CN104750068A - 一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置，包括处理控制模块，处理控制模块包括指令处理单元、数据处理单元、至少一组第一类接口、至少一组第二类接口、一组第五类接口以及一组第六类接口：第五类接口与外部控制设备通信连接、第一类接口与传感器分别通信连接以配合指令处理单元用于传感器参数配置与查询、传感器与处理控制模块固件升级以及反馈信息上报；第二类接口与传感器分别通信连接、第六类接口与外部服务端通信连接以配合数据处理单元用于采集多路传感器的数据并转发送至外部服务端处理。该装置将传感器的控制网络化，同时传感器的数据模块化，对外提供统一接口，形成对传感器进行动态配置、数据处理、对外交互等的智能化控制平台。

Description

一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种数据处理程序，尤其涉及多节点数据的处理与控制技术。
背景技术
目前的多节点传感器网络中，都是通过探测器与控制模块的混合设计，将专用电子电路和嵌入式软件系统融合一体完成探测器的供给和功能，传统的传感器控制模块往往都基本只具备数据传输功能或者固定化的数据处理模式，比如在PET领域所使用的传感器中，可以只发送数据或者做能量窗、时间窗的筛选；在能谱仪传感器中，控制模块做多道能谱分析。传统的传感器控制器都是固定好的配置参数，包括电压，增益，阈值等。
随着技术的不断发展，传感器网络节点中，需要配置的软件版本不断更新，使得安装在应用现场的传感器网络节点往往需要进行软件升级，同时由于应用场合或者需求不同，需要得到的数据输出也往往会有差别，故控制模块的数据处理模式以及控制模块自身的外设参数也往往需要对应进行升级。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置，将传感器的控制网络化，同时传感器的数据模块化，对外提供统一接口，形成一种对传感器进行动态配置、智能监控、数据处理、对外交互、固件升级等的智能化控制平台。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置，包括用于数据交互、参数配置和固件升级的处理控制模块，所述处理控制模块中包括指令处理单元以及烧入用于多路传感器数据采集、转发的数据处理程序的数据处理单元、至少一组第一类接口、至少一组第二类接口、一组第五类接口以及一组第六类接口；所述第五类接口与一外部控制设备通信连接、所述至少一组第一类接口与所述多个传感器分别通信连接以配合所述指令处理单元用于所述传感器的参数配置与查询、所述传感器与处理控制模块的固件升级以及反馈信息的上报；所述至少一组第二类接口与所述多个传感器分别通信连接、所述第六类接口与一外部服务端通信连接以配合所述数据处理单元用于采集所述多路传感器的数据并转发送至所述外部服务端处理。
所述数据处理程序还包括预处理步骤，所述预处理步骤在采集与转发之间执行，包括筛选、过滤、算法实现、标记、封包、组包、缓存、发包数据操作的一种或者多种组合。
所述处理控制模块还包括至少一组第三类接口，所述第三类接口为预留控制接口以用于所述多个传感器、处理控制模块的工作状态监测模块的接入与处理；
优选的，所述工作状态监测模块为传感器和/或处理控制模块工作温度监测模块、传感器和/或处理控制模块环境湿度监测模块、传感器和/或处理控制模块风扇控制模块、传感器和/或处理控制模块电压控制模块、传感器和/或处理控制模块ID信息确认模块中的一种或多种组合。
所述第一类接口以及第二类接口的数量对应所述多个传感器的数量设置，所述每一个传感器分别经由一组第一类接口、一组第二类接口与所述处理控制模块通信连接。
所述指令处理单元为用于参数配置和固件升级的第一控制器，所述数据处理单元为用于多路传感器数据交互的第二控制器，所述一组第五类接口、至少一组第一类接口设置于所述第一控制器上，所述一组第六类接口以及至少一组第二类接口设置于所述第二控制器上，所述第三类接口设置于所述第一控制器或所述第二控制器上。
所述第一控制器和所述第二控制器为MCU(Micro Control Unit，微控制单元)、DSP(digital signal processing，数字信号处理器)、CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)中的任意一种。
所述第二控制器为FPGA，所述数据处理程序烧入至所述第一控制器的FLASH中，，所述第一控制器与所述FPGA之间分别对应设置第四类接口，所述第四类接口包括J401接口与J402接口，所述J401接口用于所述第一控制器与所述FPGA之间固件配置数据的传输，所述J402接口用于所述第一控制器与所述FPGA之间业务数据的传输；
优选的，所述J401接口为PS模式配置接口，所述J402接口为短距数据传输接口，所述短距数据传输接口为RS232接口、SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)、I2C(Inter－Integrated Circuit)、GPIO(General Purpose Input Output、通用输入/输出)、FSMC(FlexibleStatic Memory Controller，可变静态存储控制器)、(Embedded Panel Interface、嵌入式面板接口)、LOCAL BUS(局部总线)中的任意一种。
优选的，所述第一控制器为MCU，第二控制器为FPGA。
所述第一控制器和/或所述第二控制器设有一第七类接口，所述第七类接口为外设扩展接口以连接外设控制单元用于RAM以及FLASH的扩展。
