CN113595933B - 一种基于mqtt通信协议的串口复用方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MQTT通信协议的串口复用方法和装置，涉及计算机技术领域，方法包括：应用进程、串口管理进程与MQTT服务器建立链接；应用进程向MQTT服务器订阅“串口服务返回”主题，串口管理进程向MQTT服务器订阅“串口服务发布”主题，实现串口复用。采用本发明提出的方法和装置，设计专职的串口管理进程，负责控制所有的串口，发布者不需要关注串口当前工作状态，由串口管理进程进行统一管理；使需要收发串口数据的进程与实际的串口控制解耦，在不增加硬件设备的前提下，解决了多任务/进程同时操作同一个串口时的互斥问题。

Description

一种基于MQTT通信协议的串口复用方法和装置

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体涉及一种借助MQTT通信协议实现串口复用的方法以及实现串口复用的装置。

背景技术

随着物联网技术的推广，以及智能化设备的迅速发展，采集类终端设备的接入数量越来越多。电力系统中，常规的端设备多为一些传感器或其他微小感知设备，通过串口接入管理终端（大多数为RS485通信，少量为RS232通信）。管理终端的串口数量有限，当需要接入的端设备种类较多，且串口通信参数不同时，无法实现串口复用，导致端设备无法正常接入。

目前的解决方法有：

1、新增外置转换设备（有多个通信串口），实现多种端设备的接入和数据采集，然后将端设备数据整合处理后，通过特定的通信方式（网口或串口），接入智能化管理终端。

上述解决方法，一定程度上缓解了由于智能管理终端串口数量不足，导致的端设备无法接入问题。但外置转换模块增加了成本和开发工作量，不利于大规模推广使用。另外，新增转换模块，需要对接入的端设备信息进行汇总处理后，再上送智能管理终端，增加了工作量。

2、通过软件设计，使用管道或套接字实现信息的传递。管道通信是一种半双工的通信方式，只支持单向数据流。如果通过管道实现信息交互，则每个应用任务需要与串口管理任务建立2个通道，而且管道操作容易出现管道破裂，其可靠性低。

无论是管道方式通信，还是套接字方式通信，串口管理任务需要与所有的应用任务建立管道或socket，并需要对管道或socket维护，使得程序的耦合度变高，稳定性较差。

中国专利申请CN 105785406 A披露的GNSS主板串口复用数据分发的方法与系统，进程间通信使用的是套接字方式。

3、强行获取串口的控制权，排他使用，如中国专利申请CN 112256513 A披露了一种调试串口和数据串口复用的方法、装置和控制器，其实现方式是终止其它进程对串口的读取，在一定时间内独占串口使用权。该种方式需要控制所有涉及串口读取的进程。

发明内容

本发明的目的是在不增加硬件的前提下，通过软件技术解决单串口复用、多串口统一管理的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于MQTT通信协议的串口复用方法，由MQTT服务器、串口管理进程以及需要操作串口的应用进程协同完成；

应用进程、串口管理进程与MQTT 服务器建立链接；应用进程向MQTT 服务器订阅“串口服务返回”主题，串口管理进程向MQTT 服务器订阅“串口服务发布”主题；

串口复用方法包括以下步骤：

数据发送：

1.1、当有串口发送信息需求时，应用进程发送“串口服务发布”主题至MQTT服务器；主题中包含该应用进程的name，负载包括串口信息、待发送的数据信息、超时时间；

1.2、MQTT 服务器收到“串口服务发布”后，将“串口服务发布”主题转发至串口管理进程；

1.3、串口管理进程收到“串口服务发布”主题后，记录发布该主题的应用进程name并解析负载内容；按照负载内容要求，设置串口参数，然后将数据发送出去；按照要求的超时时间，等待接收回复内容；

数据接收：

1.4、串口管理进程从串口收到回复后，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器，主题中包含应用进程的name，负载包括接收到的内容；

1.5、串口管理进程在要求的超时时间内未从串口收到回复，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器，主题中包含应用进程的name，负载包括超时未收到回复的指示信息；

1.6、MQTT 服务器收到“串口服务返回”后，将“串口服务返回”主题转发至应用进程。

进一步地，步骤1.3中，串口管理进程设置负载发送队列。串口管理进程收到“串口服务发布”后，记录发布该主题的应用进程name并解析负载内容，将name和负载内容存储到负载发送队列里。

如果串口管理进程还在等待接收内容回复且没有到达超时时间，继续等待，完成步骤1.4或1.5后，按照负载内容要求，设置串口参数，然后将数据发送出去；按照要求的超时时间，等待接收回复内容。

