CN114546394B - 统一的物联网外设接入与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种统一的物联网外设接入与控制方法，属于物联网技术领域。本发明基于统一外围描述语言生成各类物联网外设的脚本文件，构建网关本地的脚本文件库；接入外设时基于外设ID在脚本文件库匹配对应的脚本文件，并经编译器解析为对应的二进制命令，再发送给物联网控制设备；以引导物联网控制设备匹配当前接入的物联网外设的每个引脚的连接要求。以使得物联网控制设备驱动物联网外设工作。本发明实现了控制设备和外设一对多的模式。应用本发明提供的外设接入与控制方式，能极大降低物联网系统的复杂性，减少臃肿，有效降低物联网的部署成本。

Description

统一的物联网外设接入与控制方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种统一的物联网外设接入与控制方法。

背景技术

物联网(Internet of Things，IoT)通过广泛部署具有嵌入式识别、传感和驱动功能的空间分布设备，将互联网和Web等应用扩展到物理领域。各种物联网外设与物联网设备相连接形成物联网系统，从而将具备各种不同功能的外设组织成一个复杂的大型系统，完成各种大型业务。随着物联网技术的快速发展，一个物联网系统所包含的物联网外设数量越来越多。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

要想让一个大型的物联网系统成功运行，现有的技术方案是针对每一个物联网外设编写其对应的驱动程序。例如，按照温度传感器的数据手册(data sheet)编写驱动程序，从而实现物联网系统定时从温度传感器读取温度数据的功能。驱动程序与物联网外设一一对应。对不同的物联网外设，需要开发与之对应的驱动程序，使得驱动程序包括的操作命令与物联网外设可实现的操作相对应。否则，驱动程序无法实现对物联网外设的控制。然而，物联网外设种类繁多，而且没有统一的标准。从而导致为在物联网系统中使用各种物联网外设，需要开发出各种驱动程序来分别控制物联网外设。这样就会造成开发周期长，开发量大等问题。最终，可能阻碍物联网技术的进一步发展。

此外，在越来越多的物联网应用中，为了使得所有物联网外设能够正常工作，一种解决方案是通过单独的物联网控制设备来控制对应的物联网外设，一种物联网控制设备对应一种外设控制方式。例如，小区公司使用门禁设备对门禁卡进行读取，学校食堂应用的校园卡机器识别并操作学生校园卡，高速收费站应用的ETC系统可以控制摄像头扫描汽车的ETC卡等。然而，目前针对不同的物联网应用，在需要使用不同的物联网外设时，需要单独定制专门的物联网控制设备，即物联网控制设备与物联网外设一一对应。在一个大型的物联网系统中，需要使用的物联网外设的数量庞大，而要正确驱动一种物联网外设就需要开发一种对应的物联网控制设备。这就导致整个物联网系统中存在数量庞大的物联网控制设备，从而使得物联网系统十分臃肿，并且不易维护。而且，开发整个系统的周期会更长，开发量会更大。这极大的阻碍了物联网技术及产品的发展和推广。

发明内容

本发明提供了一种统一的物联网外设接入与控制方法，以避免针对不同的物联网外设而需要单独定制开发对应的物理网控制设备，降低物联网的部署成本。

本发明采用的技术方案如下：

统一的物联网外设接入与控制方法，该方法包括：

配置统一外围描述语言，用于生成物联网外设的功能适配消息，所述功能适配消息包括物联网外设的配置信息和控制信息，所述配置信息包含物联网外设的引脚描述、调度频率和数据格式，所述控制信息包含物联网外设的四种元操作，通过按照时序要求发送四种元操作命令来驱动物联网外设；所述元操作包括：写数据、读数据、写控制和读状态；

配置编译器，所述编译器用于网关对物联网外设的功能适配消息的解析，将功能适配消息中的统一外围描述语言语句转换为二进制命令，以使得物联网控制设备基于所述二进制命令生成物理控制信号；以及解析外设通过物联网控制设备上传的二进制的数据包。

配置外设接口，所述外设接口用于物联网控制设备处理物联网外设输入和输出的逻辑门信号，并统一接收和输出二进制串，所述外设接口的处理内容包括：解析来自网关的有关引脚描述的二进制串，并把相应的物联网外设引脚配置成推挽模式或开漏模式；解析来自网关的有关物联网外设控制操作的二进制串，并生成对应的物理信号，再将物理信号发送给物联网外设，以驱动物联网外设正常运行；根据配置的数据封装给是，将物联网外设返回的信息编码成二进制串并上传给网关；

