CN110247967A - 物联网智能网关及其智能数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息传输与处理技术领域，具体涉及了一种物联网智能网关及其智能数据处理方法，旨在解决现有的物联网网关无法应用于矿山复杂环境的问题。本发明装置的智能数据处理模块包括：智能数据处理模块包括数据表示模块，将获取的每一路传感器信号生成传感器信号数据表；智能数据包分析模块，接收所述传感器信号数据表，并通过内置的智能数据处理方法转换为传感器信号报文体；智能传感设备地址编码模块，接收所述传感器信号报文体，提取传感器相关信息并整合为数据包。本发明将协议转换为数字表示方法，满足了多种协议下的使用，并且其动态接口地址编码，能够实现接口的动态配置，可以建立井下设备的地址，将井下设备连接到物联网中。

Description

物联网智能网关及其智能数据处理方法

技术领域

本发明属于信息传输与处理技术领域，具体涉及了一种物联网智能网关及其智能数据处理方法。

背景技术

“物联网”概念的问世，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和信息基础设施分开。对煤矿等安全生产领域，在“物联网”时代，可以将瓦斯、CO等各类传感器、电缆、电气机械设备等等的芯片、宽带整合为统一的基础设施，物联网可以对煤矿复杂环境下生产***内的人员、机器、设备、基础设施、环境安全实施更加实时有效的协同管理和控制。物联网概念为建立煤矿安全生产与预警救援新体系提出了新的思路和方法。矿山物联网的重点，就是解决矿井“人、机、物、环”安全高效运转问题，创造本质安全型作业环境，保障人身安全，提高设备的使用效率。

如何利用物联网技术解决煤矿生产中人员安全环境、机电设备的感知问题，解决矿山灾害状况的预测预报、减少或避免重大灾害事故的发生，解决安全生产的智能化监控，这些都是矿山物联网重点关注的问题。

当前矿山的情况很复杂，存在传感器多样性，协议多样性，管理方式多样性，这对物联网相关技术应用到矿山提出了很大的挑战。因此，矿山物联网应用不是简单的矿山综合自动化，而是在此基础上，利用物联网技术进一步完善矿山综合自动化，需要建立能够适应传感器多样性和协议多样性的智能网关设备[1]。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1]费敏锐、王海宽、王佳承、黄丹青、马成喜、付敬奇：工业无线网接入工业以太网和现场总线的多协议网关及协议转换方法，2008-10-23.

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有的物联网网关无法应用于矿山复杂环境的问题，本发明提供了一种物联网智能网关，该网关包括智能数据处理模块，所述智能数据处理模块包括数据表示模块、智能数据包分析模块、智能传感设备地址编码模块；

所述数据表示模块，配置为将获取的每一路传感器信号生成传感器信号数据表；

所述智能数据包分析模块，配置为接收所述传感器信号数据表，并通过内置的智能数据处理方法转换为传感器信号报文体；

所述智能传感设备地址编码模块，配置为接收所述传感器信号报文体，提取传感器相关信息并整合为数据包。

在一些优选的实施例中，所述数据表示模块包括物理层收发单元、字节内容缓冲单元、时隙信息缓冲单元、数据表生成单元；

所述物理层收发单元，配置为将获取的每一路传感器信号解析，得到字节内容、字节间时间信息；

所述字节内容缓冲单元，配置为接收所述字节内容并存储；

所述时隙信息缓冲单元，配置为接收所述字节间时间信息并存储；

所述数据表生成单元，配置为接收所述字节内容缓冲单元、时隙信息缓冲单元存储的字节内容、字节间时间信息，并生成传感器信号数据表。

在一些优选的实施例中，所述数据表示模块还包括物理层程序更新单元；

所述物理层程序更新单元，配置为当所述智能数据包分析模块进行智能数据匹配失败，则发送程序更新请求信息，并在接收到反馈信息后，进行所述物理层收发单元的解析程序升级。

在一些优选的实施例中，所述智能数据处理模块基于FPGA芯片。

在一些优选的实施例中，所述物联网智能网关还包括通信接口模块；

所述通信接口模块，将不同接口的电气特性信号转换成适合FPGA处理的信号，并将该信号传输至所述智能数据处理模块。

在一些优选的实施例中，所述接口为CAN接口、WIFI接口、802.15.4接口、RS485接口、RS232接口、光纤接口、RJ45接口、TD-SCDMA/GPRS/GSM中的一种或多种。