进一步地，步骤1.3中，如果负载发送队列里有多个负载没有发送，在可以发送时，选择优先级最高的数据发送。

进一步地，串口管理进程管理1个以上的串口。

本发明还提出了一种基于MQTT通信协议的串口复用装置，包括MQTT服务器模块、串口管理模块以及需要操作串口的应用模块。

应用模块、串口管理模块与MQTT 服务器模块建立链接；应用模块向MQTT 服务器模块订阅“串口服务返回”主题，串口管理模块向MQTT 服务器模块订阅“串口服务发布”主题，远端串口响应模块接收数据，按要求通过串口返回信息；

应用模块：

当有串口发送信息需求时，应用模块发送“串口服务发布”主题至MQTT服务器模块；主题中包含该应用模块中应用进程的name，负载包括串口信息、待发送的数据信息、超时时间、优先级信息；

MQTT 服务器模块：

收到“串口服务发布”后，将 “串口服务发布”主题转发至串口管理模块；

收到“串口服务返回”后，将“串口服务返回”主题转发至应用模块；

串口管理模块：

串口管理模块设置负载发送队列，收到“串口服务发布”主题后，记录发布该主题的应用进程name并解析负载内容，将name和负载内容存储到负载发送队列里；

如果串口管理模块还在等待接收内容回复且没有到达超时时间，继续等待；接收到回复内容或到达超时时间后，按照负载内容要求，设置串口参数，然后将数据发送出去；按照要求的超时时间，等待接收回复内容；如果负载发送队列里有多个负载没有发送，在可以发送时，选择优先级最高的数据发送；

从串口收到回复后，判断收到的数据是否满足数据长度的要求，如果满足，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器模块，主题中包含应用模块中应用进程的name，负载包括接收到的内容；否则，继续等待；

在要求的超时时间内未从串口收到回复或未收到满足数据长度的数据，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器模块，主题中包含应用模块中应用进程的name，负载包括超时未收到回复的指示信息。

有益效果：采用本发明提出的方法和装置，通过MQTT 服务器的转发功能，设计专职的串口管理进程，负责控制所有的串口，发布者不需要关注串口当前工作状态，由串口管理进程进行统一管理；使需要收发串口数据的进程与实际的串口控制解耦，在不增加硬件设备的前提下，解决了多任务/进程同时操作同一个串口时的互斥问题；同时针对比较重要的设备，可以设置数据优先级，实现优先处理。

附图说明

图1 系统连接图；

图2框架图；

图3 流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，轻量、简单、开放和易于实现。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

主题（Topic）为消息的类型，是UTF-8的字符串，由MQTT Broker用于过滤每个连接的客户端的消息。订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容，即负载（payload）。主题由一个或多个主题层次组成，由“/”分隔。

负载（payload）为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

由于主题和负载具有高度的自主性、灵活性和可扩展性，因此可以根据应用场景进行约定和扩展。

目前嵌入式系统大多都带有操作系统，能够满足MQTT技术的使用。在操作系统上移植MQTT协议，建立MQTT服务器(MQTT Broker)。各应用任务/进程作为客户端分别与MQTTBroker建立链接，并向MQTT Broker订阅相关主题；MQTT Broker接受客户端发布的各类主题并将其转给订阅用户。

参看图1，本实施例在智能管理终端上实现。智能管理终端通过多个串口连接远端的传感器或其他感知设备，实现方法的框架如图2所示。

串口管理进程管理1个以上的串口，为每个串口建立对应的线程，并建立“串口号-线程”的关系表，每个线程负责操作对应的串口。

各串口连接远端设备，远端设备对串口的要求可以不同（包括波特率、数据位、停止位、校验位等），智能管理终端通过本申请披露的方法完成串口的复用。

在允许的条件下，对串口要求一致的设备连接至一个串口，这样可以使每个串口的设置保持不变，所述设置包括波特率、数据位、停止位、校验位，简化对串口的操作。

基于MQTT通信协议的串口复用方法，由MQTT服务器、串口管理进程以及需要操作串口的应用进程协同完成，参看图3。

首先，应用进程、串口管理进程与MQTT 服务器建立tcp链接；应用进程向MQTT 服务器订阅“串口服务返回”主题，串口管理进程向MQTT 服务器订阅“串口服务发布”主题。

数据发送：数据发送由应用进程发起。

1.1、当有串口发送信息需求时，应用进程发送“串口服务发布”主题至MQTT服务器，主题中包含该应用进程的name，负载包括串口信息、待发送的数据信息、待接收的数据长度、超时时间。串口信息包括串口的参数；如果有多个串口，还包括串口号。

