CN110430210A - 一种基于群智能网络的协议转换装置及其协议转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于群智能网络的协议转换装置及其协议转换方法，属于通信技术领域。群智能网络由建筑中机电设备所对应的智能节点互联形成，借助智能节点，将传统的机电设备升级为智能机电设备。所述的协议转换装置包括STM32的最小***、RS485接口模块、RS232接口模块、以太网模块、RJ45接口、WIFI模块、FLASH存储模块，电源模块给各电路元件供电，STM32的最小***包括STM32单片机、晶振模块、复位模块、电源模块、SW模块。该协议转换装置能够实现从机电设备端到智能节点端的协议转换，本发明的基于群智能网络的协议转换装置，通过有线或无线通讯方式，能够实现群智能网络中机电设备与智能节点的信息交互。

Description

一种基于群智能网络的协议转换装置及其协议转换方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于群智能网络的协议转换装置及其协议转换方法。
背景技术
建筑的基本属性是空间以及空间内的机电设备，它们共同构成一套建筑运行服务体系。由于机电设备的实时控制与协作是建筑运行的首要任务，因此，建筑可以看作由建筑子空间和机电设备组合而成，每个建筑子空间和机电设备对应一个智能节点CPN(Computing Process Node)，智能节点按照空间位置关系互联形成群智能网络。在群智能网络中，智能节点集成管理机电设备的各类信息，借助智能节点CPN，将传统的机电设备升级为智能机电设备。
由于智能节点CPN的接口协议是固定的，不同机电设备出厂时所预置的通讯协议却是各不相同，这就阻碍了智能节点CPN与机电设备的信息交互。
发明内容
本发明旨在提供一种基于群智能网络的协议转换装置，实现传统的机电设备与智能节点之间的信息交互。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于群智能网络的协议转换装置，群智能网络由建筑中机电设备所对应的智能节点互联形成，一个机电设备对应配置一个智能节点，机电设备与智能节点的通讯形式为有线或无线，借助智能节点，将传统的机电设备升级为智能机电设备。所述智能节点内置一套通讯协议以及操作***，能够存储机电设备的大量信息。所述机电设备遵从主从通讯方式。
所述的协议转换装置包括STM32单片机、电源模块、晶振模块、复位模块、SW模块，RS485接口模块、RS232接口模块、以太网模块、RJ45接口、WIFI模块、FLASH存储模块，电源模块给各电路元件供电。其中STM32单片机、晶振模块、复位模块、电源模块、SW模块组成STM32的最小***。
所述的晶振模块和复位模块分别用于提供STM32单片机工作的主频信号以及复位信号。所述的SW模块为4线下载方式，用于调试单片机程序，节约了IO口资源。所述的以太网模块通过SPI接口与STM32单片机连接，通过RJ45接口，实现与智能节点的以太网通讯。所述的WIFI模块通过UART串口与STM32单片机连接，用于实现与智能节点的WIFI通讯。所述的RS485接口模块与机电设备对应的通讯接口连接，STM32单片机通过该模块向设备发送请求报文，该模块在硬件上能够自动实现数据的收发切换。所述的RS232接口模块通过数字隔离器与STM32单片机连接，用于监听通讯过程中产生的数据信息，也可用于与机电设备对应的通讯接口连接。所述的FLASH存储模块通过SPI接口与所述STM32单片机连接，用于存储STM32单片机接收或处理的数据。
进一步的，所述的RS485、RS232接口模块与DC/DC电源模块连接，并且由DC/DC电源模块独立供电，用来与输入电源隔离，提高信号输出精度。
进一步的，在RS485接口模块与STM32单片机之间设置有数字隔离器，所隔离的两端有各自的电源和参考地。