优选的，所述第七类接口包括用于扩展SRAM的FSMC接口以及用于扩展FLASH的SPI接口或I2C接口。
所述第一类接口、第二类接口、第三类接口、第五类接口以及第六类接口为RS232接口、RS485接口、以太网接口、CAN接口、光纤接口、SPI、I2C、GPIO、FSMC中的任意一种；
优选的，所述外部控制设备以及外部服务端集成一体设置；
所述数据传输及控制装置应用于PET设备，为PET设备中前端电子学系统的控制装置，所述处理控制模块分别经由至少一组第一类接口以及至少一组第二类接口分别与所述前端电子学系统中的探测器对应通信连接以用于所述传感器的参数配置、查询与固件升级以及反馈信息的上报。
一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)初始化，处理控制模块上电后，配置所述处理控制模块时钟与外设、配置所述传感器的初始参数、加载数据处理程序以进行数据采集与传输，所述多路传感器的数据经由所述数据处理程序初步处理后转发送至所述外部服务端；
(2)所述处理控制模块监测、接收、解析并处理所述外部控制设备发送的控制指令：
(2-1)若判断所述控制指令为指定传感器参数的查询和/或配置，则经由与指定传感器通信连接的第一类接口查询和/或配置指定传感器的参数信息并经由所述第五类接口反馈至所述外部控制设备处理；
(2-2)若判断所述控制指令为指定传感器的固件升级，则处理控制模块经由所述第五类接口下载指定传感器的升级程序后，指定传感器经由与其通信连接的第一类接口下载升级程序并配置；
(2-3)若判断所述控制指令为处理控制模块的升级，则处理控制模块下载升级程序并配置至所述处理控制模块中。
所述步骤(2-3)中，第一控制器经由第五类接口判断是否进行处理控制模块自身升级：(2-3-1)若第一控制器判断为第一控制器自身升级时，所述第一控制器经由所述第五类接口从外部控制设备中下载第一控制器升级程序并配置；(2-3-2)若第一控制器判断为第二控制器升级时，所述第一控制器经由所述第五类接口从外部控制设备中下载第二控制器的升级程序并经由所述J401接口配置至所述第二控制器中；
或，所述步骤(2-3)中，所述第一控制器经由第五类接口、所述第二控制器经由第六类接口分别判断是否进行处理控制模块自身升级：(2-3-1′)若第一控制器判断为第一控制器自身升级，则所述第一控制器经由所述第五类接口从外部控制设备中下载第一控制器升级程序并配置；(2-3-2′)若所述第二控制器判断为第二控制器自身升级，则所述第二控制器经由所述第六类接口从外部控制设备中下载第二控制器升级程序并配置。
(3)传感器工作状态监测与处理步骤：所述处理控制模块实时经由所述其中一第三类接口接收所述传感器工作状态监测模块传输的传感器工作状态实时参数数据后，上报至所述外部控制设备，所述外部控制设备或所述处理控制模块根据传感器性能与参数模型以动态改变传感器配置参数以使所述传感器处于最佳工作状态。
所述传感器性能与参数模型预先存储于所述外部控制设备中，所述外部控制设备根据所述传感器性能与参数模型动态改变指定传感器的配置参数并经由步骤(2)下发至所述指定传感器中以使传感器处于最佳工作状态。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
(一)本发明所示的一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置及控制方法，作为一通用化平台，在不改变整体硬件结构的前提下，可适应性来配置传感器的参数，通过在线改变固件就可以让传感器单元能适用各种不同的领域的，同时适应性的进行数据传输及控制装置自身的升级，改变传感器数据的采集处理与传输，以根据使用者实际需要得到预期的结果，具体分析如下：
(1)根据客户需求或者应用场景，在不改变整体硬件结构的前提下，自主决定各个传感器的工作模式、参数以及固件升级、配置传感器的功能，最优配置传感器，实时监控传感器，优化传感器性能。
传感器的工作模式配置：处理控制模块(第一控制器)中预先统计传感器的工作情况，通过大数据分析得出各个传感器的最优工作状态，从而建议最优的配置文件来配置传感器，上电初始化的过程中，处理控制模块(第一控制器)对各路传感器分别配置其最优的参数及工作模式，从而使得各传感器按照预定功能工作；
指定传感器的参数查询与配置，初始化后，处理控制模块(第一控制器)接受并分析外部控制设备发送的查询和/或配置指定传感器参数的指令后，经由与指定传感器相连的第一类接口进行传感器参数的查询和/或配置，并进行反馈。
传感器的固件升级：指定传感器的动态升级，根据应用需求来改变或者自定义传感器的使用：初始化后，当需要改变指定传感器的功能时，外部控制设备发送指令至处理控制模块(第一控制器)，处理控制模块(第一控制器)解析指令后，经由与指定传感器通信连接的第一类接口将从外部控制设备下载的特定程序烧到指定传感器中，从而实现该指定传感器的升级即功能的转变。
传感器的实时监控与优化：初始化后，处理控制模块(第一控制器)可自动读取传感器的状态，对传感器的环境数据、能耗、电源质量进行记录监测和实时控制，使得传感器工作信息清晰可见，同时，处理控制模块(第一控制器)将监控信息发送至外部控制设备中，从而可根据传感测器性能与参数的模型来动态改变传感器配置参数。
(2)对n个传感器模块的数据根据实际需求进行采集、处理以及传输。上电初始化的过程中，处理控制模块(第一控制器)在对第一、第二控制器时钟、各自外设(即各个接口的技术指标)以及传感器参数进行配置后，同时对第二控制器进行固件烧写，将数据预处理程序烧入第二控制器中，数据预处理程序的目的根据需要设置，可包括采集、预处理，包括筛选、过滤、算法实现、标记、封包、组包、缓存、发包等一系列数据操作的一种或者多种的组合，然后第二控制器在基于例如FPGA、SRAM、DDR、PHY的数据采集和处理中心，用于将传感器的数据按照数据预处理程序的预设目的进行采集、处理以及传输。