1.2、MQTT 服务器收到“串口服务发布”后，将该主题转发至串口管理进程。

1.3、串口管理进程收到“串口服务发布”主题后，记录发布该主题的应用进程name并解析负载内容；按照负载内容要求，通过对应的线程设置对应串口号的串口参数，然后将数据发送出去；按照要求的超时时间，等待接收回复内容。

当串口管理进程收到“串口服务发布”主题时，对应的串口可能有以下状态：

1、空闲，2、正在发送上一个主题内容，3、正在接收，4、发送完成，正在等待接收。

如果是状态1，串口直接发送数据；如果是状态2和状态3，串口被占用，需要等待。

在状态4的情况下，因为设备基本是通过485口连接，如果是双线连接，485为半双工口，此时同时收发会造成冲突。

考虑到以上情况，本实施例中，串口管理模块设置负载发送队列，当串口管理进程收到“串口服务发布”主题时，记录发布该主题的应用进程name并解析负载内容，将name和负载内容存储到负载发送队列里。如果串口管理进程还在等待对应串口号的串口接收内容回复且没有到达超时时间，则继续等待，至完成接收或超时后，按照负载内容要求，设置串口参数，然后将数据发送出去；按照要求的超时时间，等待接收回复内容。

如果针对某个串口的负载发送队列里有多个负载没有发送，在可以发送时，选择优先级最高的数据发送。

数据接收：

1.4、串口管理进程从串口收到回复后，判断收到的数据是否满足数据长度的要求，如果满足，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器，主题中包含应用进程的name，负载包括接收到的内容；否则，继续等待。

1.5、串口管理进程在要求的超时时间内未从串口收到回复，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器，主题中包含应用进程的name，负载包括超时未收到回复的指示信息；

1.6、MQTT 服务器收到“串口服务返回”后，将“串口服务返回”主题转发至应用进程。

考虑以下情况：串口管理进程在要求的超时时间内未从串口收到回复，但远端的进程有可能在要求的超时时间后开始发送数据，这会对后续的处理造成混乱。

针对这种情况，本实施例中，串口复用方法，还需要与串口连接的远端进程协同完成。

步骤1.3中，数据发送的同时，发送要求的超时时间。

远端进程收到数据后，根据要求发送回复信息；在要求的超时时间内未完成发送时，停止本次发送，等待下一次通信。

下面的实施例是实现上述串口复用方法的装置：包括由MQTT服务器模块、串口管理模块以及需要操作串口的应用模块，还包括远端串口响应模块。

应用模块、串口管理模块与MQTT 服务器模块建立链接；应用模块向MQTT 服务器模块订阅“串口服务返回”主题，串口管理模块向MQTT 服务器模块订阅“串口服务发布”主题，远端串口响应模块接收数据，按要求通过串口返回信息。

应用模块：

当有串口发送信息需求时，应用模块发送“串口服务发布”主题至MQTT服务器模块；主题中包含该应用模块中应用进程的name，负载包括串口信息、待发送的数据信息、超时时间、优先级信息。

MQTT 服务器模块：

收到“串口服务发布”后，将 “串口服务发布”主题转发至串口管理模块；收到“串口服务返回”后，将“串口服务返回”主题转发至应用模块。

串口管理模块：

通过每个串口建立对应的线程，并建立“串口号-线程”的关系表，每个线程负责操作对应的串口来管理管理1个或1个以上的串口。

串口管理模块设置负载发送队列。

收到“串口服务发布”主题后，记录发布该主题的应用进程name并解析负载内容，将name和负载内容存储到负载发送队列里。

如果串口管理模块还在等待接收内容回复且没有到达超时时间，继续等待；接收到回复内容或到达超时时间后，按照负载内容要求，设置串口参数，然后将数据发送出去；按照要求的超时时间，等待接收回复内容；如果负载发送队列里有多个负载没有发送，在可以发送时，选择优先级最高的数据发送。

以上操作是针对每个串口的单独处理，串口之间没有相互影响。

从串口收到回复后，判断收到的数据是否满足数据长度的要求，如果满足，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器模块，主题中包含应用模块中应用进程的name，负载包括接收到的内容；否则，继续等待；

在要求的超时时间内未从串口收到回复或未收到满足数据长度的数据，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器模块，主题中包含应用模块中应用进程的name，负载包括超时未收到回复的指示信息。

远端串口响应模块收到数据后，根据要求发送回复信息；在要求的超时时间内未完成发送时，停止本次发送，等待下一次通信。

Claims (8)