在一些优选的实施例中，所述传感器相关信息包括传感器类型、传感器接口编号、总线类型、传感器所属位置、传感器值；

通过所述传感器类型、传感器接口编号、总线类型检索传感器对应的IP地址，并将所述IP地址、传感器所属位置、传感器值整合为数据包。

本发明的另一方面，提出了一种物联网智能网关中智能数据处理方法，基于上述的物联网智能网关，其匹配方法为：

步骤S10，获取传感器信号数据表作为待匹配数据表；

步骤S20，查找并判断网关接口协议存储表中是否存有所述待匹配数据表对应传感器通道的状态转换模板；

步骤S30，若步骤S20判断结果为是，则执行步骤S40；否则，执行步骤S50；

步骤S40，将所述待匹配数据表与网关接口协议存储表中相应状态转换模板进行匹配，生成匹配成功报文本；

步骤S50，将所述待匹配数据表与网关接口协议存储表中所有状态转换模板进行匹配，并判断匹配是否成功；

步骤S60，若步骤S20判断结果为是，则生成匹配成功报文本；否则，生成匹配不成功报文本。

在一些优选的实施例中，所述匹配不成功报文本采用模式串匹配法进行搜索、统计分析。

在一些优选的实施例中，所述模式串匹配法包括良好字符模式的搜索、统计，不良好字符模式的搜索、统计；

所述良好字符模式，为所述传待匹配数据表中数据均有一定规律；

所述不良好字符模式，为所述传待匹配数据表中含有不规律的数据。

本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的智能数据处理方法。

本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的智能数据处理方法。

本发明的有益效果：

(1)本发明物联网智能网关，将协议转换为数字表示方法，实现状态转换模板表示协议，用于协议的匹配解析，满足了多种协议下的使用。

(2)本发明物联网智能网关，其动态接口地址编码，能够实现接口的动态配置，可以建立井下设备的地址，将井下设备连接到物联网中。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明物联网智能网关结构示意图；

图2为本发明物联网智能网关一种实施例的网关拓扑关系示意图；

图3为本发明物联网智能网关一种实施例的智能数据处理方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的一种物联网智能网关，该网关包括智能数据处理模块，所述智能数据处理模块包括数据表示模块、智能数据包分析模块、智能传感设备地址编码模块；

所述数据表示模块，配置为将获取的每一路传感器信号生成传感器信号数据表；

所述智能数据包分析模块，配置为接收所述传感器信号数据表，并通过内置的智能数据处理方法转换为传感器信号报文体；

所述智能传感设备地址编码模块，配置为接收所述传感器信号报文体，提取传感器相关信息并整合为数据包。

为了更清晰地对本发明物联网智能网关进行说明，下面结合图1对本发明物联网智能网关中各装置展开详述。

本发明提供一种物联网智能网关，其下端与传感器通过通讯接口模块相连接，上端通过通用光纤环网接口与通用光纤环网相连接：

一是用于接收各传感器的数据包信息，进行多种协议的智能标准化处理、识别、统一地址编码，并将统一编码后的传感信息传输至上位机；二是用于接收上位机指令，向各传感器发送并执行这些指令。

本发明一种实施例的物联网智能网关，该网关包括智能数据处理模块：

智能数据处理模块的硬件平台是FPGA或者其他可编程芯片，用于利用状态转移模板，对上述适合FPGA处理的信号进行协议匹配解析，生成包含IP地址、设备所属位置和传感器数据的数据包，并将该数据包通过通用光纤环网传输至上位机。智能数据处理模块包括数据表示模块、智能数据包分析模块、智能传感设备地址编码模块：

