CN103973717B - 一种可重塑的物联网终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重塑的物联网终端，包括：应用无关硬件，用于执行物联网网络协议；应用相关硬件，针对多种物联网应用的计算与控制任务，通过远程动态更新的方式更新计算任务以满足多种物联网应用需求；所述应用无关硬件和应用相关硬件通过标准的扩展接口相连；所述应用无关硬件作为一个单独的物联网节点独立工作；所述应用相关硬件作为所述应用无关硬件的扩展，当针对多种物联网应用的计算与控制任务时，两者作为一个整体联合工作。本发明具备强通用性、专业性，能够适应物联网应用多样性的特点，满足物联网应用领域专业性的要求；并能通过任务动态更新方法，将用户应用程序快速部署到可重塑物联网系统中。

Description

一种可重塑的物联网终端

技术领域

本发明涉及物联网领域，特别涉及一种可重塑的物联网终端。

背景技术

近年来，物联网技术得到迅速发展，在重大事故监测，环境保护，智慧医疗，智能交通等领域已取得重大进展。物联网具备以下特点：首先，物联网具有应用多样性的特点，其应用面越来越广，辐射到各行各业的趋势也愈发明显；其次，物联网应用具有很强的领域专业性，行业应用都有其特殊要求。

为了满足物联网应用的领域专业性，传统的物联网系统设计方法是针对每个应用都单独设计一整套物联网系统软硬件，该方法存在诸多问题：1）针对特定应用部署的物联网系统无法改变或者更新应用，导致系统功能单一，可塑性差；2）针对特定应用单独设计的物联网终端硬软件资源无法在其他应用中使用，每个应用都需要重新设计终端节点软硬件，资源利用率低，同时降低了物联网应用的开发速度，增加了系统的研发成本。

针对上述传统物联网系统设计方法存在的不足，本发明提出了一种可根据用户需求动态改变系统功能的可重塑物联网系统，装置及方法，且所设计的物联网终端能适用于多种物联网系统。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种可重塑的物联网终端，其具备强通用性、专业性，能够适应物联网应用多样性的特点，满足物联网应用领域专业性的要求；并能通过任务动态更新方法，将用户应用程序快速部署到可重塑物联网系统中。

为实现上述目的，本发明提供了一种可重塑的物联网终端，包括：

应用无关硬件，用于执行物联网网络协议；

应用相关硬件，针对多种物联网应用的计算与控制任务，通过远程动态更新的方式更新计算任务以满足多种物联网应用需求；

所述应用无关硬件和应用相关硬件通过标准的扩展接口相连；所述应用无关硬件作为一个单独的物联网节点独立工作；所述应用相关硬件作为所述应用无关硬件的扩展，当针对多种物联网应用的计算与控制任务时，两者作为一个整体联合工作。

其中应用无关硬件包括：

微处理器，是应用无关硬件的核心，运行应用无关硬件的代码，执行物联网网络协议及计算复杂度的计算与控制任务，该微处理器与所述应用无关硬件的射频处理器、存储器、传感器接口相连，同时微处理器还与应用相关硬件的配置存储器以及可重塑器件中的硬件任务接口相连；

