CN112948184B - 一种基于多通信模式的信息收发控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多通信模式的信息收发控制系统，解决的是多种通信模式自主切换、网络自愈以及信息收发控制的技术问题，通过采用包括：收发控制模块、普通节点和汇聚节点；所述收发控制模块是普通节点和汇聚节点的收发控制端口；普通节点和汇聚节点相连为南北向通信，为异构通信方式；普通节点之间、汇聚节点之间是东西向通信；普通节点负责传感器数据收集上报、根据来自上层的控制信息调整执行器的工作状态；汇聚节点负责实现普通节点间M2M通信，建立与云平台通信的连接，接收来自云平台的控制信息；所述收发控制模块的输入为发送类型、发送目的IP以及发送数据载荷的技术方案，较好的解决了该问题，可用于通信系统中。

Description

一种基于多通信模式的信息收发控制系统
技术领域
本发明涉及通信系统领域，具体涉及一种基于多通信模式的信息收发控制系统。
背景技术
物联网终端接入方式多样，应用场景复杂，具有典型的泛在、异构特性。研究通信环境感知方法，优化接入资源调度与管理策略，探索接入网自主进行网络重构、网络自愈的方法，实现异构网络融合与协作，保证终端态势信息的交互与共享，为智能感知终端之间的协同操作奠定基础。
本发明提供一种基于多通信模式的信息收发控制系统，研究网络级能耗优化管理策略，通过节点选择与收发控制，实现区域多终端整体能耗管理与优化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的多种通信模式自主切换、网络自愈以及信息收发控制的技术问题。提供一种新的基于多通信模式的信息收发控制系统，该基于多通信模式的信息收发控制系统具有节点数量少、节点覆盖占比大的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种基于多通信模式的信息收发控制系统，包括收发控制模块、普通节点和汇聚节点；
所述收发控制模块是普通节点和汇聚节点的收发控制端口；
普通节点和汇聚节点相连为南北向通信，为异构通信方式，汇聚节点通过北向接口进行云平台通信连接；
普通节点之间、汇聚节点之间是东西向通信，为设备到设备直连通信；
普通节点负责传感器数据收集上报、根据来自上层的控制信息调整执行器的工作状态；汇聚节点负责实现普通节点间M2M通信，建立与云平台通信的连接，接收来自云平台的控制信息；
所述收发控制模块的输入为发送类型、发送目的IP以及发送数据载荷。
上述方案中，进一步地，所述普通节点包括初始化单元，发送单元，接收单元；
所述初始化单元，用于硬件初始化以及对各种通信模式建立TCP连接；
所述发送单元，用户与模块内核使用队列与标志位进行交互；
所述接收单元，当WiFi模块接收到信息后，会使用串口通信将信息传输至GD32中，而后接收单元会根据mode字段判断是否需要将报文上传给应用层；若需要，则将报文复制，通过WIFI_RECV_STA通知应用层处理数据。
普通节点使用LiteOS控制各模块，考虑到LiteOS为轻量级操作系统，此处可将收发控制模块压缩至一个线程。用户与模块内核使用队列与标志位进行交互。用户可使用wifi_send_function()函数将待发送信息插入至发送队列中。发送模块通过定时器管理发送频率，定时器满后提取发送队列中的数据，根据其mode字段选择不同的发送类型，最终使用WiFi模块发送至Sink节点；当WiFi模块接收到信息后，会使用串口通信将信息传输至GD32中，而后接收单元会根据mode字段判断是否需要将报文上传给应用层。若需要，则将报文复制，通过WIFI_RECV_STA通知应用层处理数据。
进一步地，所述汇聚节点包括内核空间和用户空间；
所述内核空间主要接收来自普通节点和云平台数据以及向普通节点和云平台发送数据；
所述用户空间采用基于socket的编程范式，通过使用select机制实现多个终端节点的多路复用接入功能
进一步地，所述用户空间还包括硬件设置以及socket的创建和基于select的多路复用机制；