基于所述统一外围描述语言生成各类物联网外设的脚本文件，构建网关本地的脚本文件库；所述脚本文件包括对物联网外设的配置信息描述和控制信息描述；

当物联网控制设备检测到有新的物联网外设接入时，向网关发送携带外设ID的通知消息，网关基于该外设ID在本地的脚本文件库匹配对应的脚本文件，并经编译器解析为对应的二进制命令，再发送给物联网控制设备；以引导物联网控制设备匹配当前接入的物联网外设的每个引脚的连接要求；

所述编译器从匹配到的脚本文件中读取外设控制流程描述，对于每一条控制流程描述，编译器按照指定的时序要求生成对应的控制指令，并在时序要求匹配的时间点发送给物联网控制设备，以使得物联网控制设备驱动物联网外设工作。

进一步的，还包括配置编码表，所述编码表包括关键字编码表、引脚类型编码表和引脚功能编码表，其中，关键字编码表用于描述物联网外设的外设配置和外设操作；构建网关本地的脚本文件库时，根据配置的编码表和统一外围描述语言生成各类物联网外设的脚本文件，且编译器基于所述编码表进行相关的解析处理。

本发明提供的技术方案至少带来如下有益效果：避免了现有的物联网控制设备和物联网外设一对一的模式，实现了物联网控制设备和物联网外设一对多的模式。物联网系统中只需要使用一个物联网控制设备，就能操作多个物联网外设，而且该物联网控制设备不限制上行使用的是何种网关，因为统一的外设接口只接收二进制串，而不关心是谁发送的二进制串。应用本发明提供的外设接入与控制方式，能极大降低物联网系统的复杂性，减少臃肿，有效降低物联网的部署成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中，物联网外设的四种基本控制类型。

图2是本发明实施例中，物联网外设脚本以及配置方式所包含的关键字示意。

图3是本发明实施例中，对物联网外设的控制过程示意图。

图4是本发明实施例中，针对一类物联网外设(ADXL362)依据UPDL编写而成的脚本文件示意。

图5是本发明实施例中，针对一类物联网外设(ADXL362)的脚本文件示意。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种统一的物联网外设接入与控制方法，以避免针对不同的物联网外设，需要单独开发与之对应的驱动程序，以及避免针对不同的物联网外设，需要单独开发与之相对应的物联网控制设备。

本发明实施例提供的统一的物联网外设接入与控制方法包括下列步骤：

配置统一外围描述语言(Unified Peripheral Description Language，UPDL)，用于生成物联网外设的功能适配消息，所述功能适配消息包括物联网外设的配置信息和控制信息，所述配置信息包含物联网外设的引脚描述、调度频率和数据格式，所述控制信息包含物联网外设的四种元操作，通过按照时序要求发送四种元操作命令来驱动物联网外设；所述元操作包括：写数据、读数据、写控制和读状态；

配置编译器，所述编译器用于网关设备或网关应用(即本发明实施例中，网关可以是单独的设备，也可以是嵌入在物联网控制设备的网关应用程序)对物联网外设的功能适配消息的解析，将功能适配消息中的统一外围描述语言语句转换为二进制命令，以使得物联网控制设备(物联网终端)基于所述二进制命令生成物理控制信号；以及解析外设通过物联网控制设备上传的二进制的数据包。

配置外设接口，所述外设接口用于物联网控制设备(即plug-and-play IoTdevice，PID)处理物联网外设输入和输出的逻辑门信号，并统一接收和输出二进制串，所述外设接口的处理内容包括：解析来自网关的有关引脚描述的二进制串，并把相应的物联网外设引脚配置成推挽模式或开漏模式；解析来自网关的有关物联网外设控制操作的二进制串，并生成对应的物理信号，再将物理信号发送给物联网外设，以驱动物联网外设正常运行；根据配置的数据封装给是，将物联网外设返回的信息编码成二进制串并上传给网关；

基于所述统一外围描述语言生成各类物联网外设的脚本文件，构建网关本地的脚本文件库；所述脚本文件包括对物联网外设的配置信息描述和控制信息描述；

当物联网控制设备检测到有新的物联网外设接入时，向网关发送携带外设ID的通知消息，网关基于该外设ID在本地的脚本文件库匹配对应的脚本文件，并经编译器解析为对应的二进制命令，再发送给物联网控制设备；以引导物联网控制设备匹配当前接入的物联网外设的每个引脚的连接要求；

所述编译器从匹配到的脚本文件中读取外设控制流程描述，对于每一条控制流程描述，编译器按照指定的时序要求生成对应的控制指令，并在时序要求匹配的时间点发送给物联网控制设备，以使得物联网控制设备驱动物联网外设工作。