射频处理器，在所述微处理器的控制下执行数据包的发送和接收，所述射频处理器与所述微处理器通过SPI接口连接，负责与物联网中各个节点之间的通信；

存储器，用于存储所述微处理器的数据和程序，所述存储器与所述微处理器通过总线连接；

传感器接口，通过标准的51P传感器接口与所述微处理器相连接。

进一步的，所述微处理器采用超低功耗嵌入式微处理器；

所述射频处理器采用ZigBee、WiFi、GPRS、3G的通信方式；

所述传感器接口集成了串口、SPI、I2C、并口以及数模转换的常用接口。

其中应用相关硬件包括：

可重塑器件，是所述物联网终端的核心，执行与应用相关的复杂计算任务，针对各种物联网应用，采用软硬件协同动态配置机制重塑其计算任务；

应用相关传感器，根据多种物联网应用提供相应的传感器；

数据存储器，用于存储可重塑器件中的数据；

配置存储器，存储可重塑器件中的配置程序，所述配置程序用于控制所述可重塑器件的功能执行。

进一步的，所述数据存储器采用高速的SRAM存储器实现；

所述配置存储器存储的配置程序是当应用发生变化时，微处理器通过远程动态更新的方式从云端任务中心获取并下载至所述配置存储器中的配置程序。

进一步的，所述可重塑器件包括：

可重塑传感器接口，根据多种应用相关传感器，重塑传感器接口使其能够自动重新配置控制接口与时序；

可重塑计算部件，计算重塑后的计算任务。

进一步的，所述可重塑计算部件包括：

硬件任务接口，用于根据微处理器的命令来控制计算任务。

计算任务部件，用于执行与应用相关的计算任务。

进一步的，所述微处理器的命令包括：

RESET命令，用于任务的复位操作；

OPEN命令，用于唤醒处于休眠状态的任务；

CLOSE命令，用于当任务执行完毕之后使之重新进入休眠态；

START和STOP命令，用于启动和停止任务；

WRITE和READ命令，用于向计算任务中写入参数和读出数据；

FINISH命令，用于当计算任务执行完毕之后触发CPU中断。

进一步的，所述计算任务部件的所有计算任务都保存在云端任务中心中，当需要更新计算任务时，所述微处理器通过远程动态更新的方式从云端任务中心搜索并下载相应的计算任务，然后装载至配置存储器中，供可重塑器件执行。

进一步的，所述应用相关硬件的远程动态更新工作步骤包括：

步骤1，任务更新判断，比较需要更新的任务与原任务是否相同，若相同则无需更新，若不相同则进入步骤2；

步骤2.本地任务搜索，在可重塑终端中搜索是否存在需要更新的任务，若存在，则装载并运行任务，若不存在则进入步骤3；

步骤3，远程任务搜索，在云端任务中心搜索是否存储了任务代码供所述应用相关硬件硬件下载执行，若不存在则远程任务搜索失败，报告用户所需任务不存在，若存在相应任务则进入步骤4；

步骤4，任务下载，将需要更新的任务从云端任务中心下载至可重塑终端中；

步骤5.任务装载，将与应用相关的任务装载至可重塑终端的配置存储器中；

步骤6，任务运行，装载与应用相关的任务并执行新的任务。

附图说明

图1A为本发明的可重塑的物联网终端的结构示意图；

图1B为本发明的一实施例的可重塑物联网系统示意图；

图2为本发明的一实施例的通用终端硬件示意图；

图3为本发明的一实施例的可重塑终端硬件示意图；

图4为本发明的一实施例的可重塑物联网系统应用部署方法流程图；

图5为本发明的一实施例的任务动态更新方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1A为本发明的可重塑的物联网终端的结构示意图，分为与应用无关硬件1和与应用相关硬件2两部分。其中应用无关硬件1包括微处理器3、射频处理器4、存储器5及传感器接口6；应用相关硬件2包括可重塑器件7、应用相关传感器8、数据存储器9、配置存储器10。其中可重塑器件7包含可重塑计算部件11、可重塑传感器接口12，可重塑计算部件11又由硬件任务接口13以及若干计算任务14组成。微处理器3与射频处理器4、存储器5、传感器接口6相连，同时微处理器3还与配置存储器10以及可重塑器件7中的硬件任务接口13相连；可重塑器件7与应用相关传感器8、数据存储器9以及配置存储器10相连。

应用无关硬件1执行物联网网络协议。

应用相关硬件2执行与应用相关的复杂计算任务，针对不同的物联网应用，可以通过重塑计算任务14来满足不同的物联网应用需求。

微处理器3作为应用无关硬件1的核心，运行应用无关硬件1的代码，执行物联网网络协议及计算与控制任务；微处理器3通常采用超低功耗嵌入式微处理器，需要具备基本的运算能力及常用的外部接口；微处理器3与射频处理器4、存储器5、传感器接口6相连，同时微处理器3还与配置存储器10以及可重塑器件7中的硬件任务接口13相连；

射频处理器4在微处理器3的控制下，执行数据包的发送接收；射频处理器4可以采用ZigBee、WiFi、GPRS、3G等通信方式，可以是货架是通信设备或器件，也可以是固化了通信技术的设备或器件；与微处理器3通过电信号连接，负责与物联网中其它节点之间的通信。