所述硬件设置以及socket的创建，是在汇聚节点上电后运行脚本，将无线网卡调整为HotSpot模式，开启NAT和DHCP的功能，且与以太网口进行桥接，打通内网到Internet的通道；具体地，汇聚节点的主程序将会使用socket()函数创建一个基于流的socket，也即是TCP socket，并且使用bind()函数绑定在对应无线网卡 Interface的IP以及约定的端口上，并且使用listen()函数将该socket设置为侦听模式(即listen模式)，也即是将此socket对应的TCP实体的有限状态机（简称“FSM”）调整为监听状态，以实现侦听来自其它普通终端的接入请求并且完成三次握手的功能。另外主程序还会在初始化阶段创建另一个基于流的socket，绑定在对应以太网卡 Interface的IP和约定的端口上，用于和云平台进行接入。
所述基于select的多路复用机制，是在完成初始化操作并确认无误后，进入一个基于select机制的处理循环；基于select机制的处理循环是通过调用accept()函数以处理普通终端的接入请求；以及通过调用select()函数，以不断查询当前汇聚节点管理的所有套接字的状态，包括接收状态，发送状态和故障状态；若发现某个套接字上有接收行为，则使用recv()函数将内核空间socket_ receive_buffer中的数据接收并拷贝至用户空间的缓冲区recvbuf。发送过程反向同理，通过使用send()函数将用户空间的发送缓冲区sendbuf中的数据拷贝至内核空间中的socket_send_buffer。若发现在某个套接字上发生了链接断开的行为，即侦测到TCP FIN报文或者RST报文，则会自动删除与该套接字有关的所有信息，并且通告与某个终端/云平台的链接断开，以提高设备内存使用率。
本发明的汇聚节点的收发控制采用基于socket的编程范式，通过使用select机制实现多个终端节点的多路复用接入功能。
进一步地，所述南北向通信包括WiFi模块，NB-IoT模块以及以太网模块。
进一步地，东西向通信由Lora模块实现。
本发明收发控制模块的输入有三个，发送类型用于指明报文的发送方式等信息，发送目的IP用于指明报文发送的目的地址，发送数据载荷用于承载发送的数据内容。收发控制模块反向同理。
本发明的有益效果：本发明探索接入网自主进行网络重构、网络自愈的方法，实现异构网络融合与协作，保证终端态势信息的交互与共享，为智能感知终端之间的协同操作奠定基础。为优化终端收发控制与能耗管理策略，研究基于工作节点选择的网络拓扑控制。基于无重复覆盖面积、终端节点连通性和能耗平衡，研究多目标优化的节点覆盖方法。研究基于节点聚类及网络最优分簇数安全、可信的路由算法，减少节点数量及提高节点覆盖占比，实现终端的信息收发控制，减少节点数量，提高节点覆盖占比，与优化终端能耗，提高网络整体使用寿命。在普通节点和汇聚节点之间通过建立TCP连接实现了底层的可靠通信，并且实现了网络自愈的基本功能，当主汇聚节点发生故障时，普通节点将会侦测到TCP连接的中断，随后自动搜寻冗余的另一个汇聚节点进行接入，从而实现快速的从网络瘫痪到恢复的过程。基于上述传输层的实体的通信，在普通节点上，收发控制模块为应用层的协同任务提供了收发接口，通过采用发送队列，低性能终端节点实现了有效的数据传输管理；在汇聚节点上，收发控制模块为应用层的协同、数据融合等提供了收发控制、存储管理等接口，以便于应用层模块进行接入。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的基于多通信模式的信息收发控制模块框架。
图2是本发明的基于多通信模式的信息收发控制模块接口。
图3是本发明的基于多通信模式的信息汇聚节点收发控制模块工作流程图。
图4是本发明的基于多通信模式的信息普通节点收发控制模块工作流程图。
图5是本发明的基于多通信模式的Socket连接工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于多通信模式的信息收发控制系统，如图1，所述基于多通信模式的信息收发控制系统包括：收发控制模块、普通节点和汇聚节点；所述收发控制模块是普通节点和汇聚节点的收发控制端口；普通节点和汇聚节点相连为南北向通信，为异构通信方式，通过北向接口进行云平台通信连接；
