CN104869040A - 大容量物联网通信系统及物物间实时通信的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量物联网通信系统，包括主控制器、一级通信总线、与一级通信总线数量相同的区域控制器、多条二级通信总线和多个终端，主控制器与多条区域控制器通过一级通信总线连接，每个区域控制器下均连接多条二级通信总线，在每条二级通信总线上均连接有多个终端。该系统在实现物联网通信系统的层级扁平化的同时，大幅提高了系统的终端接入数量；降低了通信系统成本，提高了主物、物物之间通信的实时性。通过区域控制器授权班长的模式，实现了区域控制器下挂的多条总线，可以同时进行总线通信，提升了系统通信效率，有效的保障了物物、主物之间的通信实时性；区域控制器通过授权管理的模式，降低了自身的处理性能要求，降低了自身成本。

Description

大容量物联网通信系统及物物间实时通信的实现方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种大容量物联网通信系统及物物间实时通信的实现方法。

背景技术

在现有技术中，物联网在智能照明、智能楼宇、智能家居、智能交通、环境监测、公共安全、城市管理、工业监控等各个行业，均有大量的实际应用，并带来了智能、方便、舒适的各种良好用户体念。

完整的物联网系统包括终端节点(端)、通信系统(管)、主控制器(云)。通信系统(物物、物与主机之间的通信系统)是实现物“联网”的基础和核心；物物联网后，才能实现物与物之间、物与主机之间的信息交互，最终实现物联网系统的智能化、自动化、实时的管控功能。

对于大多数的物联网应用场景，终端(物)的数量往往很巨大，动辄几百、甚至成千上万个。虽然，任意2点(物物、或物主)间的通信带宽需求，一股都不太；但随着终端节点数的增加，整个网络的总带宽需求一股会成几何级数增加。如何实时的保障，任意物之间、或任意物与主控制器之间的通信请求，是一种挑战。

我们以停车场智能照明与车辆引导系统为例，简单说明下该物联网通信系统中，具体的通信需求及通信实时性要求。

停车场智能照明与车辆引导系统，是将停车场的照明与车位管理、车辆引导等统一进行智能管理的一个系统，该系统一股包括：

1、车位检测器、人体红外探测、地磁感应器、车辆指引屏、LED照明灯等终端，分布在停车场中；数量一股在几千甚至数万个。2、主控制器、以及多个区域控制器，并经过物联网通信系统，将所有终端节点连接起来。

停车场物联网系统的通讯需求及实时性要求一股有：

1、车位检测器，将有无停车等信息上报给主控制器；主控制器分区域统计各区域、及总的停车数量，控制路口指引屏的显示和指引；该通信实时性要求较低，一股数秒内，完成一轮数据的统计和指引屏的刷新即可。

2、系统可自动根据感应到的人、或者车辆进出情况，实时的开启相关联的LED照明灯；该通信的实时性要求较高，一股需要在100ms左右完成；但相关联的物与物，一股都集中在某个特定区域内；区域的边缘交接处，有少量的关联通信需求。

不同的物联网系统中，其通信结构千差万别。一股来说，采用总线级联的方式，有利于扩展物联网通信系统的终端节点容量。这里先介绍下KNX通信系统的结构，这是一种典型的多级总线结构。

KNX通信系统，通过三级通信总线，实现了多达数万个终端设备与主控制器之间的通信；或者通过区域耦合器、线路耦合器，实现了任意终端之间的通信。

其一级总线，实现了主控制器，和任意区域耦合器之间通信的物理连接通道；二级总线，实现了区域耦合器与任意线路耦合器之间通信的物理连接通道；三级总线，实现了线路耦合器与任意终端之间通信的物理连接通道。任意终端与终端之间，均可以通过区域耦合器、线路耦合器的透传，实现物物通信；或者实现主控制器与任意终端之间的通信。

总线型通信方式中，由于各节点的负载驱动能力、节点间距离等限制，导致每级总线上的节点数受限(比如RS485总线，一股只能驱动32个负载)。虽然每级总线的节点数不多，但KNX通信系统，采用3级总线结构，极大的扩展了系统中总的终端节点数量。

这种多级通信结构，在智能楼宇等系统中有大量应用。但是，随着物联网技术的发展，以及应用需求往自动化、智慧化(通信需求更多的在物物之间，而不是主物之间)，以及实时性(更好的用户体念)，超大容量(多种传感器、多种受控设备共存)等方向发展，以KNX为代表的多级总线通信的系统结构，存在以下待改进点：