进一步的，还包括配置编码表，所述编码表包括关键字编码表、引脚类型编码表和引脚功能编码表，其中，关键字编码表用于描述物联网外设的外设配置和外设操作；构建网关本地的脚本文件库时，根据配置的编码表和统一外围描述语言生成各类物联网外设的脚本文件，且编译器基于所述编码表进行相关的解析处理。

本发明实施例中，物联网外设的脚本文件是由UPDL构成的，为了便于网关与PID之间的指令发送，需要把UPDL编码成二进制。而PID要能识别出网关发送的指令，那么它们二者就应该有一个共同的规则，网关根据这个规则来编码UPDL生成二进制指令，PID根据这个规则来解码二进制指令并执行相应的操作。因而考虑采用编码表来充当这个规则，而编码表也根据UPDL语法分为关键字编码表、引脚类型编码表和引脚功能编码表。关键字编码表就是将七个关键字编码成二进制，其实质就是每个关键字对应一个十进制序号，然后再把这个十进制序号转化成二进制。引脚类型编码表就是根据现有大多数外设的数据表(datasheet)，把它们的所有引脚类型统计出来，然后对其进行编码。引脚功能编码表和引脚类型编码表同理，也是从现有的外设数据表中统计出现过的引脚功能，并将其编码。根据上述的三张编码表，解析器就能把一个脚本文件解析成二进制指令发送给PID，PID接收到指令后，再根据编码表解码成相应的操作。

本发明实施例通过统一的物联网外设配置方式编写脚本文件，脚本文件中包括物联网外设的配置信息和控制信息。从而，使得网关能够根据脚本文件，获知该如何操作物联网外设，并向物联网外设发送操作命令。物联网外设同时也向网关发送采集到的数据。从而实现对物联网外设的正确控制，避免现有技术中针对不同的物联网外设，需要开发与之相对应的驱动程序，才能实现对该物联网外设的控制。

作为一种可能的实现方式，本发明实施例通过研究各类外设的数据表，发现可以通过外设配置和外设操作这两部分来描述一个物联网外设，实现只根据这两部分就能驱动物联网外设的功能。物联网外设配置包括引脚描述、调度频率和数据格式三部分，本发明实施例中，分别用三个关键字来声明。同时，由于各类物联网外设的操作都可以拆解成写数据、读数据、写控制、读状态这四种元操作的不同排列组合，因此，本发明实施例中，分别采用四个关键字来对物联网外设的上述操作进行声明。通过外设配置和外设操作两部分就完成了对一类物联网外设的整体描述，从而避免开发人员不用再编写繁琐的嵌入式控制固件，终端用户也不用自己编写驱动代码。

参加图1，本发明实施例中，采用三个关键字来描述物联网外设的外设配置，以及采用四个关键字来描述物联网外设的外设操作时，具体配置如下：

关键字1(i,type,function)：外设的第i个引脚是type类型的，其引脚功能是function。即描述外设配置的第一关键字包括三个参数：引脚标识、引脚类型和引脚功能，比如关键字1(3,I2C,WR)表示外设的第3个引脚是I2C总线的数据读取线。

关键字2(pri,min,std,max)：外设的优先级是pri，其最低频率是min，标准频率是std，最高频率是max。即描述外设配置的第二关键字包括四个参数：外设优先级、最低调度频率、标准调度频率和最高调度频率，如关键字2(5,25,100,320)表示外设的优先级是第五级，其频率范围为25～320Hz，默认标准频率为100Hz。

关键字3(j,imp,func,unit)：外设返回的第j个数据是imp类型的，数据的转换方法和单位分别是func和unit。即描述外设配置的第三关键字包括四个参数：外设返回数据标识、数据类型、数据转换方法和数据单位，如关键字3(1,acc,x/64,g)表示外设返回的第1个数据是加速度类型的数据，数据的转换函数是x/64(x是寄存器中的原始数据)，结果的单位是g(即9.8m/s^2)。

关键字4(0xYY)+Tus：表示通过数据引脚把数据写入到外设中的寄存器的0xYY地址处，该操作需要耗费T微秒。即第四关键字用于描述外设的写数据操作，描述信息包括：存储地址、操作时长；

关键字5(xx)+Tus：表示从外设中的寄存器读取x字节的数据，该操作需要耗费T微秒。即第五关键字用于描述外设的读数据操作，描述信息包括：读取地址、操作时长；

关键字6(Pin k,H/L)+Tus：表示向外设的控制引脚k(如芯片选择引脚)发送逻辑高(H)或逻辑低(L)信号，该操作需要耗费T微秒。即第六关键字用于描述外设的写控制，描述信息包括：引脚标识、写控制信号、操作时长；

