CN104539631A - 一种信息交换及高速传输的实现方法及其模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种信息交换及高速传输的实现方法及其模块，该方法包括：服务器通过多个传输接口与相应的传感器网络连接，从传感器获取数据，所述多个传输接口采用不同的数据接口类型，同时服务器使用多种接口与本地客户端相连接；每个接口均可接入不同的传感器，可以模拟量输出信号进行采集。本发明支持多种数据接口类型、扩展性和通用性强，具有很好的可复用性。

Description

一种信息交换及高速传输的实现方法及其模块

技术领域

本发明涉及数据采集，特别涉及环境数据采集与高速传输。

背景技术

环境数据采集是采集传感器输出的模拟环境数据信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后进行相应的计算和处理，得出所需的数据。各种各样的环境数据采集方法已被广泛的应用到环保行业。根据不同的采集对象和要求，数据采集系统可以有多种设计和实现方案。这些方案主要有两大类，一类是以单片机、其他嵌入式系统为基础进行设计，另一类是以工控机嵌入数据采集卡为基础进行设计。这些设计中所使用的控制器和传感器的硬件平台、参数、接口及软件结构都不尽相同，尤其是数据的传输和处理方式也有很大的差异，这种多样性的特点虽然可以满足局部数据采集的要求，但是却不利于被采集数据的共享、分析和管理。

因此，针对相关技术中所存在的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种信息交换及高速传输的实现方法，包括：

远程数据处理服务器通过多个传输接口与相应的传感器网络连接，从传感器网络获取需要采集的环境数据，所述多个传输接口采用不同的数据接口类型，同时远程数据处理服务器使用多种接口类型与本地客户端相连接，为客户端提供数据服务；在使用过程中，上位机确定端口连接的传感器网络的传感器类型、量程参数，通过对环境数据采集进行参数配置以进行数据采集；所述多个传输接口的每个接口均接入传感器网络中不同的传感器，对传感器的环境数据模拟量输出信号进行采集。

优选地，所述多个传输接口在对多种类型的环境传感数据进行采集时，采用整流器将各种传感器输出的模拟电信号均转换为恒定的电流信号，然后通过采样电阻进行电压采样，然后通过接口选择器进行轮询，在某一时刻只允许某一个传输接口的模拟量被采样保持，再经过模拟数字转换后传送到客户端的显示器显示采样结果，或通过串行接口发送采样的环境数据。

优选地，所述远程数据处理服务器与客户端之间使用C/S方式进行数据交互；对于所采集环境数据的分析、处理、存储和更新发布在远程数据处理服务器上进行；

利用UDP将客户端在服务器上注册，利用TCP进行客户端与服务器的数据更新，维护一张客户端在服务器上的注册链表，该数据链表对服务器上的数据进行实时的更新，并能通知在其上注册的客户端，使其客户端实时更新其本地数据，其中客户端注册和注销的过程如下:客户端启动应用程序时，向服务器进行注册，即发送UDP数据包表示注册，服务端接收到此数据包后进行解析，发送当前时间给客户端并以此作为客户端所注册的ID号，同时将客户端信息抽象成结构体，作为链表节点插入服务器所维护的客户端信息链表；注册之后，客户端申请与服务器建立TCP链接，准备交互数据，数据交互之后，服务端关掉链接，当服务端数据有所更新时，服务端会给所有在其上注册的客户端发送UDP数据包表示更新；当客户端关闭应用程序时，会向服务端进行注销，即发送UDP数据包表示注销，服务端接收到此报后进行解析，从维护的客户端信息链表中删除此客户端的节点；服务器与客户端传递数据时，采用单连接模型，即每次传递新建一个TCP连接，服务器把数据全部发过去，客户端读取，读完之后关闭连接，采用多线程创建专门的线程来处理每一个阻塞进程的socket函数，使整个线程组中实现了socket的并发处理。

优选地，所述远程数据处理服务器与各传输接口交互并采集数据的同时，还负责完成本地人机界面交互以及与多个客户端进行数据通信，各传输接口负责与相应的传感器通信；服务器与多个传输接口通过四条线采用一对多的方式进行连接，分别是数据信号线、同步信号线、中断信号线和地线；当需要交互数据时，首先将中断信号线上的电平拉低并保持足够长的时间后再将其拉回高电平，即发出一个外部中断信号，所有传输接口接收到这个外部中断信号后，转入自己的外部中断处理过程，然后处理模块与各传输接口通过数据信号线和同步信号线进行数据交互；