同时，第一控制器还可实现对第二控制器的在线升级，在第二控制器中根据具体需求烧入不同功能的数据预处理功能，在处理控制模块(第二控制器)内实现各种实时数据处理算法平台和数据封装平台：实时数据处理算法平台通过提供一系列算法IP，能提供用户各种组合选择；数据封装平台能提供一系列标准协议接口，同时提供用户自定义接口。
(3)第一控制器还可实现对第一控制器的在线升级，由于统预留第三类接口，第三类接口的接入设备不同，初始化过程中处理控制模块(第一控制器)需要配置的外设指标也不同，且当需要改变指定传感器的功能时，处理控制模块(第一控制器)配置传感器参数的程序也要对应改变，故需要对第一控制器进行升级，从而可根据控制处理模块的实际功能需要有效合理的配置第一、第二控制器的外设以及传感器的参数。
(二)、本发明还公开了一种PET设备，包括前端电子学系统、多节点传感器网络的数据传输及控制装置以及外部控制系统，所述外部控制系统包括用于程序存储及指令发送的外部控制设备以及包含符合处理系统的外部服务端，所述数据传输及控制装置的多个第一类接口分别与所述前端电子学系统的多个探测器通信连接、第五类接口与所述外部控制设备通信连接以用于传感器、数据传输及控制装置的固件配置和升级，所述数据传输及控制装置的多个第二类接口分别与所述前端电子学系统的多个探测器通信连接、第六类接口与所述外部服务端通信连接用于多路探测器的数据采集、传输与处理。
(1)基于可编程、可定制的算法中心作为数据预处理平台，能对探测器进行多通道的数据采集，同时对数据处理具有更高的灵活性，能自由对数据进行预处理，标记，筛选，封包。
(2)允许所有探测器模块都在线接入外部控制设备，实时与外部控制设备进行数据、控制命令交互，同时完成探测器和数据传输及控制装置的参数配置，固件升级，便于数据传输及控制装置实时反馈探测器的异常状态，保证系统的正常工作。
(3)数据传输及控制装置能够自动读取探测器的状态，对探测器的环境数据、能耗、电源质量进行记录监测和实时控制，使得探测器工作信息清晰可见。
附图说明
图1为本发明所示的数据传输及控制装置第一实施例的结构示意图；
图2为图1所示实施例的工作流程图；
图3为本发明所示的数据传输及控制装置第二实施例的结构示意图；
图4为图3所示实施例的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
第一实施例中，本发明公开了一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置，如图1所示包，其括用于数据交互、参数配置和升级的处理控制模块110，该处理控制模块110为一体式结构的处理器，通用性强，允许所有传感器140都在线接入集中外部控制设备120，实时与外部控制设备120进行数据、控制命令交互，使得对各个传感器140按照预先设定的功能进行参数配置后，实现对多个传感器140的多路通道的数据采集，同时对数据处理具有更高的灵活性，能自由对数据进行预处理，标记，筛选，封包，此外，还能同时完成传感器140和处理控制模块110的参数配置及固件升级，在不改变硬件设备的前提下，根据使用需要改变指定传感器140的功能以及按照需求进行数据采集处理和传输。
具体的，上述处理控制模块110包括指令处理单元以及数据处理单元、至少一组第一类接口J101～J10n、至少一组第二类接口J201～J20n、一组第五类接口J500以及一组第六类接口J600。
其中第五类接口J500与数据传输及控制装置的外部控制设备120通信连接以用于控制报文、数据报文的下发以及反馈信息的上报；外部控制设备120将控制命令以及固件升级程序(包括但不限于传感器140、处理控制模块110的升级指令及程序、指定传感器140的某一参数信息查询等)，通过J500下发给处理控制模块110的指令处理单元，指令处理单元将相关控制信息通过J500上报给外部控制设备120。第五类接口J500可为RS232接口、RS485、以太网接口、CAN接口、光纤接口、SPI、I2C、GPIO、FSMC中的任意一种，本实施例中，优选的，第五类接口J500为CAN接口或者IP接口。
至少一组第一类接口J101～J10n与多个传感器140分别通信连接以配合指令处理单元、外部控制设备120用于传感器140的参数查询、配置和升级；外部控制设备120通过第五类接口J500、指令处理单元以及J101～J10n分别实现对传感器1401～传感器140n的控制，包括设置传感器140的阈值，对传感器140进行归一化校正，根据环境变化动态设置传感器140的相关参数，使传感器140工作在最佳状态等，第一类接口J101～J10n可为RS232接口、RS485、以太网接口、CAN接口、光纤接口、SPI、I2C、GPIO、FSMC中的任意一种，本实施例中，优选的，J101～J10n均为RS232接口且数量对应传感器140的数量设置以便于各个传感器140与控制处理模块之间的信息交互。
至少一组第二类接口J201～J20n与传感器140分别通信连接以配合数据处理单元用于接收多路传感器140数据的采集，第六类接口J600与外部服务端130通信连接以将数据处理单元初步处理后的多路传感器140数据传输至外部服务端130在进行后续的处理。处理控制模块110的FLASH中烧入一用于数据采集以及传输的数据处理程序即形成数据处理单元以用于实现多个传感器140数据的采集与转发送，数据处理程序中还包括介于采集与传输之间执行的预处理步骤，预处理包括筛选、过滤、算法实现、标记、封包、组包、缓存、发包数据操作的一种或者多种组合，且上述数据处理程序可根据使用者需要进行更新，经由外部控制设备120或者其他设备烧入至处理控制模块110中从而根据不同情况获得预期的数据流。