1.一种基于MQTT通信协议的串口复用方法，由MQTT服务器、串口管理进程以及需要操作串口的应用进程协同完成；

应用进程、串口管理进程与MQTT 服务器建立链接；应用进程向MQTT 服务器订阅“串口服务返回”主题，串口管理进程向MQTT 服务器订阅“串口服务发布”主题；

其特征在于，串口复用方法包括以下步骤：

数据发送：

1.1、当有串口发送信息需求时，应用进程发送“串口服务发布”主题至MQTT服务器，主题中包含该应用进程的name，负载包括串口信息、待发送的数据信息、超时时间，所述负载还包括优先级信息；

1.2、MQTT 服务器收到“串口服务发布”后，将“串口服务发布”主题转发至串口管理进程；

1.3、串口管理进程收到“串口服务发布”主题后，记录发布该主题的应用进程name并解析负载内容；按照负载内容要求，设置串口参数，然后将数据发送出去；按照要求的超时时间，等待接收回复内容；如果负载发送队列里有多个负载没有发送，在可以发送时，选择优先级最高的数据发送；

数据接收：

1.4、串口管理进程从串口收到回复后，判断收到的数据是否满足数据长度的要求，如果满足，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器，主题中包含应用进程的name，负载包括接收到的内容；否则，继续等待；

1.5、串口管理进程在要求的超时时间内未从串口收到回复，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器，主题中包含应用进程的name，负载包括超时未收到回复的指示信息；

1.6、MQTT 服务器收到“串口服务返回”后，将“串口服务返回”主题转发至应用进程。

2.根据权利要求1所述的串口复用方法，其特征在于，

步骤1.1中，所述的负载还包括待接收的数据长度。

3.根据权利要求1所述的串口复用方法，其特征在于，

步骤1.3中，串口管理进程收到“串口服务发布”后，记录发布该主题的应用进程name并解析负载内容，将name和负载内容存储到负载发送队列里；

如果串口管理进程还在等待接收内容回复且没有到达超时时间，继续等待，完成步骤1.4或1.5后，按照负载内容要求，设置串口参数，然后将数据发送出去；按照要求的超时时间，等待接收回复内容。

4.根据权利要求1所述的串口复用方法，其特征在于，还需要与串口连接的远端进程协同完成，

步骤1.3中，数据发送的同时，发送要求的超时时间；

远端进程收到数据后，根据要求发送回复信息；在要求的超时时间内未完成发送时，停止本次发送，等待下一次通信。

5.根据权利要求1所述的串口复用方法，其特征在于，串口管理进程管理1个以上的串口。

6.根据权利要求5所述的串口复用方法，其特征在于，每个串口的设置保持不变，所述设置包括波特率、数据位、停止位、校验位。

7.一种基于MQTT通信协议的串口复用装置，其特征在于，包括MQTT服务器模块、串口管理模块以及需要操作串口的应用模块，

应用模块、串口管理模块与MQTT 服务器模块建立链接；应用模块向MQTT 服务器模块订阅“串口服务返回”主题，串口管理模块向MQTT 服务器模块订阅“串口服务发布”主题，远端串口响应模块接收数据，按要求通过串口返回信息；

应用模块：

当有串口发送信息需求时，应用模块发送“串口服务发布”主题至MQTT服务器模块；主题中包含该应用模块中应用进程的name，负载包括串口信息、待发送的数据信息、超时时间、优先级信息；

MQTT 服务器模块：

收到“串口服务发布”后，将 “串口服务发布”主题转发至串口管理模块；

收到“串口服务返回”后，将“串口服务返回”主题转发至应用模块；

串口管理模块：

收到“串口服务发布”主题后，记录发布该主题的应用进程name并解析负载内容，将name和负载内容存储到负载发送队列里；

如果串口管理模块还在等待接收内容回复且没有到达超时时间，继续等待；接收到回复内容或到达超时时间后，按照负载内容要求，设置串口参数，然后将数据发送出去；按照要求的超时时间，等待接收回复内容；如果负载发送队列里有多个负载没有发送，在可以发送时，选择优先级最高的数据发送；

从串口收到回复后，判断收到的数据是否满足数据长度的要求，如果满足，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器模块，主题中包含应用模块中应用进程的name，负载包括接收到的内容；否则，继续等待；

在要求的超时时间内未从串口收到回复或未收到满足数据长度的数据，发送“串口服务返回”主题至MQTT服务器模块，主题中包含应用模块中应用进程的name，负载包括超时未收到回复的指示信息。

8.根据权利要求7所述的串口复用装置，其特征在于，还包括远端串口响应模块：收到数据后，根据要求发送回复信息；在要求的超时时间内未完成发送时，停止本次发送，等待下一次通信。

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