1、三级通信总线的结构，主物之间、物物之间的通信转发层级偏多，应进一步扁平化；比如，采用2级通信总线实现，省去大量的线路耦合器，降低系统设计成本。同时，扁平化后，任意终端之间、终端与主控制器之间的通信转接次数，也将减少，更有利于提高系统通信的实时性。

2、KNX通信系统，采用任意终端的主动触发事件的模式；若同时有多个终端需发出通信请求时，采用“CSMA/CD协议(载波监听多路访问/冲突检测)”来避免总线冲突。该协议方式，在总线上终端上报信息不频繁的应用场景比较有效。而在大型物联网系统中，特别是多个感应器可能同时受到同一个因素触发时，会存在突发的多个终端节点的通信请求；此时，冲突检测协议，将导致事件触发模式的延迟时间大幅度增加，无法达成实时通信的目标。

3、区域耦合器、线路耦合器，只承担信息透传和中继的功能；对所在区域的线路耦合器，或线路上的终端，没有起到管理、控制的作用。

还有一种“一主多从”的通信模式——任何从节点，都不会无序的发送信息；所有的通信活动，都在主的控制和引导下完成的；该通信方式，所有从节点发送信息的时隙受控，直接避免了总线通信冲突。而一主多从通信协议也具有其相应的问题。

Modbus协议(“一主多从”的通信模式)，通过主节点控制总线的通信节奏，有效避免了总线冲突；但也存在一些待改进点：

1、从节点与从节点之间的通信，需要通过主节点进行中转，影响通信效率。

2、若从节点的数量过于庞大，那么，主节点对从节点的管控难度极大；同时主节点的中转工作任务过重。这对主节点的CPU处理能力，以及总线通信速率的要求都将提高；否则将无法满足系统实时性的要求。

发明内容

针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种二级总线通信系统，并且针对物联网系统中要求的物物之间实时通信需求提供具体的实现方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种大容量物联网通信系统，包括主控制器、多条一级通信总线、与一级通信总线数量相同的区域控制器、多条二级通信总线和多个终端，所述主控制器与多条区域控制器通过一级通信总线连接，每个区域控制器下均连接多条二级通信总线，在每一个二级通信总线上均连接有多个终端。

一种基于权利要求1所述通信系统的物物间实时通信的实现方法，所述主控制器通过区域控制器转发完成与任一终端之间的通信；同一条二级总线上的终端之间直接经过该总线实现信息交互；同一区域控制器下、不同二级通信总线上的终端之间通过所述控制器转发实现信息交互；不同区域控制器下的终端之间通过终端所对应的区域控制器各自转发后实现信息交互。

优选地，区域控制器授权相应各条二级通信总线上的任一终端为班长，通过班长进行总线上的通信节奏控制。

优选地，主控制器和任一终端节点直接通信时，绕过作为班长的终端，直接由区域控制器作为主控制器与终端节点的转发通道。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：

本发明实施例中超大容量的物联网通信系统，通过区域控制器直接下挂多条二级通信总线，在有效实现了物联网通信系统的层级扁平化的同时，大幅度提高了系统的终端接入数量；该通信系统结构降低了通信系统成本，提高了主物、物物之间通信的实时性。通过区域控制器授权班长的模式，实现了区域控制器下挂的多条总线，可以同时进行总线通信，极大的提升了系统通信效率，有效的保障了物物、主物之间的通信实时性；另外，区域控制器通过授权管理的模式，也降低了自身的处理性能要求，降低了区域控制器模块的成本。

附图说明

图1为本发明大容量物联网通信系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1和实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明提供一种二级总线构成的物联网通信系统，主要包括：

1、主控制器和多个区域控制器，通过一级通信总线实现相互通信。考虑到区域控制器与主控制器、或区域控制器之间的通信量较大，一级通信总线，一股采用较高的通讯速率，比如10Mbps。在一级通信带宽较高的前提下，一级总线上允许的区域控制器的数量，就可以进一步扩大，不必受KNX总线的定义约束；例如：采用Homeplug GP标准的电力线载波通信协议，总线上可实现255个节点共总线通信。

2、每个区域控制器，直接下挂多条二级通信总线；即：区域控制器下的终端节点，可通过不同的总线，直接和区域控制器通信，实现了整个通信系统的扁平化。相比于KNX的三级总线系统，本发明的通信系统，还减少了大量的线路控制器(耦合器)，降低了系统成本。区域控制器直接下挂多条总线的方式，在降低成本的同时，更简化了系统通信层级：区域控制器可与下挂的任意终端节点直接通信对话。

终端节点间实时通信的实现：

本发明实现的通信协议，在继承主从通信系统模式(从节点的通信节奏由主节点控制)的基础上，结合系统通信结构的扁平化，做了进一步的发明和改进，保障了主节点到任意终端、终端与终端之间的通信的实时性：