上电后，数据处理程序在初始化过程中加载成功，处理控制模块110的数据处理单元开始经由从第二类接口J201～J20n分别采集多路传感器140的原始数据，然后经过预处理步骤对原始数据初步处理，预处理结果可根据需要烧入不同的数据处理程序，一般包括多路输出变为一路、筛选、过滤、算法实现、标记、封包、组包、缓存、发包等一系列数据操作的一种或者多种的组合。在常规使用过程中，处理控制模块110中预先烧入预处理步骤已经确定的数据处理程序，这样设置在使用时可提高工作效率同时节约成本，处理控制模块110中也可根据外部控制指令，初始化后进行处理控制模块110的更新，即经由J500接口或J600接口从外部服务设备中下载至处理控制模块110中，然后在进行多路传感器140的数据采集、处理与传输。
n个传感器140的数据分别通过J201～J20n将原始数据输入给处理控制模块110，处理控制模块110接收到各传感器140的数据后，通过数据采集程序中的预处理步骤进行传感器140的数据预处理，然后在将这些数据经由J600接口传输出去，第二类接口J201～J20n与第六类接口J600可为RS232接口、RS485、以太网接口、CAN接口、光纤接口、SPI、I2C、GPIO、FSMC中的任意一种，本实施例中，考虑到各传感器140与处理控制模块110之间的数据传输量较大，故第二类接口J201～J20n与第六类接口J600设置为千兆以太网接口，此外，第二类接口J201～J20n的数量对应多个传感器140的数量设置。
此外，本实施例中，处理控制模块110还预留至少一组第三类接口，第三类接口为预留控制接口以用于多个传感器140、处理控制模块110的工作状态监测模块的接入与处理，从而监控并及时调整配置传感器140以及处理控制模块110的工作参数，使之处于最优工作状态。工作状态监测模块为传感器140和/或处理控制模块110工作环境温度监测模块、传感器140和/或处理控制模块110环境湿度监测模块、传感器140和/或处理控制模块110风扇控制模块、传感器140和/或处理控制模块110电压控制模块、传感器140和/或处理控制模块110的ID信息确认模块中的一种或多种组合。本实施例中，设置一组第三类接口用以与传感器140的工作状态监测模块通信连接，通过实时监测传感器140所处的参数，根据传感器140性能与参数模型来动态改变传感器140配置参数，让传感器140始终处于最优工作状态。
同时，从节约成本及便于操控角度出发，外部控制设备120以及外部服务端130集成一体设置为服务器，服务器的FLASH中存储有传感器140升级程序、处理控制模块110的升级程序、数据处理程序、传感器140性能与参数模型等维持所有传感器140以及处理控制模块110始终正常工作所必要的程序以根据用户需要将指定的程序配置至指定的硬件设备中。
以下以多节点传感器据传输及控制装置包括对应传感器140数量设置的多组第一类接口与第二类接口、与监控传感器140的工作状态监测模块通信的一组第三类接口、用于固件升级以及传感器140参数数据配置与查询的第五类接口以及用于数据传输的第六类接口的结构对第一实施例所示的一体式结构的数据传输及控制装置的控制方法进行说明，如图2所示：
(1)初始化，正常工作时，首先对处理控制模块110上电，上电后，处理控制模块110进行初始化，包括处理控制模块110的时钟、外设即各个接口的参数配置、数据处理程序加载以及各个传感器140的工作参数配置。
预先统计传感器140的工作情况，通过大数据分析得出各路传感器140的最优工作状态，从而在初始化中按照建议最优的配置文件来配置各路传感器140。其中各路传感器140的最优配置文件一般预先存储在处理控制模块110中。初始化成功后，由于数据处理程序已经加载成功，故处理控制模块110开始经由J201～J20n进行多路传感器140数据采集与预处理，然后在经由第六类接口J600发送到外部服务端130处，从而得到预期的初步传感器140数据。
(2)传统的传感器的控制器都是固定好的配置参数，包括电压，增益，阈值等，本发明所示的多节点传感器网络的数据传输及控制装置，在上述传感器140的数据采集、处理与传输过程中，处理控制模块110同时还经由第五类接口监测、接收外部控制设备120发送的控制指令以及时根据需求进行传感器140或者自身的软件及参数的调整，以使得传感器140始终处于最佳的工作状态中：
(2-1)若判断所述控制指令为指定传感器140参数的查询与配置，则经由第一类接口查询和/或配置指定传感器140的参数并经由所述第五接口反馈至所述外部控制设备120处理。
若处理控制模块110判断外部控制设备120下发的指令为指定传感器140的某一工作参数例如电压值的查询，则经由与该指定传感器140通信连接的第一类接口发送查询指令至传感器140处，传感器140查询到指定参数信息后再次经由与其通信连接的第一类接口反馈至处理控制模块110中，处理控制模块110在将该参数信息通过第五类接口发送至外部控制设备120中进行显示。
若处理控制模块110判断外部控制设备120下发的指令为指定传感器140的工作参数配置，则处理控制模块110经由第五类接口下载参数配置信息，并通过与指定传感器140通信连接的第一类接口J10n配置至传感器140中，然后将配置成功的信息沿原路返回至外部控制设备120中，以告知操作者配置成功。
(2-2)若判断外部控制设备120发出的控制指令为指定传感器140的升级指令时，则处理控制模块110装置经由所述第五类接口J500下载指定传感器140的升级程序并经由与该指定传感器140相连的第一类接口J10n配置至所述指定传感器140中，进行指定传感器140参数配置。