进一步的，所用以太网芯片为CH395Q，WIFI芯片为ESP8266，STM32单片机的型号为STM32F107VCT6。
一种基于群智能网络的协议转换装置的协议转换方法，该协议转换装置能够实现从机电设备端到智能节点端的协议转换，协议转换过程包括以下步骤：
步骤一，建立机电设备的标准化信息模型，该信息模型是机电设备与智能节点信息交互的基础。
具体的，连接在RS485总线上不同种类的机电设备都对应一套信息模型，该信息模型用来描述机电设备的运行状况，涵盖该类设备的所有信息，包括设备类型码、运行参数、故障报警参数、能耗参数及相应参数的变量名(参数ID)，如表1所示。需要注意的是，每类机电设备和设备类型码是一一对应的，并且信息模型中的每个参数与变量名也是一一对应的。
步骤二，STM32单片机通过RS485接口模块向机电设备发送请求报文。
每一条请求报文中都包含有字节长度、设备地址、功能码、校验字节等信息，当与该条报文中的地址信息所对应的机电设备准确接收到该报文后，则向STM32单片机发送该条报文的响应报文。STM32单片机通过中断机制，接收该响应报文，将其暂存入所开辟的缓冲区，当有其他报文传入时，动态更新该缓冲区数据，并将报文保存在FLASH存储模块内部。
步骤三，STM32单片机根据响应报文中的功能码判断出所接收报文的类型，然后根据解析出的报文类型取出该响应的数据域，按照信息模型的内容以及智能节点的通讯协议进行封装。
具体的，STM32单片机根据所接收到的报文信息，将其中的数据域进行分组并标记，按照智能节点的信息交互协议，依次填入帧头和有效载荷，如图4所示。需要注意的是，有效载荷中就包含有步骤一机电设备信息模型中的设备类型码、变量名以及各个运行参数。通过设置以太网模块处于TCP Client模式或WIFI模块处于开机透传模式，按照TCP/IP协议，将封装后的报文发送给智能节点。
步骤四，向智能节点发送查询数据帧。
具体的，当智能节点接收到机电设备封装后的报文后，向该设备返回一条确认帧，表明该设备的响应报文已可靠接收，同时，智能节点就会通过报文中的设备类型码自动识别出它所对应的到底是哪类设备。此外，在智能节点预置的超时时间内，STM32单片机还会通过以太网模块或WIFI模块向智能节点发送一条能够查询响应报文内容的查询数据帧，用于验证所发送响应报文内容的正确性。
与现有技术相比，本发明所带来的效果是：
(1)建立机电设备的信息模型，根据该信息模型，实现机电设备与智能节点的协议转换。机电设备的信息模型是机电设备运行信息的集合，涵盖了机电设备的各类信息，即使后续需要维护或更换某类设备，都不会改变信息模型的内容。因此，针对目前各类机电设备的协议个成体系的现状，智能节点只需通过标准化的信息模型与机电设备进行信息交互，从而无需考虑具体的协议格式。此外，智能节点根据信息交互的内容，还能够识别出它所对应的到底是何种设备。
(2)所述的CH395Q以太网芯片自带10/100M以太网介质传输层和物理层，内置TCP/IP协议栈，STM32F107VCT6单片机可以方便地通过SPI接口与CH395Q芯片进行网络通讯。
(3)本发明所使用WIFI模块为ESP8266，该模块采用串口与STM32单片机通信，内置TCP/IP协议栈，只需简单的配置，即可实现串口与WIFI之间的转换，便于实现与智能节点的数据交互。
(4)RS485、RS232接口模块均设置有双通道数字隔离器以及DC/DC电源模块，提高了信号的输出精度，并且RS485电路在硬件上能够自动实现数据的收发切换。
(5)本发明移植了UCOS实时操作***，具有可裁剪、抢占式、多任务的特点，特别适用于微处理器和控制器，程序中通过信号量和消息邮箱实现任务间的通信。
附图说明
图1是本发明的基于群智能网络的协议转换装置的硬件原理图。
图2是本发明的基于群智能网络的协议转换装置的UCOS多任务调度流程图。
图3(a)是本发明的基于群智能网络的协议转换装置的以太网与智能节点协议转换的流程图。
图3(b)是本发明的基于群智能网络的协议转换装置的WIFI与智能节点协议转换的流程图。
