CN112769750A - 一种适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，包括，利用协议栈对消息队列进行消息冲突检测；若信道冲突，则进行冲突避让，直至信道不冲突时利用深度置信管理目标函数进行物理层的消息发送；根据消息发送的信号量等待节点应答，若协议栈接收到应答消息后，在中断处理函数中增加信号量并通知应用进程消息发送成功。本发明通过设置的深度置信管理目标函数进行数据分组以达到多协议进行时的信道冲突避让，加入时间间隔序列以保障发送的信息会及时发送而不会造成延时，并在消息发送前进行信息冲突检测进行保障，本发明降低了消息沉降或由信道冲突而无法发送的概率，提升了智能网关工作效率，具有一定的实时性。

Description

一种适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法

技术领域

本发明涉及智能网关协议栈数据发送的技术领域，尤其涉及一种适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法。

背景技术

在现有智能家居中，如空调、地暖、自动窗帘、调光灯、音响等家电设备，由于各个设备的生产厂家、生产时间和应用场合不同，这些设备所采用的的通讯协议也有很大的不同；现有的多协议转换智能网关通过协议类型判断绑定单元和数据转换单元根据数据发送设备和数据接收设备的通讯协议类型，将来自数据发送的源通讯协议数据转换为数据接收设备可识别的目标通讯协议数据，对源通讯协议和目标通讯协议的类型不加限制，对多种现有标准协议和厂家自定义协议数据进行转换。

但是，将其用于智能家居中的家电设备时，上位机在对每个家电设备进行故障信息查询和状态信息查询，上位机发送的查询指令通过接口单元发送到中央处理器中，中央处理器将查询指令经过转换分别下发到相应的家电设备中，其反馈的故障信息或状态信息经过中央处理器再次转换以通过接口单元反馈到上位机中，故障信息和状态信息查询传输发送的过程较长，反应速度较慢。因此存在一定的缺陷。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，能够解决现有多协议信息传输效率较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，利用协议栈对消息队列进行消息冲突检测；若信道冲突，则进行冲突避让，直至所述信道不冲突时利用深度置信管理目标函数进行物理层的消息发送；根据所述消息发送的信号量等待节点应答，若所述协议栈接收到应答消息后，在中断处理函数中增加所述信号量并通知应用进程所述消息发送成功。

作为本发明所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的一种优选方案，其中：进行所述消息冲突检测包括，初始化网络组建、主动控制、控制节点状态上报及智能网关轮询与节点删除。

作为本发明所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的一种优选方案，其中：所述冲突避让包括，当检测到所述信息冲突时，则进行一定的时延机制后再次进行检测，若所述信道空闲则进行发送。

作为本发明所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的一种优选方案，其中：包括，所述协议栈根据所述节点的地址设置发送间隔，若两个节点同时发送数据导致冲突时，则根据发送时刻不同成功发送，其中，定义发送最小时间间隔大于最大数据分组的传输时间，以保证发送数据分组与其他节点无重合时间。

作为本发明所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的一种优选方案，其中：设置所述深度置信管理目标函数包括，利用对比散度策略进行权值初始化，当k＝1时，随机初始化权值(W，a，b)，如下：

其中，W为权重向量，a是可见层的偏置向量，b为隐藏层的偏置向量，M为显元的个数，N为隐元的个数。

作为本发明所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的一种优选方案，其中：还包括，初始化来自正态分布N(0,0.01)的随机数，如下：

其中，pi表示训练样本中第i个样本处于激活状态(即取值为1)的样本所占的比例，而b可以直接初始化为0。

作为本发明所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的一种优选方案，其中：所述目标函数需进行调优训练，包括，将X赋给显层，计算其使隐层神经元被开启的概率；根据计算的概率分布进行Gibbs抽样，对所述隐藏层中的每个单元从{0,1}中抽取得到相应的值；利用所述抽取值重构所述显层，计算概率密度，再次进行所述Gibbs抽样；根据计算到的所述二次概率分布，再一次进行所述Gibbs采样，对所述显层中的神经元从{0,1}中抽取相应的值再次进行采样重构；利用重构后的显元，计算出隐层神经元被开启的概率；更新得到新的权重和偏置。

作为本发明所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的一种优选方案，其中：所述深度置信管理目标函数包括，输入层、隐藏层和输出层。

作为本发明所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的一种优选方案，其中：增加所述信号量包括，在所述深度置信管理目标函数中增加时间间隔序列τ和信号量θ，利用所述时间间隔序列τ分别对所述数据分组进行聚类，依次获得增强所述信号量θ的所述数据分组。

本发明的有益效果：本发明通过设置的深度置信管理目标函数进行数据分组以达到多协议进行时的信道冲突避让，加入时间间隔序列以保障发送的信息会及时发送而不会造成延时，并在消息发送前进行信息冲突检测进行保障，本发明降低了消息沉降或由信道冲突而无法发送的概率，提升了智能网关工作效率，具有一定的实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法的智能网关协议处理框架示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1和图2，为本发明的第一个实施例，提供了一种适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，包括：