若处理控制模块110判断外部控制设备120下发的指令为指定传感器140的升级指令时，与传感器140参数配置类似，处理控制模块110经由第五类接口下载指定传感器140的升级程序，并通过与指定传感器140通信连接的第一类接口J10n配置至传感器140中，然后将配置成功的信息沿原路返回至外部控制设备120中，以告知操作者该传感器140已升级成功。
(2-3)若判断所述控制指令为处理控制模块110的升级，则数据传输及控制装置经由所述第五类接口J500下载升级程序并配置至所述数据传输及控制装置中。
当处理控制模块110增设接口或指定传感器140升级时，处理控制模块110自身也需要升级以在初始化后，各接口以及传感器140能够正常工作，若处理控制模块110判断外部控制设备120下发的指令为处理控制模块110自身的升级指令时，处理控制模块110经由第五类接口下载处理控制模块110的升级程序并进行配置。
(3)在上述传感器140的数据采集、处理与传输过程中，处理控制模块110同时还经由第三类接口J30n进行传感器140外部参数监测与处理，为传感器140的正常工作提供电源配置、电源管理、工作状态监控与上报等，实现传感器140的全面监护。
处理控制模块110经由所述第三类接口接收所述传感器140工作状态监测模块传输的实时参数数据后，处理控制模块110将上述实时参数数据经由第五类接口上传至外部控制设备120通中以告知使用者各传感器140的实时工作状态，同时，外部控制设备120或处理控制模块110中预存储了传感测器性能与参数模型，通过将指定传感器140的工作状态实时参数代入至传感测器性能与参数的模型中，判断是否需要进行传感器140参数的重新配置，若需要重新配置，则根据传感测器性能与参数的模型来动态更正传感器140配置参数，使得传感器140始终处于最优工作状态。
其中传感测器性能与参数模型是经由多次模拟实验统计获得，考虑到其需要处理的数据量较大，一般的，传感测器性能与参数模型设置在外部控制设备120中，当外部控制设备120判断需要重新配置指定传感器140器的工作参数时，经由步骤(2)下发至指定传感器140中，以降低处理控制模块110的工作任务量，提高整个装置处理与反应速度。
通过本发明所示的一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置，最终可在有效实现多路传感器140的数据采集、处理与传输的同时，变传感器140的被动接受为主动控制，在不改变硬件前提下，可对对各路传感器140以及自身的软件部分进行适应性的调整，通用性与兼容性能高。其让所有传感器140都通过智能模块成为在线独立的单元。用户可通过外部控制设备120对各个传感器140进行访问、控制、交互；收集、采集传感器140状态信息；局部数据统计分析；下载更新固件来完成传感器140的功能、流程改变以应对不同的应用场景。
考虑到如要同时实现上述多个进程的控制，则对处理控制模块的性能要求较高，对应的，处理控制模块的研发以及制造成本很大，故第二实施例中，本发明还公开了一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置，如图3所示，其处理控制模块分为用于参数配置和升级的第一控制器218以及用于数据交互的第二控制器219，第一控制器218包括一组第五类接口、至少一组第一类接口以及指令处理单元，第二控制器219包括一组第六类接口以及至少一组第二类接口以及数据处理单元，第三类接口设置于第一控制器218或第二控制器219，数据处理程序也可预先烧入第一控制器218或者第二控制器219的FLASH中存储。
考虑到由于需要处理的进程或数据太多，可能出现第一控制器218或者第二控制器219处理能力不足的情况，故第一控制器218和/或第二控制器219还设有一第七类接口J700，第七类接口为外设扩展接口以连接外设控制单元用于RAM以及FLASH的扩展，当第一控制器218经由第七类接口设置外设FLASH时，上述数据处理程序一般烧入至外设FLASH中，其中第七类接口包括用于扩展RAM的FSMC接口以及用于扩展FLASH的SPI接口或I2C。
上述第一控制器218与第二控制器219为镜象设置，使用时功能可互换，分别用于数据和指令的控制。
第一控制器218和第二控制器219可以为MCU、DSP、CPLD、FPGA中的任意一种，平衡成本与效率后，本实施例所示的处理控制模块中，第一控制器218可为MCU、DSP、CPLD中的任意一种以实现传感器240的最优配置及在线管理、在线固件升级维护的功能，第二控制器219为FPGA以用于多路传感器的数据交互。
当第二控制器219为FPGA时，考虑到每次断电后，FPGA内存储的数据丢失，故数据处理程序预存储在第一控制器218中，第一控制器218、第二控制器219之间设置第四类接口以用于数据与指令的交互。第四类接口分别包括J401接口与J402接口，其中J401接口用于第一控制器218与第二控制器219之间固件配置数据(包括数据处理程序以实现FPGA的多路传感器240的数据采集与传输功能)的传输，J402接口用于第一控制器218与第二控制器219之间业务数据的传输即第二控制器219外设的配置数据的传输以及第一、第二控制器219之间非升级性的数据的传输，作为一优选的方案，J401接口为PS模式配置接口，J402接口为短距数据传输接口，短距数据传输接口为RS232接口、SPI、I2C、GPIO、FSMC中的任意一种。当第二控制器219为FPGA时，，上电时，第一控制器218中的
以下以第一控制器218为MCU，第二控制器219为FPGA提供可编程、可定制算法的中心作为数据处理平台对第二实施例所示的多节点传感器网络的数据传输及控制装置进行进一步的说明。
以下以第一控制器218为采用ARM构架的MCU，第二控制器219为FPGA对上述分体式结构的多节点传感器网络的数据传输及控制装置的控制方法进行说明，如图4所示：