图4是本发明的基于群智能网络的协议转换装置的智能节点通讯协议的流程图。
图5是本发明的基于群智能网络的协议转换装置的查询数据帧格式流程图。
具体实施方式
下面根据说明书附图对本发明实施例的基于群智能网络的协议转换装置进行更为详尽的说明。
结合图1，根据本发明的实施例，基于群智能网络的协议转换装置，包括STM32单片机、电源模块、晶振模块、复位模块、SW模块，RS485接口模块、RS232接口模块、以太网模块、RJ45接口、WIFI模块、FLASH存储模块。
STM32单片机、晶振模块、复位模块、电源模块、SW模块组成了STM32的最小***。而晶振模块和复位模块分别用于提供STM32单片机工作的主频信号以及复位信号，SW模块为4线下载方式，用于调试单片机程序，节约了IO口资源。以太网模块通过SPI接口与所述的STM32单片机连接，通过RJ45接口，用于实现与智能节点的以太网通讯。WIFI模块通过UART串口与所述的STM32单片机连接，用于实现与智能节点的WIFI通讯。RS485接口模块与机电设备对应的通讯接口连接，STM32单片机通过该模块向机电设备发送请求报文，并且接收机电设备的响应报文，该模块在硬件上能够自动实现数据的收发切换。RS232接口模块用于监听通讯过程中产生的数据信息，也可用于与所述机电设备对应的通讯接口连接。FLASH存储模块通过SPI与所述STM32单片机连接，用于存储STM32单片机接收或处理的数据。
结合图1，本发明的基于群智能网络的协议转换装置在RS485、RS232接口模块与STM32单片机之间均设置有数字隔离器，并且由DC/DC电源模块独立供电。结合图1，以太网芯片为CH395Q，WIFI芯片为ESP8266，STM32单片机的型号为STM32F107VCT6。
一种基于群智能网络的协议转换装置的协议转换方法，该协议转换装置能够实现从机电设备端到智能节点端的协议转换，协议转换过程包括以下步骤：
步骤一，建立机电设备的标准化信息模型，该信息模型是机电设备与智能节点信息交互的基础。连接在RS485总线上不同种类的机电设备都对应一套信息模型，该信息模型用来描述机电设备的运行状况，涵盖该类设备的所有信息，包括设备类型码、运行参数、故障报警参数、能耗参数及相应参数的变量名(参数ID)，如表1所示。需要注意的是，每类机电设备和设备类型码是一一对应的，并且信息模型中的每个参数与变量名也是一一对应的。
步骤二，STM32单片机通过RS485接口模块向机电设备发送请求报文。
每一条请求报文中都包含有字节长度、设备地址、功能码、校验字节等信息，当与该条报文中的地址信息所对应的机电设备准确接收到该报文后，则向STM32单片机发送该条报文的响应报文。STM32单片机通过中断机制，接收该响应报文，将其暂存入所开辟的缓冲区，当有其他报文传入时，动态更新该缓冲区数据，并将报文保存在FLASH存储模块内部。
步骤三，STM32单片机根据响应报文中的功能码判断出所接收报文的类型，然后根据解析出的报文类型取出该响应的数据域，按照信息模型的内容以及智能节点的通讯协议进行封装。STM32单片机根据所接收到的报文信息，将其中的数据域进行分组并标记，按照智能节点的信息交互协议，依次填入帧头和有效载荷，如图4所示。需要注意的是，有效载荷中就包含有步骤一机电设备信息模型中的设备类型码、变量名以及各个运行参数。通过设置以太网模块处于TCP Client模式或WIFI模块处于开机透传模式，按照TCP/IP协议，将封装后的报文发送给智能节点。
步骤四，向智能节点发送查询数据帧。
当智能节点接收到机电设备封装后的报文后，向该设备返回一条确认帧，表明该设备的响应报文已可靠接收，同时，智能节点就会通过报文中的设备类型码自动识别出它所对应的到底是哪类设备。此外，在智能节点预置的超时时间内，STM32单片机还会通过以太网模块或WIFI模块向智能节点发送一条能够查询响应报文内容的查询数据帧，用于验证所发送响应报文内容的正确性。
