行统一封装，实现不同传感网络的协议转换，根据既定协议可以通过3/4G网络、以太网完成异构传感网络与远端服务器的数据交互, 以提高传感网络组网效率和可扩展性。

综上所述，本发明一种异构传感网络的数据融合装置通过以CortexA9处理器为核心处理，提供丰富的硬件接口，通过不同的总线(RS232、RS485、Can、USB)及无线通信（zigbee、wifi、蓝牙）接口方式实现与异构传感设备的连接，并可以通过以太网、3/4G通信方式与远端服务器或云服务器进行数据交互，实现了对支持zigbee、RS485、Can总线、RS232、wifi、蓝牙等不同通信协议的采集、控制终端进行统一管理及读写控制。区别于目前市场的多数设备，本发明能够支持多数RS485及Can总线通信方式的工业设备的接入，丰富的硬件接口提高了传感网络设备的兼容性，降低了设备选型难度，同时，本发明通过网络管理模块对底层数据进行统一封装，实现不同传感网络的协议转换，根据既定协议可以通过3/4G网络、以太网完成异构传感网络与应用层服务器的数据交互,提高了传感网络组网效率和可扩展性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于：所述数据融合装置包括核心处理器、3/4G通信模块、wifi模块、zigbee协调器模块、蓝牙模块、RJ45模块、音频模块、RS232通信模块、RS485模块、Can总线控制模块、HDMI接口模块、USB模块、LVDS接口模块、自定义USER_IO接口、JTAG模块、电源模块，所述核心处理器包括网络管理模块，所述网络管理模块根据自定义通信协议，对其所连接的设备实现设备配置管理、协议转换、消息解析、数据组包及转发，所述3/4G通信模块、所述wifi模块、所述zigbee协调器模块、所述蓝牙模块、所述RJ45模块、所述音频模块、所述RS232通信模块、所述RS485模块、所述Can总线控制模块、所述HDMI接口模块、所述USB模块、所述LVDS接口模块、所述自定义USER_IO接口、所述JTAG模块均与所述核心处理器相连，所述电源模块与核心处理器及其他模块连接，以给其供电。

2.如权利要求1所述的一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于，所述网络管理模块包括设备管理模块、协议转换/解析模块以及消息收发模块，所述设备管理模块用于对设备的管理及数据的读写，所述协议转换/解析模块用于实现上下行消息的转换、解析，对于上行消息进行协议转换及数据组包，通过所述消息收发模块完成数据的统一组包转发，对于下行消息进行协议转换及数据解析，通过所述设备管理模块完成对设备的反馈控制。

3.如权利要求2所述的一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于：所述设备管理模块对设备的管理包括串口信息、地址信息、设备类型、设备状态的管理。

4.如权利要求3所述的一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于：所述上行消息为从RS485设备、zigbee协调器、Can设备、串口设备采集到的数据；所述下行消息为通过服务器或所述数据融合装置本身触发的消息。

5.如权利要求1所述的一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于：所述自定义通信协议由消息头和消息体组成，所述消息头包括固定标记位、消息长度、网关标识、设备类型标识、设备节点地址、消息ID以及流水号，所述消息体为与所述核心处理器连接的设备收发的数据。

6.如权利要求5所述的一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于：所述固定标记位标记所述异构网络的数据融合装置，所述固定标记位为0x5473。

7.如权利要求6所述的一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于：所述消息长度为消息头加消息体的长度，其占两个字节。

8.如权利要求7所述的一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于：所述网关标识用于区分不同异构网络融合装置，其占两个字节，在存在多台异构网络融合装置的情况下，所述网关标识在登录服务器时，由服务器动态分配。

9.如权利要求8所述的一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于：所述设备类型标识用于区分接入异构网络融合装置的不同设备，占1个字节。

10.如权利要求9所述的一种异构传感网络的数据融合装置，其特征在于：所述设备节点地址标示接入该数据融合装置的同一类型的设备在网络中的唯一标识，其占两个字节；所述消息头中的消息ID为所述数据融合装置与服务器消息交互的标识，占两个字节，与所述消息体中的消息ID无关。