基于物联网的传感器柔性接入系统及其柔性接入方法

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基于物联网的传感器柔性接入系统及其柔性接入方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于物联网的传感器柔性接入系统及其柔性接入方法。\n背景技术\n[0002] 物联网技术发展迅速，已经成为继计算机互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。世界各国的未来信息化发展方向和战略，均从不同方向向物联网靠进。\n[0003] 物联网大致可以分为三层，感知层、网络层和应用层。物联网终端节点作为处在物联网金字塔底层的设备，担任着数据采集、初步处理转化、向上层传输的作用，是物联网中的关键设备，通过物联网终端的转换和采集，才能将各种外部感知数据汇集和处理，并将数据通过各种通讯方式传输到互联网中。因此物联网的发展水平很大程度取决于物联网终端的研发和应用水平。\n[0004] 物联网终端设备是物联网感知的核心组成。当前传统的物联网终端大多为针对某一特定领域的应用而开发的单一功能终端，该类终端一般外部接口较少，仅满足单一应用或单一应用的部分扩展，除了这种应用外，在不经过硬件修改的情况下无法应用到其他场合中，不能随应用变化进行功能改造和扩充等，通用性及兼容性较差，制约着物联网终端设备的使用与推广。\n发明内容\n[0005] 本发明提供一种基于物联网的传感器柔性接入系统及其柔性接入方法，有效解决了现有技术中存在的传感器接口较少、获取数据种类单一、兼容性差等技术问题。\n[0006] 为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：\n[0007] 一种基于物联网的传感器柔性接入系统，包括至少一传感器、一终端节点、一协调器以及一用户应用终端；\n[0008] 所述传感器，用于采集所述传感器周围的环境数据；\n[0009] 所述用户应用终端，用于输入操作指令及显示所述环境数据；\n[0010] 所述终端节点，用于从所述传感器获取所述环境数据并发送所述环境数据至所述协调器；\n[0011] 所述协调器，用于从所述终端节点获取所述环境数据、传送所述环境数据至所述用户应用终端，以及传送所述操作指令至所述终端节点；\n[0012] 所述终端节点包括：\n[0013] 至少一柔性接口，用于从所述传感器获取所述环境数据；\n[0014] 一节点处理器，用于对所述环境数据进行格式转换处理；以及\n[0015] 一节点无线通讯模块，用于传送所述环境数据至所述协调器，及传送所述操作指令至所述节点处理器；\n[0016] 所述协调器包括一协调器通讯模块，用于获取所述环境数据，传送所述操作指令至所述终端节点；所述协调器通讯模块与所述节点无线通讯模块相对应，以无线通信方式实现数据交换；\n[0017] 所述传感器通过所述柔性接口连接至所述终端节点，所述终端节点以无线通信方式连接至所述协调器，所述协调器通过数据线连接至所述用户应用终端。\n[0018] 进一步地，所述柔性接口为对应所述传感器的柔性传感器转换接口，每一传感器连接至与其对应的柔性接口。\n[0019] 进一步地，所述操作指令包括用于设置所述柔性接口的设置指令以及用于读取所述环境数据的读取指令。\n[0020] 进一步地，所述协调器通讯模块与所述节点无线通讯模块皆为2.4G无线通信模块。\n[0021] 本发明还涉及一种基于物联网的传感器柔性接入方法，包括如下步骤：\n[0022] 设置一终端节点，所述终端节点包括至少一柔性接口及一节点处理器，所述柔性接口为对应被接入的传感器的柔性传感器转接口，所述节点处理器内安装有一操作系统；\n[0023] 设置一协调器及一用户应用终端，无线连接所述终端节点至所述协调器，通过数据线连接所述应用终端至所述协调器；\n[0024] 将被接入的传感器连接至对应所述传感器的柔性接口；以及\n[0025] 在所述操作系统中注册所述传感器。