所述数据交互过程包括：1、服务器先将欲访问的传输接口的地址码以一个字节发送出去，只有与该地址对应的传输接口才会发回响应，其他传输接口退出中断处理过程；2、若接收到传输接口的响应，则继续将其他数据发往该传输接口；3、若所发数据要求传输接口返回数据，则在发送完数据之后马上转入数据接收状态；而传输接口将数据发送给服务器后结束本次数据交互过程。

根据本发明的另一方面，公开了一种实现上述方法的模块，包括：

远程数据处理服务器单元，用于通过多个传输接口与相应的传感器网络连接，从传感器网络获取需要采集的环境数据，

所述多个传输接口，采用不同的数据接口类型，连接传感器网络；

客户端单元，用于与远程数据处理服务器单元使用多种接口类型相连接，接收服务器单元提供的数据服务；

上位机单元，确定端口连接的传感器网络的传感器类型、量程参数，通过对环境数据采集进行参数配置以进行数据采集；

传感器单元，由多个传输接口的每个接口接入该传感器单元中不同的传感器，对传感器的环境数据模拟量输出信号进行采集。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

在参考现有通用数据采集模型的基础上，设计了一种支持多种数据接口类型的、扩展性和通用性强的数据采集系统架构，支持多种数据接口类型，同时也具有很好的可复用性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的信息交换及高速传输的实现方法的流程图。

具体实施方式

下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。

本发明的一方面提供了一种信息交换及高速传输的实现方法。图1是根据本发明实施例的一种信息交换及高速传输的实现方法流程图。如图1所示，实施本发明的具体内容如下：

本发明首先设置一台远程数据处理服务器，该服务器通过不同的传输接口与相应的传感器网络连接，从传感器网络获取需要采集的数据。不同的传输接口可以采用不同的数据接口类型，从而实现了对多种数据传输方式的支持。同时服务器可以使用RS232等接口与本地客户端相连接，为客户端提供各种数据服务。服务器与客户端之间可使用C/S方式进行数据交互；若采用以太网卡的方式，则可以将远程数据处理服务器通过防火墙接入Internet，远程客户端可以灵活使用C/S或B/S的方式进行数据访问。对于所采集数据的分析、处理、存储和更新发布，可以在远程数据处理服务器上进行，也可以专门增设一台数据处理服务器完成这部分工作，新增设的数据处理服务器既可以作为本地客户端也可以作为远程客户端，从远程数据处理服务器上获取所需原始数据。

服务器与客户端之间使用C/S方式进行数据通信的过程进一步包括：利用UDP将客户端在服务器上注册，利用TCP进行客户端与服务器的数据更新。维护一张客户端在服务器上的注册链表，从而实现客户端在服务器上的注册和注销功能。该数据链表，能对其进行实时的更新，并能通知在其上注册的客户端，使其客户端也能实时地更新其本地数据。利用多进程或多线程模型实现客户端注册或注销，数据更新等功能。其中客户端注册和注销的过程如下:

1、客户端启动应用程序时，须向服务器进行注册，即发送UDP数据包表示注册，服务端接收到此数据包后进行解析，发送当前时间给客户端并以此作为客户端所注册的ID号，同时将客户端信息抽象成结构体，作为链表节点插入服务器所维护的客户端信息链表。

2、注册之后，客户端申请与服务器建立TCP链接，准备交互数据。数据交互之后，服务端关掉链接。当服务端数据有所更新时，服务端会给所有在其上注册的客户端发送UDP数据包表示更新。之后重复此步操作。

3、当客户端关闭应用程序时，会向服务端进行注销，即发送UDP数据包表示注销，服务端接收到此报后进行解析，从维护的客户端信息链表中删除此客户端的节点。

根据实际情况的需求，将每个节点抽象称一个链表节点。维护数据文件使用链表数据结构。

服务器与客户端传递数据时，采用单连接模型，即每次传递新建一个TCP连接，服务器把数据全部发过去，客户端读取，读完之后关闭连接。服务器发送数据的时候要发送一个特殊的字符，这样客户端要遍历这个字符串把数据的名字剔除来，然后再要求服务器传此数据的文件内容。下载完成后，客户端断开连接，服务器等待下一次的连接。