1、主控制器到任意终端之间的通信，通过区域控制器转发一次即可完成。因通信层级的扁平化，极大的提高了主控制器与终端之间通信的实时性。

2、在同一条二级总线上的终端之间的通信，直接经过该总线实现信息交互。区域控制器通过授权班长(管控总线内的通信节奏)模式，实现了区域控制器下的多条总线可并行开展终端之间的通信，有效提升了二级总线上的物物通信实时性。

本发明继承了一主多从的通信模式，即终端(从节点)的信息发送节奏，由主节点控制。本发明提供的二级总线结构中，区域控制器，同时掌管多条二级通信总线。但是，如果由区域控制器，担任多条二级通信总线的主节点，意味着区域控制器需同时组织x条总线的通信节奏，区域控制器的处理能力会成为瓶颈。故本发明方案中，由区域控制器，授权各条二级通信总线上的某一个终端(比如终端1)为班长，由班长进行总线上的通信节奏控制。因每条通信总线物理上独立，且由不同的班长进行组织通信(避免了由区域控制器逐条总线来组织通信)；这样，多条通信总线，就可以同时并行开展总线内的通信。通过区域控制器授权班长组织通信的模式，实时、快速的实现了多条总线内部的终端与终端之间的通信。

同时，区域控制器可根据需要，授权/取消班长的总线通信节奏的控制权。特别是当主控器需要和某终端节点直接通信时，无需要班长参与，直接由区域控制器做主控制器与终端节点的转发通道即可。这保持了系统的扁平化结构，保证了主控制器与终端之间的通信实时性。

3、对于同个区域控制器下，跨不同总线间的终端的实时通信(这类通信需求一股不多)，由区域控制器转发实现。同区域下的任意2个终端，均只需要经由区域控制器，做1次转发，这有效保证了通信的实时性。相比于KNX系统需要经过多级线路耦合器和区域耦合器转发的模式，本发明提供方案的实时性得到了极大提升。

4、对于在不同区域控制器之间的终端的通信需求，由双方的区域控制器各自转发后实现。即区域控制器A获取相关终端节点的通信信息后，通过一级通信总线，发送给关联的区域控制器B，再由区域控制器B转发给对应的目的终端。

1)、主控制器和任意终端之间的实时通信的实现流程：

在物联网通信系统中，主控制器与任意终端之间，往往需要实时的进行信息交互，该类通信任务的优先级最高。如：对终端的控制指令的下发，或者查询终端的状态、告警、传感数据等信息。由于本发明系统中的二级总线，均采取主从通信的模式，每级的通信过程，都是由主节点发起；那么，主控制器与终端之间的通信，如何经过区域控制器转发，需要特殊处理。这里分别描述控制指令下发(信息下行)、信息查询(信息上行)这2种方式的通信实现：

1、主控制器对终端的控制指令的下发过程。A、主控制器往一级通信总线上发出控制指令，目标地址为目的终端对应的区域控制器；B、目的终端对应的区域控制器，收到相关控制指令后，给出接收响应信号(主控制器若未收到区域控制器的响应，应进行指令重发，避免指令丢失，提高通信可靠性)。C、区域控制器，接收到下行控制指令后，将主控制器下发的控制指令，通过对应的二级通信总线，下发给目的终端；D、目的终端接收到控制指令，返回接收响应信号给区域控制器(区域控制器若未收到终端的响应，应进行指令重发，避免指令丢失，提高通信可靠性)。这样，主控制器，通过区域控制器的转发，实现了控制指令的实时下发。

2、主控制器对任意终端的实时查询过程。A、主控制器向目的终端对应的区域控制器，发出特定参数的查询任务；B、区域控制器接收到该查询任务后，先返回接收响应信号，表明已经接收到该指令。C、区域控制器，下发查询指令给目的终端；D、目的终端解析区域控制器的指令含义，并及时将待查询的信息返回给区域控制器。E、区域控制器，返回查询结果给主控制器(该返回信息的发送时刻，仍然在主控制器的掌控之下，仍然符合一主多从的通信规则，避免一级总线的信息冲突)。这样，主控制器，通过区域控制器的实时查询任务就完成了。