(1)初始化，上电后，配置第一控制器218与第二控制器219时钟与外设、配置传感器240的初始参数以及加载数据处理程序。
若数据处理程序预先烧入至第一控制器218中，则第一控制器218经由J401接口将数据预处理程序传输至第二控制器219中并加载，从而FPGA可实现多路传感器240的数据的采集，并且经由数据处理程序初步处理后传输至外部服务端230；若第一控制器218中并未提前烧入数据处理程序，则初始化完成后，第一控制器218经由第五类接口J500从外部控制设备220中下载数据处理程序并经由J401接口将数据处理程序加载至第二控制器219中，然后在进行多路传感器240的数据采集、处理与传输。
(2)初始化后，处理控制模块在进行传感器240数据的采集、处理与传输的同时，第一控制器218还经由第五类接口监测、接收、解析并处理外部控制设备220发送的控制指令，具体步骤如下：
(1-1)第一控制器218自主配置所述处理控制模块(包括第一控制器218与第二控制器219)的时钟与外设；
(1-2)第二控制器219加载数据处理程序；
(1-3)第一控制器218配置并检测所述传感器工作电压以使得所述传感器240成功上电，然后第一控制器218配置传感器240的初始工作参数以使得传感器开始工作并发送数据；
(1-4)所述多路传感器240的数据经由所述数据处理程序采集预处理后通过所述第六类接口转发送至所述外部服务端230进行后续处理。
经由本发明所示的多节点传感器网络的数据传输及控制装置传输至外部服务端230的数据类型与数量符合使用者的需求时，初始化完成后，本发明所示的数据传输及控制装置即可正常的进行数据采集与转发工作，无需做其他调整，但是当传感器240的工作场合或者客户的需求发生变化时，则本发明所示的数据传输及控制装置还可根据具体情况，通过第五类接口实时监测、接收、解析并处理外部控制设备220发送的控制指令以根据具体工作状态的反馈自主调整或根据客户的需求做出适应性调整，自主决定各个传感器240的工作模式、参数和固件、第一控制器218和第二控制器219的工作参数。
(2-1)当第一控制器218判断其接收到的控制指令为指定传感器240参数的查询与设置，则第一控制器218经由第一类接口查询和/或设置指定传感器240的指定参数，并将查询和/或设置的反馈信息通过第五类接口J500发送至所述处理控制模块处理。
(2-2)当第一控制器218判断外部控制设备220发送的控制指令为指定传感器240的升级，则根据控制指令经由第五类接口J500下载指定传感器240的升级程序并经由与指定传感器240相连的第一类接口J10n将升级程序配置指定的传感器240中，从而根据需要动态调整传感器240的功能与作用。
外部控制设备220将各传感器240的配置参数通过第五类接口(本实施例中为以太网通讯)下发到第一控制器218(ARM控制板)，第一控制器218(ARM控制板)将外部处理设备下发的所有配置和固件存储在本地的文件系统中，然后第一控制器218(ARM控制板)通过与指定传感器240配合的第一类接口J10n将需要升级传感器240的工作模式、参数和固件下发，待下发完成后各传感器240的控制单元完成自身的升级，以此完成传感器240阵列固件的更新，实现不同的探测功能。
(2-3)若第一控制器218判断控制指令为处理控制模块自身的升级，则第一控制器218经由第一类接口下载升级程序并配置至处理控制模块中。
(2-3-1)若第一控制器218判断控制指令为第一控制器218自身升级时，第一控制器218经由第五类接口从外部控制设备220中下载第一控制器218升级程序并配置；外部控制设备220将第一控制器218(ARM控制板)的固件通过以太网通讯下发到第一控制器218(ARM控制板)，第一控制器218(ARM控制板)将外部控制设备220下发的所有配置和固件存储在本地的文件系统中并进行自身升级；
(2-3-2)若第一控制器218判断控制指令为第二控制器219升级时，第一控制器218经由第五类接口从外部控制设备220中下载第二控制器219的升级程序并经由J401通道配置至第二控制器219中。应用适应性的固件能在线烧写入ARM平台，进而ARM动态加载FPGA实现特定自定义的算法模块和探测器数据处理流程。
此外，若第二控制器219为MCU、DSP、CPLD中的任意一种时，第二控制器219也可直接经由第六类接口与外部控制设备220通信，当判断为第二控制器219自身的升级时，外部控制设备220将第二控制器219的固件通过以太网通讯下发到第二控制器219，第二控制器219将外部控制设备220下发的所有配置和固件存储在本地的文件系统中并进行自身升级
(3)传感器240参数的动态配置。考虑到多路传感器240数据的采集与传输过程中，由于工作时长、外部工作环境等因素，预先设置的传感器240并不能始终处于最优的工作状态，故本发明所示的数据传输与控制装置通过第三类接口来实现传感器240参数的动态配置。
初始化后，在本发明所示的数据传输及控制装置正常进行数据采集与转运的过程中，还可经由第三类接口对传感器以及自身的工作状态进行监测与调控。若第三类接口设置于第一控制器218上时，第一控制器218经由第三类接口接收传感器240工作状态监测模块传输的实时参数数据后以实时监控传感器240的工作状态，同时，第一控制器218根据传感器240性能与参数模型来动态改变传感器240配置参数；当第三类接口设置于第二控制器219上时，第二控制器219经由第三类接口接收传感器240工作状态监测模块传输的实时参数数据后：第二控制器219根据传感器240性能与参数模型来动态改变传感器240配置参数；或，第二控制器219将实时参数数据经由J402通道将每个传感器240实时参数数据传输至第一处理器单元，第一控制器218根据传感器240性能与参数模型来动态改变传感器240配置参数。一般的，传感器240工作状态监测模块包含电压检测，电流检测，功率检测和温度、湿度检测等监测，能够实时监测传感器240器的电源状态，环境状态。同时，可以根据获得的监护信息对探测器进行实时校准，保证传感器240的最佳性能。