存储器5用于存储微处理器3的数据和程序。

传感器接口6通过标准的51P传感器接口处接传感器模块，以提高本发明的物联网终端的通用性。传感器接口6集成了串口、SPI、I2C、并口以及数模转换等多种常用的接口。微处理器3可以通过这些接口控制处接的传感器。

可重塑器件7作为整个物联网可重塑终端的核心，执行与应用相关的复杂计算任务，针对不同的应用，可重塑计算部件可以采用软硬件协同动态配置机制重塑其计算任务以满足物联网应用高度多样性和领域专用性的要求。

应用相关传感器8根据不同的物联网应用可以提供不同的传感器，以提高本发明的物联网终端的通用性。如在温湿度信息采集系统中，应用相关传感器8可以换成温湿度传感器；在图像信息采集系统中，应用相关传感器8可以换成图像传感器。

数据存储器9用于存储可重塑器件7中需要用到的数据，通常采用高速的SRAM存储器实现。

配置存储器10存储可重塑器件7中的配置程序，当应用发生变化时，微处理器3可以重新配置配置存储器10。

可重塑传感器接口12需要自适应应用相关传感器8的变化，根据应用相关传感器8的不同，可重塑传感器接口12能够自动重新配置合适的控制接口与时序。

硬件任务接口13用于连接微处理器3与计算任务，并根据微处理器3的命令来控制计算任务。命令通常包括RESET，OPEN，CLOSE，START，STOP，WRITE，READ和FINISH。RESET命令用于任务的复位操作；当任务处于休眠状态时，可以通过OPEN命令唤醒；当任务执行完毕之后，可以通过CLOSE使之重新进入休眠态；START和STOP命令用于启动和停止任务；WRITE和READ的功能是向计算任务中写入参数和读出数据；FINISH为中断处理函数，用于当计算任务执行完毕之后触发CPU中断。

计算任务14用于执行与应用相关的任务。当云端任务中心不存在可用的计算任务时，可以手动编写计算任务代码；也可通过代码自动生成工具如Matlab生成计算任务。

下面结合图1B至图5详细介绍本发明的一实施例。

图1B为本发明的一实施例的可重塑物联网系统示意图，包括以下几部分：可重塑终端101，通用终端102，网关节点103，互联网104和云端任务中心105。可重塑终端101和通用终端102通过无线方式连接形成多跳网络，该多跳网络连接网关节点103，网关节点103通过有线或无线方式接入互联网104中，云端任务中心105通过互联网104与网关节点103连接。当应用不再满足需求或用户有新的需求是，用户在云端任务中心105选择相应的任务，将任务ID通过互联网104和网关节点103分发给多跳网络中的可重塑终端101，可重塑终端101根据接收到的任务ID查看是否需要更新任务，当可重塑终端101中运行的任务正是需要更新的任务时，可重塑终端101忽略本次任务更新，当其运行的任务不是需要更新的任务时，则根据任务更新流程对终端中运行的任务进行更新处理。

图2为本发明的一实施例的通用终端硬件示意图，包括以下几部分：超低功耗CPU201，射频处理器202，程序存储器203，数据存储器204，通用传感器205和外部存储器206，通用终端与可重塑终端一起，通过无线组成多跳网络，通用终端可用于执行多跳网络的路由功能以及常规的数据采集与处理任务。超低功耗CPU201作为通用终端的控制核心，控制射频处理器202，程序存储器203，数据存储器204，通用传感器205和外部存储器206工作，另外超低功耗CPU201运行物联网组网协议以及一些与应用无关的任务。射频处理器202与超低功耗CPU201相连，作为通用终端与外界的输入输出接口，用来实现与多跳网络中其他通用终端和可重塑终端的通信。程序存储器203与超低功耗CPU201相连，用于存储超低功耗CPU201工作所需的程序代码。数据存储器204存储与超低功耗CPU201相连，用于存储超低功耗CPU201工作过程中产生的数据。通用传感器包括温湿光等常用传感器，与超低功耗CPU201相连，用于在超低功耗CPU201控制下执行常规的数据采集任务。外部存储器206与超低功耗CPU201相连，用于保存通用终端所采集的数据。