服务端数据的更新必然要对客户端的数据进行更新，数据的更新必然要保证其可靠性，所以此处选择TCP协议。当客户端跟服务器建立连接时，即表明服务端数据有所更新，服务器会从链表维护本地数据库中查找出更新的数据，将数据逐一发送给客户端，采用多线程方法，创建专门的线程来处理每一个阻塞进程的socket函数，比如一个线程只执行函数accept等待并完成客户端的连接申请，另一个线程则执行函数recv等待客户端的信息发送，虽然每个线程都处于阻塞状态，但一旦某个socket描述符的状态发送变化时，它所在的线程都能在第一时间被激活并完成响应操作，这样使整个线程组中实现了socket的并发处理。

为了使用方便，本发明设计了64个传输接口，每个接口均可接不同的传感器，可以对温度、压力、流量等传感器的环境模拟量输出信号进行采集。为了节省硬件成本，多路传输接口共用一个模拟数字转换器，分时轮流进行数据采集。

实际使用过程中，只要在确定端口连接的传感器类型、量程等参数后，通过上位机进行参数配置，即可进行数据采集工作。数据采集采用开环系统，在对多种类型的数据进行采集时，为了保证数据采集的通用性，采用整流器将各种传感器输出的模拟电信号均转换为恒定的电流信号，然后通过采样电阻进行电压采样，接下来通过接口选择器进行轮询，在某一时刻只允许某一个传输接口的模拟量被采样保持，再经过模拟数字转换后传送到显示器显示采样结果或通过串行接口发送采样数据。

在硬件设计环节，每路传输接口的硬件结构完全相同，在软件设计时，可以根据所需采集的不同数据类型和数量，合理分配传输接口，配置相关参数，并编制相应的数据采集和处理程序。

将各种类型及不同量程的传感器通过相应的整流器将输出信号统一成恒定的电流信号，首先是考虑到采样端口的通用性，这样使传感器经整流器后的输出信号可以和任意数据采集端口相连，其次，当传感器与服务器距离较远时，涉及到信号传输问题，如果传感器的输出是电压信号，长距离的导线传输会引起原始信号的衰减，导致数据采集错误，尤其是在工业应用场合，还容易受到外界干扰，因此整流器的采用可以提高系统的稳定性和端口的通用性。

由于多路数据传输接口共用一个模拟数字转换器，采用分时轮流采集的方式进行模拟数字转换，每次模拟数字转换及数据处理时间约为10ms，因此，每一路数据传输接口的数据采集频率最高可达100Hz，可满足常用的温度、压力、流量等中低频变化的物理量数据采集要求。

1.远程数据处理服务器的设计

远程数据处理服务器的功耗很小，但是为了进一步提高系统的可靠性，在进一步的实施例中为其增设了一台UPS电源。所述远程数据处理服务器与各传输接口交互并采集数据的同时，还负责完成本地人机界面交互以及与多个客户端进行数据通信，各传输接口负责与相应的传感器通信；服务器与多个传输接口通过四条线采用一对多的方式进行连接，分别是数据信号线、同步信号线、中断信号线和地线；当需要交互数据时，首先将中断信号线上的电平拉低并保持足够长的时间后再将其拉回高电平，即发出一个外部中断信号，所有传输接口接收到这个外部中断信号后，转入自己的外部中断处理过程，然后处理模块与各传输接口通过数据信号线和同步信号线进行数据交互；

所述数据交互过程包括：1、服务器先将欲访问的传输接口的地址码以一个字节发送出去，只有与该地址对应的传输接口才会发回响应，其他传输接口退出中断处理过程；2、若接收到传输接口的响应，则继续将其他数据发往该传输接口；3、若所发数据要求传输接口返回数据，则在发送完数据之后马上转入数据接收状态；而传输接口将数据发送给服务器后结束本次数据交互过程。

采用这样的连接方式就使得传输接口可以非常灵活地进行扩展，不论传输接口采用何种类型的MCU来实现，只要其符合相应的接口时序和数据帧规范即可。

2.传感器网络和数据接口类型

传输接口通过连接特定类型的接口电路实现特定的数据传输方式，接口电路可以是RS232、蓝牙、GPRS等类型。根据接口电路类型的不同，传输接口有时只能对应一个传感器网络，如RS232传输接口；有时却可以同时对应多个传感器网络，如蓝牙、CAN等传输接口。这些传感器网络的接口电路和相应传输接口的接口电路必须同类型。传感器网络除了要和传输接口进行数据交互以外，同时还具有传感器数据采集功能、人机交互接口和与其他MCU进行交互的接口。