\n[0026] 进一步地，在所述操作系统中注册所述传感器，包括如下步骤：\n[0027] 创建一虚拟传感器设备链表；\n[0028] 在所述虚拟传感器设备链表中注册一虚拟设备，所述虚拟设备包括虚拟设备信息及虚拟驱动接口；\n[0029] 获取对应被接入传感器的传感器信息及传感器驱动程序；以及\n[0030] 将所述传感器信息赋值给所述虚拟设备信息，并将所述传感器驱动程序赋值给所述虚拟驱动接口。\n[0031] 进一步地，所述虚拟设备信息包括所述虚拟设备的种类、型号及功能，所述虚拟驱动接口包括一初始化函数接入口、一读函数接入口以及一写函数接入口；所述传感器的传感器信息包括所述传感器的种类、型号及功能；所述传感器驱动程序包括一传感器初始化函数、一传感器读函数以及一传感器写函数。\n[0032] 进一步地，将所述传感器驱动程序赋值给所述虚拟驱动接口，包括：将所述传感器初始化函数的地址赋值给所述初始化函数接入口；将所述传感器读函数的地址赋值给所述读函数接入口；以及将所述传感器写函数的地址赋值给所述写函数接入口。\n[0033] 本发明优点在于，提供一种柔性接入系统及其柔性接入方法，将传感器柔性接入至物联网终端节点。在现有物联网终端节点上可额外接入不同类型、不同用途的传感器，实现了不同的传感器等感知设备与终端模块在软硬件上的兼容。本发明通过一种经济、高效、可靠的方式来实现基于物联网的传感器柔性接入技术，扩展性好、兼容性好。\n附图说明\n[0034] 图1为本发明中基于物联网的传感器柔性接入系统的结构示意图；\n[0035] 图2为本发明中基于物联网的传感器柔性接入方法的流程图；\n[0036] 图3为本发明中在终端节点的操作系统中注册所述传感器的方法流程图；\n[0037] 图4为本发明中新接入的传感器注册过程示意图。\n具体实施方式\n[0038] 以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实现本发明。应当理解，尽管本发明描述了其优选的具体实施方案，然而这些只是对实施方案的阐述，而不是限制本发明的范围。\n[0039] 如图1所示，本发明涉及一种基于物联网的传感器柔性接入系统，包括至少一传感器1、一终端节点2、一协调器3以及一用户应用终端4；其中，传感器1用于采集所述传感器周围的环境数据；用户应用终端4用于输入操作指令及显示所述环境数据，所述操作指令包括用于设置所述柔性接口的设置指令以及用于读取所述环境数据的读取指令；终端节点2用于从所述传感器获取所述环境数据并发送所述环境数据至所述协调器；协调器3用于从所述终端节点获取所述环境数据、传送所述环境数据至所述用户应用终端，以及传送所述操作指令至所述终端节点。\n[0040] 终端节点2包括：\n[0041] 至少一柔性接口21、22，用于从所述传感器获取所述环境数据；\n[0042] 一节点处理器23，用于对所述环境数据进行格式转换处理；以及\n[0043] 一节点无线通讯模块24，用于传送所述环境数据至所述协调器，及传送所述操作指令至所述节点处理器；\n[0044] 协调器3包括一协调器通讯模块31，用于获取所述环境数据、传送所述操作指令至终端节点2；协调器通讯模块31与节点无线通讯模块24相对应，以无线通信方式实现数据交换。\n[0045] 节点处理器23为德州仪器公司生产的CC2530型处理器；柔性接口21、22为对应所述传感器的柔性传感器转换接口（不同种类的转化接口对应不同种类的传感器），该柔性传感器接口提供用于与传感器11相连接的自定义GPIO引脚以及电源引脚，根据接入的传感器\n1（传感器11）的不同，设置不同的柔性转接口的自定义引脚。设置好物联网终端节点2的柔性接口之后，便可以开始将不同的传感器连接到物联网终端节2中。