图3为本发明的一实施例的可重塑终端硬件示意图，可分为两部分：第一部分为应用无关硬件311，即为图2所述的通用终端；第二部分为应用相关硬件312。应用相关硬件312包括可重塑器件307，专用传感器（应用相关传感器）308，数据存储器309和配置存储器310。可重塑器件307作为应用相关硬件的核心，用于执行应用相关任务，通常采用FPGA，DSP等实现；专用传感器308为与特定应用相关的传感器，如图像、视频传感器等；数据存储器309用于存储可重塑器件307产生的数据或者专用传感器308采集的数据；配置传感器310用于存储可重塑器件307运行所需要的配置程序，即应用相关任务。应用无关硬件，用于执行物联网网络协议等应用无关任务；应用相关硬件，用于执行针对特定物联网应用的应用相关任务，可通过动态更新的方式改变应用相关任务来满足不同物联网应用需求。所述应用无关硬件和应用相关硬件通过标准接口相连；当终端不需要执行与应用相关的任务时，所述应用无关硬件作为一个单独的物联网通用终端独立工作；当物联网应用需要执行与应用相关的任务时，对计算时延有较高要求时，所述应用相关硬件作为所述应用无关硬件的扩展，两者结合成一个整体作为物联网可重塑终端。

图4为本发明的一实施例的可重塑物联网系统应用部署方法流程图；

步骤401.任务选择，根据物联网应用需求，由用户选择可以完成其需求的若干任务。

步骤402.任务匹配，用户将选择的所有任务ID与对应的可重塑终端ID进行匹配，使每个需要部署物联网应用的可重塑终端都有任务ID。

步骤403.任务分发，云端任务中心通过互联网将用户选择的任务ID分发到对应的可重塑终端。

步骤404.任务接收，可重塑终端启动超低功耗CPU及射频处理器，超低功耗CPU通过射频处理器接收由云端任务中心发送给自己的任务ID。

步骤405.任务下载，超低功耗CPU根据其所接收的任务ID，从云端任务中心下载对应的任务代码至外部存储器中。

步骤406.任务装载，超低功耗CPU将外部存储器中的任务代码装载至配置存储器中。

步骤407.任务执行，超低功耗CPU启动可重塑器件，可重塑器件装载配置存储器中的任务并执行任务。

图5为本发明的一实施例的任务动态更新方法流程图：

步骤501.任务更新启动，可重塑终端接收到来自远程云端任务中心用户的任务更新命令之后，启动任务更新。

步骤502.任务更新判断，比较需要更新的任务与原任务是否相同，若相同则无需更新，忽略本次更新并进入任务更新结束步骤，向用户报告无需更新，若不相同则进入步骤503；

步骤503.本地任务搜索，在可重塑终端本地外部存储器中搜索是否存在需要更新的任务，本地外部存储器中存储终端运行过的所有任务，若存在，则进入步骤505执行任务装载步骤，若不存在则进入步骤504在邻居节点中搜索；

步骤504.邻居任务搜索，在需要更新的可重塑终端周围n跳范围内的邻居节点中搜索是否存在需要更新的任务，其中n由用户在发送任务更新命令时指定。当邻居节点中存在需要更新的任务时，进入步骤506执行任务下载，当不存在时则继续执行步骤505从远程云端任务中心中搜索任务。若邻居节点中存在多个可供下载的任务时，选择跳数最小的邻居节点进行任务下载，若存在多个跳数最小且相同的邻居节点都保存有需要更新的任务时，可重塑终端在将任务分成相应数目的代码片段，并从每个邻居节点中分别下载一个片段。这样的好处在于代码传输最快，且传输的功耗最低。

步骤505.远程任务搜索，在云端任务中心搜索是否该云端任务中心存储了大量已有的任务代码供所述应用相关硬件硬件下载执行，若不存在则远程任务搜索失败，报告用户所需任务不存在，若存在相应任务则进入步骤506；

步骤506.任务下载，将需要更新的任务从远程任务中心下载至终端的外部存储器中，外部存储器中保存所有下载过的任务；

步骤507.任务装载，将外部存储器中与需要更新的任务装载至可重塑终端的配置存储器中；

步骤508.任务运行，可重塑器件装载配置存储器中的任务并重新启动以执行新任务。

步骤509.任务更新结束，向远程任务中心报告本次任务更新的信息。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种可重塑的物联网终端，其特征在于，包括：