对于传输接口来说，由于接收服务器发来的指令并做出响应具有最高的优先级，一定要保证这一功能的实时性要求，故而将这一功能的实现放在了单片机的外部中断服务程序中去完成，这个中断的触发是由处理模块的特定引脚完成。而获取最新传感器网络信息并与之交互数据这一功能具有周期性的特点，故将其放在了单片机的2Hz定时中断服务程序中。主程序比较简单，在完成硬件的初始化工作之后，只需将外部中断和相应的定时器中断打开即可。接口电路采用了无线串口传输方式。

本发明在硬件设计上，主控芯片采用基于增强型精简指令集结构的低功耗8位CMOS微控制器。片内集成了16KB的Flash程序存储器、1K字节的SRAM、512字节的EEPROM；32个通用工作寄存器；2个8位的定时器；UART通用串行接口；SPI同步串行接口以及片内模拟比较器；且片内具有可编程看门狗定时器，具有很好的抗干扰能力。

模拟数字转换器采用10位的逐次逼近型ADC，用于进行模拟量到数字量的转换。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。ADC的参考电压源VREF反映了ADC的转换范围。片内的2.56V参考电压通过内部放大器产生。由于VREF的阻抗很高，因此只能连接容性负载，基准电压可以通过在外接引脚上增加一个电容进行解耦，以更好地提高参考电压的抗噪性。

系统采用片内2.56V基准电压作为VREF，各个接口均采用100Ω的精密电阻作为采样电阻，采样分辨率为2.5mv。实际测量过程中，例如针对量程为0～100℃温度传感器进行采样时，输出电流4～20mA，对应的采样电压为400～2000mv。

为了节省硬件管脚资源，接口选择器由一片3输入8输出译码器芯片和8个模拟开关芯片组成。每个模拟开关芯片为8路模拟开关，可选通8路传输接口。8片模拟开关采用并联方式，通过单片机编程，将模拟开关的选通信号和译码器产生的片选信号相结合，便可对多路传输接口进行选择。

在人机交互环节，用户将选用的传感器类型、量程以及该传感器占用的传输接口等信息通过上位机传递给数据远程数据处理服务器，服务器则根据相应信息进行数据采集和数据处理后将结果发送给上位机或直接进行显示。除上述公用硬件设备外，在针对特定的参数进行数据采集时，需要根据所需采集数据的量程范围、测量精度、分辨力等指标选用相应的传感器，并配备相应的整流器。

在软件设计方面，系统软件采用模块化的形式进行编程。主程序主要完成数据采集工作。主程序初始化内容包括CPU管脚配置、寄存器配置、用于定时器中断以及串行接口中断的特殊功能寄存器配置等。参数配置则是根据所选择的传感器类型、量程及传输接口等信息通过串行接口由上位机发送到传感器网络，然后由传感器网络进行数据匹配。模拟数字转换则根据当前选通的传输接口获取的信息进行模拟量到数字量的转换。数据处理则是根据此前参数配置的结果进行相应的计算，得到所采集的实际温度、压力、流量等数据信息，然后将结果存入设定的存储区域，等待显示子程序调用相应数据进行显示，或在传感器网络接收到发送采样数据命令后，将结果向上位机发送。定时器中断服务程序中设置显示程序标志位，以决定主程序中是否调用数据采集结果显示子程序。与上位机之间进行的串行通信采用异步通信方式，将数据打包进行发送。

根据本发明的另一方面，公开了一种实现上述方法的模块，包括：

远程数据处理服务器单元，用于通过多个传输接口与相应的传感器网络连接，从传感器网络获取需要采集的环境数据，

所述多个传输接口，采用不同的数据接口类型，连接传感器网络；

客户端单元，用于与远程数据处理服务器单元使用多种接口类型相连接，接收服务器单元提供的数据服务；

上位机单元，确定端口连接的传感器网络的传感器类型、量程参数，通过对环境数据采集进行参数配置以进行数据采集；

传感器单元，由多个传输接口的每个接口接入该传感器单元中不同的传感器，对传感器的环境数据模拟量输出信号进行采集。

综上所述，本发明提出了一种信息交换及高速传输的实现方法及其模块，在参考现有通用数据采集模型的基础上，设计了一种支持多种数据接口类型的、扩展性和通用性强的数据采集系统架构，支持多种数据接口类型，同时也具有很好的可复用性。