传感器11、12通过柔性接口21、22连接至终端节点2，每一传感器连接至与其对应的柔性接口，传感器11连接至柔性接口21，传感器12连接至一柔性接口22。协调器通讯模块31与节点无线通讯模块24皆为\n2.4G无线通信模块，利用射频天线及功率放大器实现数据收发，终端节点2以无线通信方式连接至协调器3，协调器3将命令和数据打包生成相应的无线请求包，发送至终端节点2；终端节点2将所述环境数据打包生成无线响应包，发送至协调器3，终端节点2与协调器3之间以无线请求包、无线响应包形式实现数据交换。协调器3通过RS232串口数据线连接至用户应用终端4，用户应用终端4发送串口请求包至协调器3，协调器3返回串口响应包至用户应用终端4。\n[0046] 传感器11硬件部分接入完成后，还需要利用软件获取传感器11、12的驱动程序。在终端节点的操作系统中，创建一个虚拟传感器设备链表，在该虚拟设备链表中，存有各种类型的虚拟设备信息接口及驱动程序的接口，其中，所述虚拟设备信息接口及所述驱动程序的接口以函数指针的形式存在，为实现传感器驱动程序的接入，只需要将所述接口的函数指针指向对应的驱动程序即可，当传感器的所有驱动程序以及设备信息接入之后，便在虚拟设备链表中形成了一个虚拟设备，之后的任何应用层的对传感器的操作都是对该虚拟设备的操作。\n[0047] 本发明所述的一种基于物联网的传感器柔性接入系统，将传感器通过柔性接口接入系统后即可正常工作。将传感器通过柔性接口接入系统的方法，包括硬件接入和软件接入，详见下文说明。在工作中，用户通过用户应用终端3发送操作指令之后，用户应用终端3通过串口数据线将操作指令发送给协调器4，所述操作指令包括用于设置所述柔性接口的设置指令以及用于读取所述环境数据的读取指令。协调器1根据用户终端发送的命令做出相应的响应，并将命令转化成无线通讯数据帧，通过无线通信方式发送给各终端节点2，终端节点2接收到数据之后会解析其中的各种命令和数据。当用户发送的是用于设置所述柔性接口的设置指令时，按照该指令配置传感器11，终端节点2调取对应传感器11类型的驱动程序，通过与该传感器11类型对应的通讯时序和通讯指令来实现与传感器11的无线通讯；\n当用户发送的是用于读取所述环境数据的读取指令时，终端节点2解析指令后发送传感器\n11的数据读取指令，等待传感器11返回数据。传感器11通过所述无线网络返回数据之后，终端节点2根据相应的传感器通讯数据格式从中解析出所需要的数据，并构建出无线数据包，发送至协调器4；协调器4接收到数据之后，将结果转化成协调器和应用终端之间的数据通讯协议，终端应用程序检测到协调器4发送来的数据之后，将传感器的数据和具体信息通过用户应用终端3呈现给用户，用户便得到了数据。\n[0048] 附表1\n[0049]\n地址 传感器类型码 功能码 数据（可选）\n2字节 1字节 1字节 N字节\n[0050] 参见附表1，该表为用户终端到协调器的串口请求包的指令格式，其通信方式为串口RS232通信，其中地址分为两种，协调器地址和终端节点地址，协调器地址固定为0x0000,终端节点地址从0x0002到0xFFF0，0x0001为缺省地址，0xFFFF为广播地址；传感器类型码指要操作的柔性接入到终端节点的传感器的名称、类型代码；功能码用来表示用户操作的命令代号，0x00表示初始化传感器，0x01表示设置传感器，0x02表示读取传感器数据，0x03表示复杂指令，0x04表示检查协调器的工作状态，0x06表示唤醒终端节点。数据位是和命令相关的操作数，不同的命令操作数个数不一样。\n[0051] 附表2\n[0052]\n长度 节点地址 传感器类型码 功能码 状态 数据（可选）\n1字节 2字节 1字节 1字节 1字节 N字节\n[0053] 参见附表2，该表为协调器到用户终端的串口响应数据包的指令格式，其中，长度位指协调器返回数据总长度包括自身在内；节点地址指发送该数据的终端接点的地址；传感器类型码同表1，表示操作的传感器的名称、类型代码；功能码的作用同表1；状态用来表示命令执行的结果，0xFE表示失败，0xFF表示执行成功。