南北向通信，即通过北向接口(通信模块)与边缘服务器甚至云端服务器连结，直接与服务器交换信息，大量的广义的M2M(机器到机器)的数据交换，都是通过南北向的通信，在边缘服务器或云端服务器实现的；东西向通信，即狭义的M2M(有时又称为D2D，设备到设备)直连通信。在有关物联网通信路由的研究中，一般是混杂模式(hybrid)，既支持相邻节点的D2D通信模式，在总体上也支持大量(甚至主要的信息)流动是朝北向的服务器(汇聚节点/Sink)。
普通节点之间、汇聚节点之间是东西向通信，为设备到设备直连通信；普通节点负责传感器数据收集上报、根据来自上层的控制信息调整执行器的工作状态；汇聚节点负责实现普通节点间M2M通信，建立与云平台通信的连接，接收来自云平台的控制信息；所述收发控制模块的输入为发送类型、发送目的IP以及发送数据载荷。
本实施方式中，首选通过所述普通节点负责传感器数据收集上报、根据来自上层的控制信息调整执行器的工作状态；其中，所述普通节点采用Huawei LiteOS操作系统，具备轻量级、低功耗等特点，可实现信息采集、预处理、信息融合等多任务之间切换运行，同时具有丰富的端云互通组件可实现快速入云。本系统采用的终端采集方案，具有低功耗、低时延、高精度等特点，同时具有较强的可扩展性，可广泛应用于物联网应用中的环境监测、火灾预警、智慧交通等多个场景。
接着所述汇聚节点是基于ARM架构的单核A56处理器的处理平台，运行LinuxDebian操作系统，负责实现普通节点间M2M通信，建立与云平台通信的连接，接收来自云平台的控制信息等。
需要为终端选择合适的接入方式。对业界常用的三种北向接入方式(NBIoT/LoRaWAN/Eth)的对比可知，以太网接入意味着供电不是问题，并且使用接入网络的成本很低，因此一旦有以太网接入，则以太网。类似地，WIFI由于具有部署方便的优点，如果已经具备WIFI模块，可以作为以太网接入的补充。对于LoRaWAN，由于需要自行部署和管理多个LoRaWAN网关以及维护网络服务器和应用服务器，不如租用运营商的NB-IoT资源。对于东西向，除借助WIFI和以太网之外，还可以引入LoRa技术作为备份手段，实现设备间通信。
为了保证能够适应动态变化的网络、实现自愈，需要相应的线程能够执行连接状态检测，定期完成对多模终端的四种接入网络方式的检测。注意，为了节约以电池供电为主的终端的电量消耗，间隔周期T需要根据接入网络出现故障的概率，尽可能设置成较大的数值。
另外，当传感器数据按照之前选择的最优接入方式上报数据出现失败时，也可以临时调用连接状态检测代码，及时找出当前可用接入方式，并按照了下面的方式选出当前可用最优方式。
具体接入方式如下：
If (支持以太网接入) /*南北向*/
{选择 以太网 作为北向接入}
else if (支持WIFI接入)
{选择WIFI作为北向接入}
else if {支持NBIoT}
{选择NBIoT作为北向接入}
else{标记本终端不具备南北向通信能力}
if{支持LoRa} /*东西向*/
{选择LoRa作为东西向接入/连结方式}
else{标记本终端不具备东西向通信能力}
具体地，如图4，所述普通节点包括初始化单元，发送单元，接收单元；所述初始化单元，用于硬件初始化以及对各种通信模式建立TCP连接；所述发送单元，用户与模块内核使用队列与标志位进行交互；用户可使用wifi_send_function()将待发送信息插入至发送队列中。发送模块通过定时器管理发送频率，定时器满后提取发送队列中的数据，根据其mode字段选择不同的发送类型，最终使用WiFi模块发送至汇聚节点。
所述接收单元，当WiFi模块接收到信息后，会使用串口通信将信息传输至GD32中，而后接收单元会根据mode字段判断是否需要将报文上传给应用层；若需要，则将报文复制，通过WIFI_RECV_STA通知应用层处理数据。