显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种信息交换及高速传输的实现方法，其特征在于，包括：

远程数据处理服务器通过多个传输接口与相应的传感器网络连接，从传感器网络获取需要采集的环境数据，所述多个传输接口采用不同的数据接口类型，每个接口均接入传感器网络中不同的传感器，对传感器的环境数据模拟量输出信号进行采集；同时远程数据处理服务器使用多种接口类型与本地客户端相连接，为客户端提供数据服务；在使用过程中，上位机确定端口连接的传感器网络的传感器类型、量程参数，通过对环境数据采集进行参数配置以进行数据采集。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个传输接口在对多种类型的环境传感数据进行采集时，采用整流器将各种传感器输出的模拟电信号均转换为恒定的电流信号，然后通过采样电阻进行电压采样，然后通过接口选择器进行轮询，在某一时刻只允许某一个传输接口的模拟量被采样保持，再经过模拟数字转换后传送到客户端的显示器显示采样结果，或通过串行接口发送采样的环境数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述远程数据处理服务器与客户端之间使用C/S方式进行数据交互；对于所采集环境数据的分析、处理、存储和更新发布在远程数据处理服务器上进行；

利用UDP将客户端在服务器上注册，利用TCP进行客户端与服务器的数据更新，维护一张客户端在服务器上的注册链表，该数据链表对服务器上的数据进行实时的更新，并能通知在其上注册的客户端，使其客户端实时更新其本地数据，其中客户端注册和注销的过程如下:客户端启动应用程序时，向服务器进行注册，即发送UDP数据包表示注册，服务端接收到此数据包后进行解析，发送当前时间给客户端并以此作为客户端所注册的ID号，同时将客户端信息抽象成结构体，作为链表节点插入服务器所维护的客户端信息链表；注册之后，客户端申请与服务器建立TCP链接，准备交互数据，数据交互之后，服务端关掉链接，当服务端数据有所更新时，服务端会给所有在其上注册的客户端发送UDP数据包表示更新；当客户端关闭应用程序时，会向服务端进行注销，即发送UDP数据包表示注销，服务端接收到此报后进行解析，从维护的客户端信息链表中删除此客户端的节点；服务器与客户端传递数据时，采用单连接模型，即每次传递新建一个TCP连接，服务器把数据全部发过去，客户端读取，读完之后关闭连接，采用多线程创建专门的线程来处理每一个阻塞进程的socket函数，使整个线程组中实现了socket的并发处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述远程数据处理服务器与各传输接口交互并采集数据的同时，还负责完成本地人机界面交互以及与多个客户端进行数据通信，各传输接口负责与相应的传感器通信；服务器与多个传输接口通过四条线采用一对多的方式进行连接，分别是数据信号线、同步信号线、中断信号线和地线；当需要交互数据时，首先将中断信号线上的电平拉低并保持足够长的时间后再将其拉回高电平，即发出一个外部中断信号，所有传输接口接收到这个外部中断信号后，转入自己的外部中断处理过程，然后处理模块与各传输接口通过数据信号线和同步信号线进行数据交互；

所述数据交互过程包括：1、服务器先将欲访问的传输接口的地址码以一个字节发送出去，只有与该地址对应的传输接口才会发回响应，其他传输接口退出中断处理过程；2、若接收到传输接口的响应，则继续将其他数据发往该传输接口；3、若所发数据要求传输接口返回数据，则在发送完数据之后马上转入数据接收状态；而传输接口将数据发送给服务器后结束本次数据交互过程。

5.一种实现权利要求1-4任一个的信息交换及高速传输的实现方法的模块，其特征在于，包括：

远程数据处理服务器单元，用于通过多个传输接口与相应的传感器网络连接，从传感器网络获取需要采集的环境数据，

所述多个传输接口，采用不同的数据接口类型，连接传感器网络；

客户端单元，用于与远程数据处理服务器单元使用多种接口类型相连接，接收服务器单元提供的数据服务；

上位机单元，确定端口连接的传感器网络的传感器类型、量程参数，通过对环境数据采集进行参数配置以进行数据采集；

传感器单元，由多个传输接口的每个接口接入该传感器单元中不同的传感器，对传感器的环境数据模拟量输出信号进行采集。