关键字7(Pin p,H/L)+Tus：表示检查外设引脚p的状态(如中断请求)，该操作需要耗费T微秒。即第七关键字用于描述外设的读状态，描述信息包括：引脚标识、引脚状态、操作时长；

即本发明实施例中，将各类外设的操作拆解成写数据、读数据、写控制、读状态这四种元操作的不同排列组合，那么就可以仅通过这四种元操作来完整地描述出物联网外设的所有操作。其中，写数据和读数据这两种元操作属于总线操作，写控制和读状态这两种元操作属于功能引脚操作。并通过描述物联网外设配置信息的三个关键字和描述物联网外设控制流程的四个关键字，结合元操作的时序要求，编写出针对一类外设的脚本文件，该脚本文件能完整地描述物联网外设的配置和操作信息，使网关能根据脚本文件正确地向物联网外设发送操作命令。关键字1，2，3分别配置外设的引脚、调度频率和数据格式，而关键字4，5，6，7(即四种元操作)可能会多次重复出现。

通过上述的七个关键字命令就可以很容易的根据外设的数据表(datasheet)来写出其对应的脚本文件。网关设备或网关应用根据脚本文件就能自动驱动物联网外设进行数据传输，从而使得用户不用主动编写驱动程序就能使用外设，达到物联网外设即插即用的功能。

作为一种可能的实现方式，本发明实施例中，给物联网控制设备配置的外设接口，用于处理物联网终端上所有外设输入和输出的晶体管-晶体管逻辑门信号，外设接口统一接收和输出二进制串，而不管具体的上行和下行设备是什么类型。统一的外设接口可进一步设置为三个子单元：引脚配置单元、输入信号生成单元和外设输出编码，其中，引脚配置单元负责解析网关传送来的有关引脚描述的二进制串，并把相应的物联网外设引脚配置成推挽模式或开漏模式；输入信号生成单元负责解析网关传送来的有关物联网外设控制操作的二进制串，并生成对应的物理信号，再将信号发送给物联网外设，以驱动外设正常运行；外设输出编码单元负责把物联网外设返回的数据，结合引脚地址和PID地址一同编码成二进制串，再将二进制串通过上行连接传送给网关，以便于网关进行进一步的处理。

本发明实施例中，网关与物联网外设交互中的数据格式是用于解析从外设接口获取到的数据结果二进制串并将其恢复为实际物理数据或信号。所述数据结果二进制串是指：将物联网外设返回的数据编码成二进制形式。而操作命令二进制串是指将网关发送的对物联网外设的操作命令二进制化。网关接收到数据二进制串，通过脚本文件中由UPDL定义的数据格式描述将其解析成真实的数值或具体的物理信号。数值指感知的具体数值信息，比如温度、湿度等。物理信号则指外设某控制输出引脚的电平变化，比如中断信号等。

即基于本发明实施例提供的外设接入与控制方法，针对物联网系统中的每一种物联网外设，不需要单独开发其对应的物联网控制设备。通过统一的外设接入控制方式，各种物联网外设都可以由网关通过PID来控制，即PID作为了一个统一的控制中间件，由它来对接各类上行和下行设备。避免了现有技术下物联网控制设备各式各样，物联网系统臃肿的问题。

如图3所示，针对一类物联网外设，根据数据表结合UPDL编写其对应的脚本文件(如图4所示)。脚本文件中包括了对物联网外设的配置信息描述和控制信息描述，这两部分描述就足以驱动物联网外设正常工作。脚本文件是由UPDL编写而成的，但是UPDL并不能被PID中的统一的外设接口所识别，需要对其进行编码。网关中的编译器负责把脚本文件中的UPDL编码成计算机能很容易识别的二进制串，同时也便于传输。编码完成后，脚本文件就转化成了一条一条的二进制串，将这些二进制串发送给PID中的统一的外设接口。外设接口获取到二进制串后，解析每一条二进制串的具体含义是什么。不同含义的二进制串会被恢复成不同的物理信号。比如，一条关于物联网外设配置信息中的引脚描述二进制串，会通过统一外设接口中的引脚配置单元恢复成相应的物理信号，将对应引脚的工作模式配置成推挽模式或开漏模式。一条关于物联网外设控制信息中的控制指令二进制串，会通过统一外设接口中的输入信号生成单元生成对应的物理信号，并将生成的物理信号传输给目标外设。物联网外设接收到物理信号后，执行相应的操作，得到相应的数据结果，并将其返回给统一外设接口中的外设输出编码单元，该单元把外设的数据输出、引脚地址和PID地址一同编码成二进制串，再通过上行连接传送到网关，使网关对其进行进一步的处理。