本发明根据机电设备的信息模型，从而实现智能节点与机电设备的信息交互，因此，建立了所述机电设备的信息模型。该信息模型用来描述机电设备的运行状况，涵盖该类设备的所有信息，包括设备类型码、运行参数、故障报警参数、能耗参数及相应参数的变量名(参数ID)，表1为机电设备信息模型结构示意图。
表1
在信息模型中，每类机电设备和设备类型码是一一对应的，并且信息模型中的每个参数与变量名也是一一对应的。
结合图1，机电设备遵从主从通讯方式，STM32通过RS485接口模块发送机电设备的请求报文，包括字节长度、设备地址、功能码、校验字节等信息，机电设备接收该报文并判断请求报文中的设备地址是否与自身一致，若一致，则向STM32发送响应报文。STM32通过中断机制接收该响应报文，动态更新接收缓冲区，并将报文保存在FLASH所开辟的数据区。同时，单片机判断所接收响应报文的类型，根据解析出的报文类型取出响应报文中的数据域进行封装，通过以太网模块或WIFI模块，按照TCP/IP协议，发送给智能节点，如果智能节点能够准确接收到机电设备封装后的响应报文，则自动返回对该条报文的响应。
结合图2，在程序中移植UCOS操作***，在主程序中创建开始任务，在开始任务中创建以太网任务、WIFI任务、主机任务、CPN任务以及LED任务。主机任务主要是按照不同机电设备的通信协议，给设备发送请求报文。CPN任务主要是接收机电设备的响应报文，将其转化为CPN的通信帧格式，通过网线或WIFI发送给智能节点。LED任务是一个LED灯闪烁程序，用于提示程序的运行情况。
如图3所示，图3(a)显示了以太网通讯的流程图。首先查询CH395Q芯片连接情况，然后初始化socket相关参数并打开socket，查询全局中断。而socket中断在全局中断中被调用，通过获取全局中断状态，判断socket的中断通道号，然后通过消息邮箱，在CPN任务中读取机电设备返回响应报文中的数据字段，进行封装后通过以太网的发送函数发送给智能节点。同时在socket中断内判断TCP类型，如果是TCP Server模式，socket进入监听状态；如果是TCP Client模式，socket进入连接状态。
如图3所示，图3(b)显示了WIFI通讯的流程图。在将WIFI模块配置成开机透传模式后，即可通过WIFI模块的发送函数向智能节点发送数据包。
如图4所示，该流程图显示了对机电设备的响应报文进行封装的过程，其流程如下：
(1)取出接收的响应报文中的数据域，并判断报文的类型，将数据进行分组、标记并存入缓冲区；
(2)填充帧头；
(3)填充名称字节以及设备响应报文中待传输的变量个数(物理量个数，如电压、电流等)，为便于表述，记变量个数为N；
(4)按照信息模型中参数所处位置填充所对应的变量名、设备类型码以及变量描述字节，同时，N＝N-1，需要注意的是，每个变量(对应表1中的具体参数)在信息模型中都有与之对应的变量名，因此，变量和变量名需一一对应；
(5)判断N是否等于0，如果N不等于0，返回步骤(4)；如果N等于0，执行步骤(6)；
(6)填充描述变量数值的数据描述字节，同时N＝N-1；
(7)判断N是否等于0，如果N不等于0，返回步骤(6)；如果N等于0，执行步骤(8)；
(8)计算该帧数据的校验字节以及长度字节，填入帧头的对应位置。
如图5所示，该流程图显示了用于查询发送给智能节点数据内容的查询帧格式。查询帧无需对机电设备的响应报文进行封装，只需将图4中的变量名填充进查询帧相应位置，其方式与上文类似，不再赘述，通过以太网模块或WIFI模块，发送给智能节点后，即可得到上述所发送的数据帧信息。如此，可用于验证所发送数据帧的正确性。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于群智能网络的协议转换装置，群智能网络由建筑中机电设备所对应的智能节点互联形成，一个机电设备对应配置一个智能节点，机电设备与智能节点的通讯形式为有线或无线，借助智能节点，将传统的机电设备升级为智能机电设备；其特征在于，所述智能节点内置一套通讯协议以及操作***，能够存储机电设备的大量信息；所述机电设备遵从主从通讯方式；所述的协议转换装置包括STM32的最小***、RS485接口模块、RS232接口模块、以太网模块、RJ45接口、WIFI模块、FLASH存储模块，电源模块给各电路元件供电，所述STM32的最小***包括STM32单片机、晶振模块、复位模块、电源模块、SW模块；