普通节点使用LiteOS控制各模块，考虑到LiteOS为轻量级操作系统，此处可将收发控制模块压缩至一个线程。用户与模块内核使用队列与标志位进行交互。用户可使用wifi_send_function()函数将待发送信息插入至发送队列中。发送模块通过定时器管理发送频率，定时器满后提取发送队列中的数据，根据其mode字段选择不同的发送类型，最终使用WiFi模块发送至Sink节点；当WiFi模块接收到信息后，会使用串口通信将信息传输至GD32中，而后接收单元会根据mode字段判断是否需要将报文上传给应用层。若需要，则将报文复制，通过WIFI_RECV_STA通知应用层处理数据。
具体地，如图3，所述汇聚节点包括内核空间和用户空间；所述内核空间主要接收来自普通节点和云平台数据以及向普通节点和云平台发送数据；所述用户空间采用基于socket的编程范式，通过使用select机制实现多个终端节点的多路复用接入功能。
具体地，所述用户空间还包括硬件设置以及socket的创建和基于select的多路复用机制；所述硬件设置以及socket的创建，是在汇聚节点上电后运行脚本，将无线网卡调整为HotSpot模式，开启NAT和DHCP的功能，且与以太网口进行桥接，打通内网到Internet的通道；具体地，汇聚节点的主程序将会使用socket()函数创建一个基于流的socket，也即是TCP socket，并且使用bind()函数绑定在对应无线网卡 Interface的IP以及约定的端口上，并且使用listen()函数将该socket设置为侦听模式(即listen模式)，也即是将此socket对应的TCP实体的有限状态机（简称“FSM”）调整为监听状态，以实现侦听来自其它普通终端的接入请求并且完成三次握手的功能。另外主程序还会在初始化阶段创建另一个基于流的socket，绑定在对应以太网卡 Interface的IP和约定的端口上，用于和云平台进行接入。
所述基于select的多路复用机制，是在完成初始化操作并确认无误后，进入一个基于select机制的处理循环；基于select机制的处理循环是通过调用accept()函数以处理普通终端的接入请求；以及通过调用select()函数，以不断查询当前汇聚节点管理的所有套接字的状态，包括接收状态，发送状态和故障状态；若发现某个套接字上有接收行为，则使用recv()函数将内核空间socket_ receive_buffer中的数据接收并拷贝至用户空间的缓冲区recvbuf。发送过程反向同理，通过使用send()函数将用户空间的发送缓冲区sendbuf中的数据拷贝至内核空间中的socket_send_buffer。若发现在某个套接字上发生了链接断开的行为，即侦测到TCP FIN报文或者RST报文，则会自动删除与该套接字有关的所有信息，并且通告与某个终端/云平台的链接断开，以提高设备内存使用率。
在本实施方式中，所述RISC-V架构开发板主要集成用于所述普通节点，采用芯来科技公司的一款基于GD32VF103 MCU的RISC-V评估开发板进行数据采集，型号为GD32VF103VBT6。该开发板提供了板载调试器、Reset和Wakeup用户按键、RGB LED、USB OTG，以及EXMC和PMOD扩展接口等资源；所述ARM架构开发板主要集成用于汇聚节点，采用野火公司的i.MX 6ULL开发板。
本发明的汇聚节点的收发控制采用基于socket的编程范式，通过使用select机制实现多个终端节点的多路复用接入功能。
具体地，所述南北向通信包括WiFi模块，NB-IoT模块以及以太网模块。
具体地，东西向通信由Lora模块实现。
如图2，本实施例收发控制模块的输入有三个，发送类型用于指明报文的发送方式等信息，发送目的IP用于指明报文发送的目的地址，发送数据载荷用于承载发送的数据内容。收发控制模块反向同理。
本实施例探索接入网自主进行网络重构、网络自愈的方法，实现异构网络融合与协作，保证终端态势信息的交互与共享，为智能感知终端之间的协同操作奠定基础。为优化终端收发控制与能耗管理策略，研究基于工作节点选择的网络拓扑控制。基于无重复覆盖面积、终端节点连通性和能耗平衡，研究多目标优化的节点覆盖方法。研究基于节点聚类及网络最优分簇数安全、可信的路由算法，减少节点数量及提高节点覆盖占比，实现终端的信息收发控制，减少节点数量，提高节点覆盖占比，与优化终端能耗，提高网络整体使用寿命。本在普通节点和汇聚节点之间通过建立TCP连接实现了底层的可靠通信，并且实现了网络自愈的基本功能，当主汇聚节点发生故障时，普通节点将会侦测到TCP连接的中断，随后自动搜寻冗余的另一个汇聚节点进行接入，从而实现快速的从网络瘫痪到恢复的过程。基于上述传输层的实体的通信，在普通节点上，收发控制模块为应用层的协同任务提供了收发接口，通过采用发送队列，低性能终端节点实现了有效的数据传输管理；在汇聚节点上，收发控制模块为应用层的协同、数据融合等提供了收发控制、存储管理等接口，以便于应用层模块进行接入。