S1：利用协议栈对消息队列进行消息冲突检测。其中需要说明的是，进行消息冲突检测包括：

初始化网络组建，智能网关与智能节点上电后进行初始化工作，智能网关监听入网帧，控制节点入网注册，入网后控制节点进入正常工作流程；

主动控制，手机或电脑端发送控制命令，智能网关接收后进行解析，通过433MHz射频网络发送至相应的控制节点，控制节点执行后反馈；

控制节点状态上报，控制节点转态改变或有信息需要主动上报时，智能网关接收上报信息，进行分析处理，并反馈给用户控件进程；

智能网关轮询与节点删除，智能网关中轮询进程每隔一定时间就会发送轮询信息至各个控制节点，控制节点应答，智能网关接收到应答后证明该控制节点工作正常，若没有接收到应答，则说明该节点出现故障或者主动离开，智能网关更新树形网络结构。

S2：若信道冲突，则进行冲突避让，直至信道不冲突时利用深度置信管理目标函数进行物理层的消息发送。本步骤需要说明的是，冲突避让包括：

当检测到信息冲突时，则进行一定的时延机制后再次进行检测，若信道空闲则进行发送；

协议栈根据节点的地址设置发送间隔，若两个节点同时发送数据导致冲突时，则根据发送时刻不同成功发送，其中，定义发送最小时间间隔大于最大数据分组的传输时间，以保证发送数据分组与其他节点无重合时间。

进一步的，设置深度置信管理目标函数包括：

利用对比散度策略进行权值初始化，当k＝1时，随机初始化权值(W，a，b)，如下：

其中，W为权重向量，a是可见层的偏置向量，b为隐藏层的偏置向量，M为显元的个数，N为隐元的个数；

初始化来自正态分布N(0,0.01)的随机数，如下：

其中，pi表示训练样本中第i个样本处于激活状态(即取值为1)的样本所占的比例，而b可以直接初始化为0；

深度置信管理目标函数包括，输入层、隐藏层和输出层；

目标函数需进行调优训练，包括：

将X赋给显层，计算其使隐层神经元被开启的概率；

根据计算的概率分布进行Gibbs抽样，对隐藏层中的每个单元从{0,1}中抽取得到相应的值；

利用抽取值重构显层，计算概率密度，再次进行Gibbs抽样；

根据计算到的二次概率分布，再一次进行Gibbs采样，对显层中的神经元从{0,1}中抽取相应的值再次进行采样重构；

利用重构后的显元，计算出隐层神经元被开启的概率；

更新得到新的权重和偏置。

S3：根据消息发送的信号量等待节点应答，若协议栈接收到应答消息后，在中断处理函数中增加信号量并通知应用进程消息发送成功。其中还需要说明的是，增加信号量包括：

在深度置信管理目标函数中增加时间间隔序列τ和信号量θ，利用时间间隔序列τ分别对数据分组进行聚类，依次获得增强信号量θ的数据分组。

参照图2，为本实施例说明的智能网关协议处理框架示意图，主要包括交换子单元和业务处理子单元，其中，交换子单元采用vxworks实时操作系统，承担低压台区、配电房场景下工业以太网交换机相关功能，提供虚拟局域网VLAN、镜像、mac地址管理、环网冗余、组播、sntp、qos、数据帧过滤、RSTP组网、网络管理、web管理、通信安全功能；其中，环网恢复时间应小于50ms,因此二层以太交换须采用实时操作系统，且该功能任务采用最高优先级，交换子单元提供串口+web配置功能，可配置vlan、镜像、环网冗余、组播、qos功能。

业务处理子单元采用嵌入式linux系统，负责智能网关数据采集、数据分析、数据处理以及数据转发功能，同时由于智能网关处于云-边-端物联网体系架构中间位置，作为端层和云平台联系的枢纽，不可避免的要将异构协议的终端层设备转换成统一的接入协议去对接平台，本实施例中的业务处理单元消息总线采用MQTT通信方式，可在低带宽、不可靠网络中提供可靠的消息传输服务，MQTT作为智能网关的消息中间件，为所有服务提供消息驱动的互联能力，负责为物联网设备的接入和鉴权提供支撑；业务处理单元实现的功能包括：云边协同代理、协议转换、边缘终端管理、台区监控、电气量采集、电能质量治理、无功补偿、视频监控、充电桩管理、微电网、数据路由和安全管理。

通俗的说，协议转换是智能网关支持接入各类工业协议或私有协议终端设备，提供标准接口驱动如RS485，PLC,以太，wifi，Lora，4G/5G，NB-IOT，对于私有协议，定义驱动的标准和规范，支持第三方将开发完成的自定义协议驱动上传至云端，云端通过应用部署的方式将驱动本身及相关配置下发至指定边缘节点运行，解决不同类型、不同通信协议的IoT终端设备接入边缘节点的问题；而安全管理则是智能网关通过PKI证书系统提供终端接入安全认证，同时通过国密算法提供端到端数据传输安全机制，对于本地数据存储，网关提供访问权限以及关键数据云备份机制来加强数据安全；本实施例中的交换子单元和业务处理单元作为两个独立的系统封装在同一设备内，采用以太总线通信，通信网关设计一个配置console口，该配置口实际是业务处理单元的console口，缺省状态通过这个配置口配置业务处理单元的相关参数，包括通信网关的IP以及其它接口PLC,RS485,WIFI,LORA,NB-IOT,4G/5G的参数，如果要配置交换单元的参数，那么需要使用特殊命令切换到交换单元的console口，再配置交换口的相关功能和参数。