由于主控制器和任意终端之间的通信，只需要经过区域控制器一次转发，有效的保障了通信的实时性。

2)、二级通信总线内的终端节点之间的实时通信的实现流程：

总线内终端之间的通信，因物理上共总线，可以直接经总线交互信息。而各终端节点发送信息的时隙，则由区域控制器授权班长组织分配。

总线内终端节点之间的实时通信的实现流程为：

A、关联通信关系树的下发。在系统初始化配置阶段，主控制器(经由区域控制器)，逐个给每个终端下发，与其相关联的其他终端的地址及获取信息类型。

B、区域控制器下发指令，授权班长组织总线内的通信节奏控制；并在指令中明确总线通信的间隔时间、起止时刻，通信信息类型，等。

C、班长根据授权要求，按规定间隔(比如100ms)，反复启动总线内通信活动。

D、各终端节点，在收到班长的指令后，在规定的时隙发送相关的通信信息(如：状态、请求、响应等信息)。

E、各终端节点，实时监听总线上的通信数据；实时获取其关联终端的信息，并做出相应的响应。

一轮D、E的过程，即完成了总线内多组终端之间的通信过程。因班长组织的每轮通信活动，间隙比较短，有效保障了终端间信息交互的实时性。

3)区域控制器内不同总线间的终端之间的实时通信的实现：

实际应用环境中，多数的物物通信需求，发生在同总线内的不同终端之间；但是，也会有少量的跨总线的终端之间需要进行通信。同区域控制器下挂的跨总线间的物物之间的通信实现过程，由区域控制器转发来实现：

A、关联通信关系树的下发。在系统初始化配置阶段，主控制器(经由区域控制器)，逐个给每个终端下发，与其相关联的其他终端的地址及获取信息类型，等；对于区域控制器内的跨总线间的终端，区域控制器中，亦需要保存跨总线终端之间的关联关系树。

B、区域控制器(在班长组织通信的间隙)，定时对需跨总线通信的终端下发指令，获取其相关的通信信息；然后通过目的终端所在的二级总线，将信息转发给相关联的终端；完成跨总线间的终端通信。

区域内跨总线间的通信，需要通过区域控制器进行通信转发，实现略复杂，实时性也会有所降低；但是，跨总线通信需求量比较少，且区域控制器直接和不同总线的终端对接，实时性仍然可以得到保障。

4)、跨区域间的终端之间的实时通信的实现：

在一些特殊应用情况下，可能还存在跨区域控制器的终端之间的物物通信需求。跨区域的物物通信的实现过程，由双方的区域控制器共同参与通信和转发来实现：

A、关联通信关系树的下发。在系统初始化配置阶段，主控制器(经由区域控制器)，逐个给每个终端下发，与其相关联的其他终端的地址及获取信息类型，等；对于跨区域的关联终端，双方的区域控制器中，均需要保存跨区域的终端关联关系树。

B、发送方的区域控制器(在班长组织通信的间隙)，定时对需跨区域通信的终端下发指令，获取其通信信息。

C、在一级通信总线的通信过程中(通信节奏由主控制器组织)，源终端对应的区域控制器，将跨区域的终端通信信息转发到一级通信总线上。

D、接收端的区域控制器，实时监听一级通信总线上，其他区域控制器广播的相关终端的信息；并提取其下属终端的关联终端的信息。

E、接收端的区域控制器，将从一级通信总线上获取的通信信息，通过二级通信总线，转发给对应的终端；完成跨区域控制器的终端之间的通信。

跨区域间的终端间的通信，需要通过经过2级区域控制器进行通信转发，实现稍复杂，实时性也会有所降低；但是，跨区域的通信需求量极少，且一级通信总线(区域控制器之间)采用宽带通信，通信的实时性仍然可以得到保障。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种大容量物联网通信系统，其特征在于，包括主控制器、多条一级通信总线、与一级通信总线数量相同的区域控制器、多条二级通信总线和多个终端，所述主控制器与多条区域控制器通过一级通信总线连接，每个区域控制器下均连接多条二级通信总线，在每一个二级通信总线上均连接有多个终端。

2.一种基于权利要求1所述通信系统的物物间实时通信的实现方法，其特征在于，所述主控制器通过区域控制器转发完成与任一终端之间的通信；同一条二级总线上的终端之间直接经过该总线实现信息交互；同一区域控制器下、不同二级通信总线上的终端之间通过所述控制器转发实现信息交互；不同区域控制器下的终端之间通过终端所对应的区域控制器各自转发后实现信息交互。

3.根据权利要求2所述的物物间实时通信的实现方法，其特征在于，区域控制器授权相应各条二级通信总线上的任一终端为班长，通过班长进行总线上的通信节奏控制。

4.根据权利要求3所述的物物间实时通信的实现方法，其特征在于，主控制器和任一终端节点直接通信时，绕过作为班长的终端，直接由区域控制器作为主控制器与终端节点的转发通道。