数据表示模块，配置为将获取的每一路传感器信号生成传感器信号数据表，包括物理层收发单元、字节内容缓冲单元、时隙信息缓冲单元、数据表生成单元：

物理层收发单元，配置为将获取的每一路传感器信号解析，得到字节内容、字节间时间信息；

字节内容缓冲单元，配置为接收所述字节内容并存储；

时隙信息缓冲单元，配置为接收所述字节间时间信息并存储；

数据表生成单元，配置为接收所述字节内容缓冲单元、时隙信息缓冲单元存储的字节内容、字节间时间信息，并生成传感器信号数据表，如表1所示：

表1

字节内容	字节1	字节2	字节3	…	字节N
						时间信息	正向时间	正向时间	正向时间	…	正向时间

数据表示模块还包括物理层程序更新单元：

当智能数据包分析模块进行智能数据匹配失败，则发送程序更新请求信息，并在接收到反馈信息后，进行所述物理层收发单元的解析程序升级。

本发明一个实施例中，原有程序是CAN总线程序，需要更新为RS485程序，由上位机下发更新程序文件到远程程序更新模块，之后，该模块将对FPGA上的模块进行选择性的更新。

智能数据包分析模块，配置为接收所述传感器信号数据表，并通过内置的智能数据处理方法转换为传感器信号报文体。

智能数据包分析模块，读取数据表中的内容，利用智能协议分析引擎将数据表内容和库模板中已有的协议状态转换模板进行匹配，将数据表内容按照匹配的协议状态转换模板转化为报文体。协议状态转换模板如表2所示：

表2

状态模板可以存储在智能协议分析引擎的库模板中，表示很多类型的应用协议。状态模板是由下述元素构成的三元组：字节内容、状态关系、时间信息。

字节内容为当前字节内容。

状态关系包括正向期待状态和跳转环。正向期待状态表示当前字节所期望的下一个字节的内容；当出现跳转环，则在图形中出现了一个环。环的信息，用跳转指向的字节偏移位置表示，正数偏移为向高字节方向偏移，负数偏移为向低字节方向偏移，0代表该位置没有跳转环。

时间信息用于辅助识别完整数据包。当时间空隙大于平均时间空隙时，一个完整的数据包可能开始或者已经结束。

本发明一个实施例中数据表如表3所示：

表3

对上述的数据表，其协议状态转换模板如表4所示：

表4

其中，x表示任意数据，t0、t8远大于t1到t7的平均值，表示这是一个完整的数据包。

表3所示的数据表解析出来的数据为：a e f h。

将匹配成功的数据表生成报文体，报文体含有：数据信息、接口信息。传感器类型。

所述智能传感设备地址编码模块，配置为接收所述传感器信号报文体，提取传感器相关信息并整合为数据包。

所述传感器相关信息包括传感器类型、传感器接口编号、总线类型、传感器所属位置、传感器值；

通过所述传感器类型、传感器接口编号、总线类型检索传感器对应的IP地址，并将所述IP地址、传感器所属位置、传感器值整合为数据包，如表5所示：

表5

IP地址	设备所属位置	传感器数据
			IP网段	巷道1	(XXXXXX)

智能传感设备地址编码模块可以和上位机交互，获得并保存有各个接口上的传感器种类和传感器区域。编码的目的是建立与井下巷道和工作面地址在各个位置的设备结合的IP，完成整个大矿区的巷道网段、工作面、设备的IP编码，形成如上表格中所表示的关系。

生成结构的数据包的目的是，进行地理模块划分，建立基于传感器类型、地址、数据类型、传感器关系的地址编码方法，建立分区域地理模块的构架，挂接多种传感器和执行模块。单一地理模块内，多种传感器共同对负责区域进行有效感知。感知层的感知数据，为通过各类传感器，获得的感知对象的信息。如采集井下风、压力、温度、水位、瓦斯等环境信息和顶板离层、锚杆锚索、设备状态信息等。这些无线传感器作为单一个体负责感知一定覆盖范围内的信息，作为网络中的一员，在感知层内，传感器互相之间存在信息相容的规则，传感器之间能够互相通信，建立传感器数据检索与融合模型。