第三实施例中，本发明还公开了一种PET设备，本发明所示的多节点探测器网络的数据传输及控制装置用于PET设备中，为PET设备中前端电子学系统的控制装置，用于前端电子学系统中多个探测器发送数据的采集与传输。处理控制模块分别经由至少一组第一类接口以及至少一组第二类接口分别与所述前端电子学系统中的探测器对应通信连接以用于探测器的参数配置、查询与固件升级以及反馈信息的上报。具体的，应用该数据传输及控制装置的PET设备包括前端电子学系统、多节点探测器网络的数据传输及控制装置以及外部控制系统，外部控制系统包括用于程序存储及指令发送的外部控制设备以及用于图像重建的外部服务端，数据传输及控制装置的多个第一类接口分别与所述前端电子学系统的多个探测器通信连接、第五类接口与所述外部控制设备通信连接以用于探测器、数据传输及控制装置的固件配置和升级，所述数据传输及控制装置的多个第二类接口分别与所述前端电子学系统的多个探测器通信连接、第六类接口与所述外部服务端通信连接用于多路探测器的数据采集、传输与处理。
以下以PET设备包括第二实施例中所示的分体式结构的数据传输及控制装置进行对本发明所示的PET设备做进一步的说明。
其中，前端电子学系统包括多路探测器，外部控制系统即外部控制设备和外部服务端一体化设置，优选为服务器，数据传输及控制装置包括第一控制器与第二控制器。
第一控制器基于ARM+Linux平台，硬件架构包括Cortex M4内核的ARM外挂SRAM形成最小系统，控制多路可编程电压模块，结合电压、电路、温湿度探测器，控制信息通信采用双路CAN总线，软件系统采用SafeRTOS实时操作系统，为用户提供API接口，完成以下三个方面主要工作：①提供探测器正常工作的基本需求：多路电源配置，探测器参数配置；②提供探测器有效工作保障：实时监护；③提供稳定工作基础：利用监护信息和已知探测器性能模型对探测器进行最佳性能校正。
第二控制器采用FPGA为核心，根据用户应用需求，在FPGA内部实现不同的数据获取流程，不同的数据处理机制和不同的数据输出格式。在数据输入和数据输出接口方面，第二类接口以及第六类接口均为千兆网络接口保证足够的数据通道。其主要包括算法平台、数据处理流程和数据输出结构三部分。①算法平台：根据用户的应用，提供固定模式下的算法包，同时提供自定义算法功能。在PET领域可实现位置、时间、能量信息计算，能实现能量窗的设定等。②数据处理流程：根据用户需求，提供特定数据处理流程，如在PET领域中的能量计算、能量窗筛选，固定大小组包发送等。③数据输出结构：根据用户需求，提供自定义数据格式的封包、标记和数据输出。能实现标准TCP、UDP、CAN总线等标准格式数据包和各种自定义格式的数据包。
同时，第一控制器、第二控制器配合实现自定义固件动态维护。自定义探测器固件动态维护用于实现探测器的在线升级，根据应用不同，自主改变固件来实现不同的探测方式。目前主要包括：①控制信息的CAN总线控制：将所有的多节点探测器网络的数据传输及控制装置作为独立的单元挂载在CAN总线上，方便阵列化探测器和探测器组的逐一控制。通过CAN总线，能将控制信息进行在外部控制设备和数据传输及控制装置之间双向的传递，同时将探测器的固件按照固定的协议写入处理控制模块中，从而改变ARM和FPGA的程序，实现多样化的探测器功能。②探测器阵列的网络化访问：在多个探测器构成阵列时，能通过CAN总线和CAN总线交换机对所有探测器定点进行访问和控制。③固件信息(包括ARM和FPGA)的自动化加载：应用适应性的固件能在线烧写入ARM平台，进而ARM动态加载FPGA实现特定自定义的算法模块和探测器数据处理流程，从而完成整个探测器组件的固件更新，根据应用需求来改变或者自定义探测器的使用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种多节点传感器网络的数据传输及控制装置，其特征在于：包括用于数据交互、参数配置和固件升级的处理控制模块，所述处理控制模块包括指令处理单元以及数据处理单元、至少一组第一类接口、至少一组第二类接口、一组第五类接口以及一组第六类接口：
所述第五类接口与一外部控制设备通信连接、所述至少一组第一类接口与所述多个传感器分别通信连接以配合所述指令处理单元用于所述传感器的参数配置与查询、所述传感器与处理控制模块的固件升级以及反馈信息的上报；
所述至少一组第二类接口与所述多个传感器分别通信连接、所述第六类接口与一外部服务端通信连接以配合所述数据处理单元用于采集所述多路传感器的数据并转发送至所述外部服务端处理。
2.根据权利要求1所述的数据传输及控制装置，其特征在于：所述数据处理单元还包括预处理步骤，所述预处理步骤在采集与转发之间执行，包括筛选、过滤、算法实现、标记、封包、组包、缓存、发包数据操作的一种或者多种组合。
3.根据权利要求1所述的数据传输及控制装置，其特征在于：所述处理控制模块还包括至少一组第三类接口，所述第三类接口为预留控制接口以配合所述指令处理单元用于所述多个传感器、处理控制模块的工作状态监测模块的接入与处理；
优选的，所述工作状态监测模块为传感器和/或处理控制模块工作温度监测模块、传感器和/或处理控制模块环境湿度监测模块、传感器和/或处理控制模块风扇控制模块、传感器和/或处理控制模块电压控制模块、传感器和/或处理控制模块ID信息确认模块中的一种或多种组合。