数据用来表示返回请求的数据，不同命令各不相同。\n[0054] 附表3 协调器到终端节点的无线请求数据包的指令格式\n[0055]\n前缀 传感器类型码 节点ID 功能码 数据（可选）\n1字节 1字节 1字节 1字节 N字节\n[0056] 参见附表3，该表为协调器到终端节点的无线请求数据包的指令格式，其中前缀用来实现数据的重发机制，每发送一次加1，用来判断接受到的是否是重复的数据。传感器类型码功能同表1和表2；节点ID用来表示将要操作的终端节点的地址；功能码用来代表不同的操作指令，功能与附表1相同；数据位作用与附表1相同，命令操作数据，不同命令后面的操作数据不同，有些命令没有操作数。\n[0057] 附表4 终端节点到协调器的无线数据响应包的指令格式\n[0058]\n前缀 传感器类型码 节点ID 功能码 状态位 数据位（可选）\n1字节 1字节 1字节 1字节 1字节 N字节\n[0059] 参见附表4，该表为终端节点到协调器的无线数据响应包的指令格式，其中前缀用来判断是否发送的是同一数据，初始值为0，之后每次接收到一次数据之后就在原来的基础上加1。传感器类型码功能与附表1相同；节点ID，功能码返回和发送过来请求命令一样，意义也一样；状态位用来表示请求命令执行状态，如果是0xFE表示执行失败，如果是0xFF则表示执行成功。数据位用来表示命令请求的数据。\n[0060] 如图2所示，本发明还涉及一种基于物联网的传感器柔性接入方法，包括如下步骤：\n[0061] 步骤S1）设置一终端节点，所述终端节点包括至少一柔性接口及一节点处理器；所述柔性接口为对应被接入传感器的柔性传感器转接口，所述节点处理器内安装有一操作系统；所述节点处理器为德州仪器公司生产的CC2530型处理器，所述操作系统为CC2530型处理器对应的ZigBee协议栈内的OSAL实时操作系统。\n[0062] 步骤S2）设置一协调器及一用户应用终端，无线连接所述终端节点至所述协调器，通过数据线连接所述应用终端至所述协调器；\n[0063] 步骤S3）将被接入的传感器连接至对应所述传感器的柔性接口；以及[0064] 步骤S4）在所述操作系统中注册所述传感器。\n[0065] 其中，在该柔性传感器接口上，提供用于与传感器相连接的自定义GPIO引脚以及电源引脚，根据接入的环境感知设备不同，设置不同的柔性转接口的自定义引脚。所述传感器、所述终端节点、所述协调器及所述用户应用终端与上文中所述一种基于物联网的传感器柔性接入系统相同，其内部结构无需赘述。上述步骤1）-3）为本发明中硬件接入部分，步骤4）为软件接入部分，即利用软件获取传感器11、12的驱动程序。\n[0066] 如图3所示，在所述操作系统中注册所述传感器，包括如下步骤：\n[0067] 步骤S401）在所述操作系统中创建一虚拟传感器设备链表；所述虚拟传感器设备链表可以用于存储不同种类的传感器信息及与其对应的不同种类传感器驱动程序；\n[0068] 步骤S402）在所述虚拟传感器设备链表中注册一虚拟设备，所述虚拟设备包括虚拟设备信息及虚拟驱动接口；所述虚拟设备信息包括所述虚拟设备的种类、型号及功能，所述虚拟驱动接口包括一初始化函数接入口、一读函数接入口以及一写函数接入口；所述传感器的传感器信息包括所述传感器的种类、型号及功能；所述传感器驱动程序包括一传感器初始化函数、一传感器读函数以及一传感器写函数；\n[0069] 步骤S403）获取对应被接入传感器的传感器信息及传感器驱动程序；用户通过查阅传感器的官方资料（如传感器说明书等文献）即可获取该传感器的传感器信息及传感器驱动程序，再将其通过用户应用终端输入至所述终端节点的操作系统；所述传感器的传感器信息包括所述传感器的种类、型号及功能等；所述传感器驱动程序包括一传感器初始化函数、一传感器读函数以及一传感器写函数等；以及\n[0070] 步骤S404）将所述传感器信息赋值给所述虚拟设备信息接口，并将所述传感器驱动程序赋值给所述虚拟驱动接口。