上述过程为从网关到上位机的通信过程。从上位机到网关的通信过程是一个反向过程，包括智能地址编码的地址解析，得到相应传感器接口，然后在智能协议分析模板里，找到该接口的协议模板，将报文体转换成状态转换模板，然后送至字节缓冲和时间缓冲，经物理层收发器，到通信接口模块，变成适合总线传输的信号。

智能数据处理模块基于FPGA芯片，还包括通信接口模块：

所述通信接口模块，将不同接口的电气特性信号转换成适合FPGA处理的信号，并将该信号传输至所述智能数据处理模块。

所述接口为CAN接口、WIFI接口，802.15.4接口，RS485接口，RS232接口，光纤接口，RJ45接口，TD-SCDMA/GPRS/GSM中的一种或多种。

通信接口模块兼容CAN接口、WIFI接口、802.15.4接口、RS485接口、RS232接口、光纤接口、RJ45接口、TD-SCDMA/GPRS/GSM等接口，将上述不同的接口电气特性信号转换成适合FPGA处理的信号，供FPGA上的智能数据处理模块处理，或者反方向将智能数据处理模块的标准信号转化成适合上述接口传输的信号。

如图2所示，为本发明物联网智能网关一种实施例的网关拓扑关系示意图，各物联网智能网关各自配有通讯接口，接收传感器信息，各物联网智能网关通过矿用光纤环网接口连接至矿用光纤环网，并与上位机相连。

本发明一个实例中，将传感器2条线缆连接到网关的通讯接口模块的接线柱上，并将网关接到通用环网上。接线柱对应的物理层收发器是CAN收发器，而传感器的接口是RS485。通电工作后，网关检测物理层收发器不对，向上位机发出更新申请。工作人员在看到申请消息后，检查相应接口，在上位机上选择CAN收发器的程序，发送到网关上，网关会在不破坏其他模块的情况下，更新该接口的物理层收发器。网关在成功收到传感器的数据包后，发现库内的所有模板都不适合，在累积一定数量的数据包后，网关调用智能协议分析方法，进行模式串分析。工作人员看到分析结果后，制定新的协议模板，将此模板发送给网关，进行协议更新。数据包被匹配后，网关对接口和传感器，进行统一的编码。例如，区域一IP是187.432.199.0，水纹信息传感器编码统一为00。上位机收到数据后，显示的形式是“区域一，水纹传感器”，这样有利于矿区对所有的设备进行统一的检索。

本发明第二实施例的物联网智能网关智能数据处理方法，基于上述的物联网智能网关，其匹配方法为：

步骤S10，获取传感器信号数据表作为待匹配数据表；

步骤S20，查找并判断网关接口协议存储表中是否存有所述待匹配数据表对应传感器通道的状态转换模板；

步骤S30，若步骤S20判断结果为是，则执行步骤S40；否则，执行步骤S50；

步骤S40，将所述待匹配数据表与网关接口协议存储表中相应状态转换模板进行匹配，生成匹配成功报文本；

步骤S50，将所述待匹配数据表与网关接口协议存储表中所有状态转换模板进行匹配，并判断匹配是否成功；

步骤S60，若步骤S20判断结果为是，则生成匹配成功报文本；否则，生成匹配不成功报文本。

如图3所示，为本发明物联网智能网关一种实施例的智能数据处理方法流程示意图，通过查询网关接口协议存储表中是否存有待匹配数据表对应传感器通道的模板，将有对应模板的数据表与相应的模板匹配，生成匹配成功报文本，将无对应模板的数据表与所有模板进行匹配，并判断匹配是否成功，匹配成功则生成匹配成功报文本，否则生成匹配不成功报文本。

所述匹配不成功报文本采用模式串匹配法进行搜索、统计分析，包括良好字符模式的搜索、统计，不良好字符模式的搜索、统计；

所述良好字符模式，为所述传待匹配数据表中数据均有一定规律。例如，数据包头、数据包尾、数据长度、递增数据、递减数据、平滑数据等。本发明一个实施例中，物联网网关采用模糊聚类分析方法，从数据表中识别出良好字符并将这些数据连同数据表一起发到服务器。

所述不良好字符模式，为所述传待匹配数据表中含有不规律的数据。例如，离散数据(开关数据)、转义字符、特定编码含义字符、复杂报头等。本发明一个实施例中，物联网网关将数据表存储，并发到服务器，进行人工分析。