4.根据权利要求1所述的数据传输及控制装置，其特征在于：每组处理控制模块的第一类接口以及第二类接口的数量对应该组处理控制模块下挂的传感器的数量设置，所述每一个传感器分别经由一组第一类接口、一组第二类接口与所述处理控制模块通信连接。
5.根据权利要求1所述的数据传输及控制装置，其特征在于：所述处理控制模块包括用于参数配置和固件升级的第一控制器以及用于多路传感器数据交互的第二控制器，所述第一控制器包括所述指令处理单元、一组第五类接口以及至少一组第一类接口，所述第二控制器包括所述一组第六类接口以及至少一组第二类接口，所述第三类接口设置于所述第一控制器或所述第二控制器上。
6.根据权利要求5所述的数据传输及控制装置，其特征在于：所述第一控制器和所述第二控制器为MCU、DSP、CPLD、FPGA中的任意一种。
7.根据权利要求5或6所述的数据传输及控制装置，其特征在于：所述第二控制器为FPGA，所述FPGA内用于采集所述多路传感器的数据并转发送至所述外部服务端处理的数据处理程序预先烧入至所述第一控制器中，所述第一控制器与所述FPGA之间分别对应设置第四类接口，所述第四类接口包括J401接口与J402接口，所述J401接口用于所述第一控制器与所述FPGA之间固件配置数据的传输，所述J402接口用于所述第一控制器与所述FPGA之间业务数据的传输；
优选的，所述J401接口为PS模式配置接口，所述J402接口为短距数据传输接口，所述短距数据传输接口为RS232接口、SPI、I2C、GPIO、FSMC、EPI、LOCAL BUS中的任意一种；
优选的，所述第一控制器为MCU，所述第二控制器为FPGA；
优选的，所述第三类接口设置于所述第一控制器上。
8.根据权利要求5或6所述的数据传输及控制装置，其特征在于：所述第一控制器和/或所述第二控制器设有一第七类接口，所述第七类接口为外设扩展接口以连接外设控制单元用于RAM以及FLASH的扩展；
优选的，所述第七类接口包括用于扩展SRAM的FSMC接口以及用于扩展FLASH的SPI接口或I2C接口。
9.根据权利要求1或5所述的数据传输及控制装置，其特征在于：所述第一类接口、第二类接口、第三类接口、第五类接口以及第六类接口为RS232接口、RS485接口、以太网接口、CAN接口、光纤接口、SPI、I2C、GPIO、FSMC中的任意一种；
优选的，所述外部控制设备以及外部服务端集成一体设置。
10.一种权利要求1至9任一项所述多节点传感器网络的数据传输及控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)初始化，处理控制模块上电后，配置所述处理控制模块时钟与外设、加载数据处理程序、配置所述传感器的初始参数，所述多路传感器的数据经由所述数据处理程序初步处理后转发送至所述外部服务端；
(2)所述处理控制模块监测、接收、解析并处理所述外部控制设备发送的控制指令：
(2-1)若判断所述控制指令为指定传感器参数的查询和/或配置，则经由与指定传感器通信连接的第一类接口查询和/或配置指定传感器的参数信息并经由所述第五类接口反馈至所述外部控制设备处理；
(2-2)若判断所述控制指令为指定传感器的固件升级，则处理控制模块经由所述第五类接口下载指定传感器的升级程序后，指定传感器经由与其通信连接的第一类接口从所述处理控制模块下载升级程序并配置；
(2-3)若判断所述控制指令为处理控制模块的升级，则处理控制模块下载升级程序并配置至所述处理控制模块中。
11.根据权利要求10所述数据传输及控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤(2-3)中，第一控制器经由第五类接口判断是否进行处理控制模块自身升级：(2-3-1)若第一控制器判断为第一控制器自身升级时，所述第一控制器经由所述第五类接口从外部控制设备中下载第一控制器升级程序并配置；(2-3-2)若第一控制器判断为第二控制器升级时，所述第一控制器经由所述第五类接口从外部控制设备中下载第二控制器的升级程序并经由所述J401接口配置至所述第二控制器中；
或，所述步骤(2-3)中，所述第一控制器经由第五类接口、所述第二控制器经由第六类接口分别判断是否进行处理控制模块自身升级：(2-3-1′)若第一控制器判断为第一控制器自身升级，则所述第一控制器经由所述第五类接口从外部控制设备中下载第一控制器升级程序并配置；(2-3-2′)若所述第二控制器判断为第二控制器自身升级，则所述第二控制器经由所述第六类接口从外部控制设备中下载第二控制器升级程序并配置。
12.根据权利要求10所述数据传输及控制装置的控制方法，其特征在于：还包括步骤(3)，传感器工作状态监测与处理步骤：所述处理控制模块实时经由所述其中一第三类接口接收所述传感器工作状态监测模块传输的传感器工作状态实时参数数据后，上报至所述外部控制设备，所述外部控制设备或所述处理控制模块根据传感器性能与参数模型以动态改变传感器配置参数，使所述传感器处于最佳工作状态；
优选的，所述传感器性能与参数模型预先存储于所述外部控制设备中，所述外部控制设备根据所述传感器性能与参数模型动态改变指定传感器的配置参数并经由步骤(2)下发至所述指定传感器中以使传感器处于最佳工作状态。
13.一种PET设备，包括前端电子学系统，其特征在于：还包括根据权利要求1至9所述的数据传输及控制装置以及外部控制系统，外部控制系统包括用于程序存储及指令发送的外部控制设备以及用于图像重建的外部服务端，所述处理控制模块分别经由至少一组第一类接口以及至少一组第二类接口分别与所述前端电子学系统中的探测器对应通信连接，经由所述第五类接口与所述外部控制设备连接以用于所述传感器的参数配置、查询与固件升级、反馈信息的上报，经由所述第六类接口和外部服务端通信连接以用于图像重建。
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