\n[0071] 虚拟设备链表中存有各种类型的虚拟设备信息接口及驱动程序的接口，以便存储被接入传感器的传感器信息及传感器驱动程序。其中，所述虚拟设备信息接口及所述驱动程序的接口以函数指针的形式存在，只需要将所述接口的函数指针指向对应的驱动程序即可实现传感器驱动程序的接入。当传感器的所有驱动程序以及设备信息接入之后，便在虚拟设备链表中形成了一个虚拟设备，该虚拟设备与被接入的传感器相同，在此之后的任何应用层的对传感器的操作都是对该虚拟设备的操作。\n[0072] 将所述传感器驱动程序赋值给所述虚拟驱动接口，包括：将所述传感器初始化函数的地址赋值给所述初始化函数接入口，执行虚拟初始化函数；将所述传感器读函数的地址赋值给所述读函数接入口，执行虚拟读函数；以及将所述传感器写函数的地址赋值给所述写函数接入口，执行虚拟写函数。当然，所述传感器驱动程序可能还包括其他可执行函数，根据传感器的不同类型，其具体驱动程序也各不相同。\n[0073] 例如，如图4所示，确定被接入的传感器之后，通过查阅传感器11的官方资料确定与其对应的传感器信息及传感器驱动程序，其驱动程序包括初始化函数、读函数、写函数等。终端节点操作系统在虚拟感知设备链表中，新注册一个对应该传感器11的虚拟感知设备13，将传感器11的传感器信息赋值给新注册的虚拟设备信息，将传感器驱动程序代入至虚拟驱动程序。具体地说，传感器驱动程序代入至虚拟驱动程序，是指，在操作系统中，将Init函数（传感器初始化函数）地址赋值给虚拟设备13的Init函数接入口（初始化函数接入口），执行虚拟初始化函数；将Read函数（传感器读函数）地址赋值给虚拟设备13的Read函数接入口（读函数接入口），执行虚拟读函数；将Write函数（传感器写函数）地址赋值给虚拟感知设备13的Write函数接入口（写函数接入口），执行虚拟写函数；。通过以上步骤完成了新加入的传感器11的注册，实现了传感器11的柔性接入。当要对传感器11操作时候，操作系统在虚拟感知设备链表中查找到新注册的虚拟感知设备信息13，运行虚拟Init函数完成对传感器13的初始化；运行虚拟Write函数，便完成对传感器13的写操作；运行虚拟Read函数，由此完成对传感器读操作。所述虚拟驱动接口获取所述传感器驱动程序，所述虚拟驱动程序运行后，软件接入过程完成，此时传感器11可以正常使用。此时，虚拟设备形成一个虚拟传感器，用户可以通过用户应用终端对该虚拟传感器进行操作，包括参数配置、获取数据、存储数据等。\n[0074] 同理，终端节点操作系统在虚拟感知设备链表中，新注册一个对应该传感器12的虚拟感知设备14，将传感器12的信息赋值给新注册的虚拟感知设备信息，在传感器12中，将Init函数地址赋值给虚拟设备14的Init函数接入口，将Read函数地址赋值给虚拟设备14的Read函数接入口，将Write函数地址赋值给虚拟感知设备14的Write函数接入口。通过以上步骤完成了新加入的传感器12的注册，实现了传感器12的柔性接入。当要对传感器12操作时候，操作系统在虚拟感知设备链表中查找到新注册的虚拟感知设备信息14，运行虚拟Init函数完成对传感器14的初始化；运行虚拟Write函数，便完成对传感器A的写操作；运行虚拟Read函数，由此完成对传感器读操作。所述虚拟驱动程序运行后，软件接入过程完成，此时传感器12可以正常使用。\n[0075] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理及技术方案的前提下，还可以对此做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。