本实施例中：表1是本发明的基于多通信模式的收发控制模块报文。
表2是本发明的基于多通信模式的信息普通节点开放API。
表3是本发明的基于多通信模式的信息汇聚节点开放API。
表1
表2
表3
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于多通信模式的信息收发控制系统，其特征在于：包括：收发控制模块、普通节点和汇聚节点；
所述收发控制模块是普通节点和汇聚节点的收发控制端口；
普通节点和汇聚节点相连为南北向通信，为异构通信方式，汇聚节点通过北向接口进行云平台通信连接，南北向通信由WiFi模块，NB-IoT模块或以太网模块实现；
普通节点之间、汇聚节点之间是东西向通信，为设备到设备直连通信，东西向通信由Lora模块实现；
普通节点负责传感器数据收集上报、根据来自上层的控制信息调整执行器的工作状态、通过东西向普通节点间通信和转发，相互协同，以支撑上层的物联网应用的通信需求和协同需求；
汇聚节点负责实现普通节点间M2M通信，建立与云平台通信的连接，接收来自云平台的控制信息；
所述收发控制模块的输入为发送类型、发送目的IP以及发送数据载荷；
所述普通节点包括初始化单元，发送单元，接收单元；
所述初始化单元，用于硬件初始化以及对各种通信模式建立TCP连接；
所述发送单元，用户与模块内核使用队列与标志位进行交互；
所述接收单元，当WiFi模块接收到信息后，会使用串口通信将信息传输至GD32中，而后接收单元会根据mode字段判断是否需要将报文上传给应用层；若需要，则将报文复制，通过WIFI_RECV_STA通知应用层处理数据；
所述汇聚节点包括内核空间和用户空间；
所述内核空间主要接收来自普通节点和云平台数据以及向普通节点和云平台发送数据；
所述用户空间采用基于socket的编程范式，通过使用select机制实现多个终端节点的多路复用接入功能。
2.根据权利要求1所述的基于多通信模式的信息收发控制系统，其特征在于：普通节点使用LiteOS控制各模块，将收发控制模块压缩至一个线程；用户与模块内核使用队列与标志位进行交互；用户使用wifi_send_function()函数将待发送信息插入至发送队列中；发送模块通过定时器管理发送频率，定时器满后提取发送队列中的数据，根据其mode字段选择不同的发送类型，最终使用WiFi模块发送至Sink节点；当WiFi模块接收到信息后，使用串口通信将信息传输至GD32中，而后接收单元会根据mode字段判断是否需要将报文上传给应用层；若需要，则将报文复制，通过WIFI_RECV_STA通知应用层处理数据。
3.根据权利要求1所述的基于多通信模式的信息收发控制系统，其特征在于：所述用户空间还包括硬件设置以及socket的创建和基于select的多路复用机制；
所述硬件设置以及socket的创建，是在汇聚节点上电后运行脚本，将无线网卡调整为HotSpot模式，开启NAT和DHCP的功能，且与以太网口进行桥接，打通内网到Internet的通道；
所述基于select的多路复用机制，是在完成初始化操作并确认无误后，进入一个基于select机制的处理循环；基于select机制的处理循环是通过调用accept()函数以处理普通终端的接入请求；以及通过调用select()函数，以不断查询当前汇聚节点管理的所有套接字的状态，包括接收状态，发送状态和故障状态；若发现某个套接字上有接收行为，则使用recv()函数将内核空间socket receive buffer中的数据接收并拷贝至用户空间的缓冲区recvbuf。
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