参见图5，该图是针对一类物联网外设(ADXL362)，根据统一的物联网外设配置方式编写出的脚本文件。1～13行通过关键字1，2，3描述了该外设的配置信息，14～21行通过关键字4，5，6，7描述了该外设的控制流程。网关解析该脚本文件，然后按照控制流程循环向外设发送命令，那么网关就能不断读取到外设返回的原始数据，再通过11～13行定义的数据格式命令，将原始数据转换成最终结果。比如在图5所示的脚本文件中，网关会把原始数据通过(X-127)/64这个转换函数转换成X、Y和Z轴三个方向的加速度值。

现有方案下，对每一类物联网外设都需要开发与之对应的物联网控制设备。而本发明实施例避免了这种控制设备和外设1对1的模式，实现了控制设备和外设1对多的模式。物联网系统中只需要使用一个控制设备(即PID)，就能操作多个物联网外设，而且该控制设备不限制上行使用的是何种网关，因为统一的外设接口只接收二进制串，而不关心是谁发送的二进制串。应用统一的外设控制方式，能极大降低物联网系统的复杂性，减少臃肿，促进物联网技术和产品的进一步发展。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.统一的物联网外设接入与控制方法，其特征在于，包括：

配置统一外围描述语言，用于生成物联网外设的功能适配消息，所述功能适配消息包括物联网外设的配置信息和控制信息，所述配置信息包含物联网外设的引脚描述、调度频率和数据格式，所述控制信息包含物联网外设的四种元操作，通过按照时序要求发送四种元操作命令来驱动物联网外设；所述元操作包括：写数据、读数据、写控制和读状态；

配置编译器，所述编译器用于网关对物联网外设的功能适配消息的解析，将功能适配消息中的统一外围描述语言语句转换为二进制命令，以使得物联网控制设备基于所述二进制命令生成物理控制信号；以及解析外设通过物联网控制设备上传的二进制的数据包；

配置外设接口，所述外设接口用于物联网控制设备处理物联网外设输入和输出的逻辑门信号，并统一接收和输出二进制串，所述外设接口的处理内容包括：解析来自网关的有关引脚描述的二进制串，并把相应的物联网外设引脚配置成推挽模式或开漏模式；解析来自网关的有关物联网外设控制操作的二进制串，并生成对应的物理信号，再将物理信号发送给物联网外设，以驱动物联网外设正常运行；根据配置的数据封装格式，将物联网外设返回的信息编码成二进制串并上传给网关；

基于所述统一外围描述语言生成各类物联网外设的脚本文件，构建网关本地的脚本文件库；所述脚本文件包括对物联网外设的配置信息描述和控制信息描述；

当物联网控制设备检测到有新的物联网外设接入时，向网关发送携带外设ID的通知消息，网关基于该外设ID在本地的脚本文件库匹配对应的脚本文件，并经编译器解析为对应的二进制命令，再发送给物联网控制设备；以引导物联网控制设备匹配当前接入的物联网外设的每个引脚的连接要求；

所述编译器从匹配到的脚本文件中读取外设控制流程描述，对于每一条控制流程描述，编译器按照指定的时序要求生成对应的控制指令，并在时序要求匹配的时间点发送给物联网控制设备，以使得物联网控制设备驱动物联网外设工作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括配置编码表，所述编码表包括关键字编码表、引脚类型编码表和引脚功能编码表，其中，关键字编码表用于描述物联网外设的外设配置和外设操作；构建网关本地的脚本文件库时，根据配置的编码表和统一外围描述语言生成各类物联网外设的脚本文件，且编译器基于所述编码表进行相关的解析处理。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述关键字编码表包括七个关键字，用于描述物联网外设的外设配置的三个关键字，以及用于描述物联网外设的外设操作的四个关键字，分别为：

描述外设配置的第一关键包括三个参数：引脚标识、引脚类型和引脚功能；

描述外设配置的第二关键字包括四个参数：外设优先级、最低调度频率、标准调度频率和最高调度频率；

描述外设配置的第三关键字包括四个参数：外设返回数据标识、数据类型、数据转换方法和数据单位；

第四关键字用于描述外设的写数据操作，描述信息包括：存储地址、操作时长；

第五关键字用于描述外设的读数据操作，描述信息包括：读取地址、操作时长；

第六关键字用于描述外设的写控制，描述信息包括：引脚标识、写控制信号、操作时长；

第七关键字用于描述外设的读状态，描述信息包括：引脚标识、引脚状态、操作时长。

Images