优选的，业务处理单元处理采用容器+APP架构设计，不同业务优先级不一样，自动化业务优先级最高，环境、视频业务优先级较低，不同业务设计成独立的app，按照优先级运行在不同的容器内，相互之间影响降到最低，容器和app由边缘应用调度模块统一管理，包括拉取镜像、启动/停止容器、错误重试。具体架构组件如下表所示：

表1：软件架构中各组件说明表。

实施例2

为了更好地对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例中选择以传统的多协议网关转换方法与采用本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，验证本发明方法所具有的真实效果。

传统的多协议网关转换方法反应速度较慢，具有一定的消息延时和漏发缺陷，为验证本发明方法相对传统方法具有较高的效率和实时性，本实施例中将采用传统的多协议网关转换方法和本发明方法分别对仿真智能网关的信息传输进行实时测量对比。

测试环境：将智能网关运行在仿真平台模拟运行并模拟协议栈传输场景，采用ubuntu(社区活跃，资源丰富)、架构为arm7、C语言进行开发、集成python、Java vm运行环境，在容器内部包含systemd系统服务管理软件、coreutil、apt-get deb包管理工具、rsyslog日志服务、Cron服务、DHCP Client、SSH Service等基础工具，常用的开源软件包均可通过apt get命令从debian官方库获取；分别利用传统方法的多协议转换操作并获得测试结果数据，采用本发明方法，则开启自动化测试设备并运用MATLB实现本发明方法的仿真测试，根据实验结果得到仿真数据，每种方法各测试100组开源数据，计算获得每组数据的时间，与仿真模拟输入的实际预测值进行对比计算误差。结果如下表所示：

表2：效率对比数据表。

参照表2，能够直观的看出，在针对相同的测试条件基础上，传统方法的反应时间更长，故其效率性更低，而本发明相对于传统方法在反应速度上具有极大的突破，获得了意想不到的反应速度，是优选方案。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，其特征在于：包括，

利用协议栈对消息队列进行消息冲突检测；

若信道冲突，则进行冲突避让，直至所述信道不冲突时利用深度置信管理目标函数进行物理层的消息发送；

根据所述消息发送的信号量等待节点应答，若所述协议栈接收到应答消息后，在中断处理函数中增加所述信号量并通知应用进程所述消息发送成功。

2.根据权利要求1所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，其特征在于：进行所述消息冲突检测包括，初始化网络组建、主动控制、控制节点状态上报及智能网关轮询与节点删除。

3.根据权利要求1或2所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，其特征在于：所述冲突避让包括，当检测到所述信息冲突时，则进行一定的时延机制后再次进行检测，若所述信道空闲则进行发送。

4.根据权利要求3所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，其特征在于：包括，所述协议栈根据所述节点的地址设置发送间隔，若两个节点同时发送数据导致冲突时，则根据发送时刻不同成功发送，其中，定义发送最小时间间隔大于最大数据分组的传输时间，以保证发送数据分组与其他节点无重合时间。

5.根据权利要求4所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，其特征在于：设置所述深度置信管理目标函数包括，

利用对比散度策略进行权值初始化，当k＝1时，随机初始化权值(W，a，b)，如下：

其中，W为权重向量，a是可见层的偏置向量，b为隐藏层的偏置向量，M为显元的个数，N为隐元的个数。

6.根据权利要求5所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，其特征在于：还包括，

初始化来自正态分布N(0,0.01)的随机数，如下：

其中，p_i表示训练样本中第i个样本处于激活状态(即取值为1)的样本所占的比例，而b可以直接初始化为0。

7.根据权利要求6所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，其特征在于：所述目标函数需进行调优训练，包括，

将X赋给显层，计算其使隐层神经元被开启的概率；

根据计算的概率分布进行Gibbs抽样，对所述隐藏层中的每个单元从{0,1}中抽取得到相应的值；

利用所述抽取值重构所述显层，计算概率密度，再次进行所述Gibbs抽样；

根据计算到的所述二次概率分布，再一次进行所述Gibbs采样，对所述显层中的神经元从{0,1}中抽取相应的值再次进行采样重构；

利用重构后的显元，计算出隐层神经元被开启的概率；

更新得到新的权重和偏置。

8.根据权利要求7所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，其特征在于：所述深度置信管理目标函数包括，输入层、隐藏层和输出层。

9.根据权利要求8所述的适用于智能网关数据管理的协议栈发送方法，其特征在于：增加所述信号量包括，在所述深度置信管理目标函数中增加时间间隔序列τ和信号量θ，利用所述时间间隔序列τ分别对所述数据分组进行聚类，依次获得增强所述信号量θ的所述数据分组。

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