应用无关硬件，用于执行物联网网络协议，应用无关硬件包括：微处理器，是应用无关硬件的核心，运行应用无关硬件的代码，执行物联网网络协议及计算与控制任务，该微处理器与所述应用无关硬件的射频处理器、存储器、传感器接口相连，同时微处理器还与应用相关硬件的配置存储器以及可重塑器件中的硬件任务接口相连；

应用相关硬件，针对多种物联网应用的计算与控制任务，通过远程动态更新的方式更新计算任务以满足多种物联网应用需求，所述应用相关硬件包括：

可重塑器件，是所述物联网终端的核心，执行与应用相关的复杂计算任务，针对各种物联网应用，采用软硬件协同动态配置机制重塑其计算任务；

应用相关传感器，根据多种物联网应用提供相应的传感器；

数据存储器，用于存储可重塑器件中的数据；

配置存储器，存储可重塑器件中的配置程序，所述配置程序用于控制所述可重塑器件的功能执行；

所述应用无关硬件和应用相关硬件通过标准的扩展接口相连；所述应用无关硬件作为一个单独的物联网节点独立工作；所述应用相关硬件作为所述应用无关硬件的扩展，当针对多种物联网应用的计算与控制任务时，两者作为一个整体联合工作；

其中，所述可重塑器件包括：

可重塑传感器接口，根据多种应用相关传感器，重塑传感器接口使其能够自动重新配置控制接口与时序；

可重塑计算部件，计算重塑后的计算任务，所述可重塑计算部件包括：

硬件任务接口，用于根据所述微处理器的命令来控制计算任务；

计算任务部件，用于执行与应用相关的计算任务。

2.如权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，应用无关硬件包括：

射频处理器，在所述微处理器的控制下执行数据包的发送和接收，所述射频处理器与所述微处理器通过SPI接口连接，负责与物联网中各个节点之间的通信；

存储器，用于存储所述微处理器的数据和程序，所述存储器与所述微处理器通过总线连接；

传感器接口，通过标准的51P传感器接口与所述微处理器相连接。

3.如权利要求2所述的物联网终端，其特征在于，

所述微处理器采用超低功耗嵌入式微处理器；

所述射频处理器采用ZigBee、WiFi、GPRS、3G的通信方式；

所述传感器接口集成了串口、SPI、I2C、并口以及数模转换的常用接口。

4.如权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，

所述数据存储器采用高速的SRAM存储器实现；

所述配置存储器存储的配置程序是当应用发生变化时，微处理器通过远程动态更新的方式从云端任务中心获取并下载至所述配置存储器中的配置程序。

5.如权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述微处理器的命令包括：

RESET命令，用于任务的复位操作；

OPEN命令，用于唤醒处于休眠状态的任务；

CLOSE命令，用于当任务执行完毕之后使之重新进入休眠态；

START和STOP命令，用于启动和停止任务；

WRITE和READ命令，用于向计算任务中写入参数和读出数据；

FINISH命令，用于当计算任务执行完毕之后触发CPU中断。

6.如权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述计算任务部件的所有计算任务都保存在云端任务中心中，当需要更新计算任务时，所述微处理器通过远程动态更新的方式从云端任务中心搜索并下载相应的计算任务，然后装载至配置存储器中，供可重塑器件执行。

7.如权利要求1所述的物联网终端，其特征在于，所述应用相关硬件的远程动态更新工作步骤包括：

步骤1，任务更新判断，比较需要更新的任务与原任务是否相同，若相同则无需更新，若不相同则进入步骤2；

步骤2.本地任务搜索，在可重塑终端中搜索是否存在需要更新的任务，若存在，则装载并运行任务，若不存在则进入步骤3；

步骤3，远程任务搜索，在云端任务中心搜索是否存储了任务代码供所述应用相关硬件硬件下载执行，若不存在则远程任务搜索失败，报告用户所需任务不存在，若存在相应任务则进入步骤4；

步骤4，任务下载，将需要更新的任务从云端任务中心下载至可重塑终端中；

步骤5.任务装载，将与应用相关的任务装载至可重塑终端的配置存储器中；

步骤6，任务运行，装载与应用相关的任务并执行新的任务。