所述的晶振模块和复位模块分别用于提供STM32单片机工作的主频信号以及复位信号；所述的SW模块为4线下载方式，用于调试单片机程序；所述的以太网模块通过SPI接口与STM32单片机连接，通过RJ45接口，实现与智能节点的以太网通讯；所述的WIFI模块通过UART串口与STM32单片机连接，用于实现与智能节点的WIFI通讯；所述的RS485接口模块与机电设备对应的通讯接口连接，STM32单片机通过该模块向设备发送请求报文，该模块在硬件上能够自动实现数据的收发切换；所述的RS232接口模块通过数字隔离器与STM32单片机连接，用于监听通讯过程中产生的数据信息，也可用于与机电设备对应的通讯接口连接；所述的FLASH存储模块通过SPI接口与所述STM32单片机连接，用于存储STM32单片机接收或处理的数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于群智能网络的协议转换装置，其特征在于，所述的RS485、RS232接口模块与DC/DC电源模块连接，并且由DC/DC电源模块独立供电，用来与输入电源隔离，提高信号输出精度。
3.根据权利要求1所述的一种基于群智能网络的协议转换装置，其特征在于，在RS485接口模块与STM32单片机之间设置有数字隔离器，所隔离的两端有各自的电源和参考地。
4.一种权利要求1或2或3所述的基于群智能网络的协议转换装置的协议转换方法，其特征在于，该协议转换装置能够实现从机电设备端到智能节点端的协议转换，协议转换过程包括以下步骤：
步骤一，建立机电设备的标准化信息模型，该信息模型是机电设备与智能节点信息交互的基础，具体为：
连接在RS485总线上不同种类的机电设备都对应一套信息模型，该信息模型用来描述机电设备的运行状况，涵盖该类设备的所有信息，包括设备类型码、运行参数、故障报警参数、能耗参数及相应参数的变量名；每类机电设备和设备类型码是一一对应的，并且信息模型中的每个参数与变量名也是一一对应的；
步骤二，STM32单片机通过RS485接口模块向机电设备发送请求报文；
每一条请求报文中都包含有字节长度、设备地址、功能码、校验字节信息，当与该条报文中的地址信息所对应的机电设备准确接收到该报文后，则向STM32单片机发送该条报文的响应报文；STM32单片机通过中断机制，接收该响应报文，将其暂存入所开辟的缓冲区，当有其他报文传入时，动态更新该缓冲区数据，并将报文保存在FLASH存储模块内部；
步骤三，STM32单片机根据响应报文中的功能码判断出所接收报文的类型，然后根据解析出的报文类型取出该响应的数据域，按照信息模型的内容以及智能节点的通讯协议进行封装，具体为：
STM32单片机根据所接收到的报文信息，将其中的数据域进行分组并标记，按照智能节点的信息交互协议，依次填入帧头和有效载荷，其中效载荷中包含有步骤一机电设备信息模型中的设备类型码、变量名以及各个运行参数；通过设置以太网模块处于TCP Client模式或WIFI模块处于开机透传模式，按照TCP/IP协议，将封装后的报文发送给智能节点；
步骤四，向智能节点发送查询数据帧；
当智能节点接收到机电设备封装后的报文后，向该设备返回一条确认帧，表明该设备的响应报文已可靠接收，同时，智能节点通过报文中的设备类型码自动识别出它所对应的到底是哪类设备；此外，在智能节点预置的超时时间内，STM32单片机还会通过以太网模块或WIFI模块向智能节点发送一条能够查询响应报文内容的查询数据帧，用于验证所发送响应报文内容的正确性。
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