本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的智能数据处理方法。

本发明第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的智能数据处理方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种物联网智能网关，其特征在于，该网关包括智能数据处理模块，所述智能数据处理模块包括数据表示模块、智能数据包分析模块、智能传感设备地址编码模块；

所述数据表示模块，配置为将获取的每一路传感器信号生成传感器信号数据表；

所述智能数据包分析模块，配置为接收所述传感器信号数据表，并通过内置的智能数据处理方法转换为传感器信号报文体；

所述智能传感设备地址编码模块，配置为接收所述传感器信号报文体，提取传感器相关信息并整合为数据包。

2.根据权利要求1所述的物联网智能网关，其特征在于，所述数据表示模块包括物理层收发单元、字节内容缓冲单元、时隙信息缓冲单元、数据表生成单元；

所述物理层收发单元，配置为将获取的每一路传感器信号解析，得到字节内容、字节间时间信息；

所述字节内容缓冲单元，配置为接收所述字节内容并存储；

所述时隙信息缓冲单元，配置为接收所述字节间时间信息并存储；

所述数据表生成单元，配置为接收所述字节内容缓冲单元、时隙信息缓冲单元存储的字节内容、字节间时间信息，并生成传感器信号数据表。

3.根据权利要求2所述的物联网智能网关，其特征在于，所述数据表示模块还包括物理层程序更新单元；

所述物理层程序更新单元，配置为当所述智能数据包分析模块进行智能数据匹配失败，则发送程序更新请求信息，并在接收到反馈信息后，进行所述物理层收发单元的解析程序升级。

4.根据权利要求1-3任一项所述的物联网智能网关，其特征在于，所述智能数据处理模块基于FPGA芯片。

5.根据权利要求4所述的物联网智能网关，其特征在于，所述物联网智能网关还包括通信接口模块；

所述通信接口模块，将不同接口的电气特性信号转换成适合FPGA处理的信号，并将该信号传输至所述智能数据处理模块。

6.根据权利要求5所述的物联网智能网关，其特征在于，所述接口为CAN接口、WIFI接口、802.15.4接口、RS485接口、RS232接口、光纤接口、RJ45接口、TD-SCDMA/GPRS/GSM中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的物联网智能网关，其特征在于，所述传感器相关信息包括传感器类型、传感器接口编号、总线类型、传感器所属位置、传感器值；

通过所述传感器类型、传感器接口编号、总线类型检索传感器对应的IP地址，并将所述IP地址、传感器所属位置、传感器值整合为数据包。

8.一种物联网智能网关智能数据处理方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的物联网智能网关，其匹配方法为：

步骤S10，获取传感器信号数据表作为待匹配数据表；

步骤S20，查找并判断网关接口协议存储表中是否存有所述待匹配数据表对应传感器通道的状态转换模板；

步骤S30，若步骤S20判断结果为是，则执行步骤S40；否则，执行步骤S50；

步骤S40，将所述待匹配数据表与网关接口协议存储表中相应状态转换模板进行匹配，生成匹配成功报文本；

步骤S50，将所述待匹配数据表与网关接口协议存储表中所有状态转换模板进行匹配，并判断匹配是否成功；

步骤S60，若步骤S20判断结果为是，则生成匹配成功报文本；否则，生成匹配不成功报文本。

9.根据权利要求8所述的物联网智能网关智能数据处理方法，其特征在于，所述匹配不成功报文本采用模式串匹配法进行搜索、统计分析。

10.根据权利要求9所述的物联网智能网关智能数据处理方法，其特征在于，所述模式串匹配法包括良好字符模式的搜索、统计，不良好字符模式的搜索、统计；

所述良好字符模式，为所述传待匹配数据表中数据均有一定规律；

所述不良好字符模式，为所述传待匹配数据表中含有不规律的数据。

11.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求8-10任一项所述的智能数据处理方法。

12.一种处理装置，包括

处理器，适于执行各条程序；以及

存储装置，适于存储多条程序；

其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现：

权利要求8-10任一项所述的智能数据处理方法。