CN110474990A - 一种基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合*** - Google Patents

一种基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，涉及数据融合技术领域。包括数据缓冲单元，与外部传感器连接，临时存储从传感器接收到的数据；多接入与数据管理单元，管理数据缓存单元存储的数据，负责数据缓存单元与通讯协议单元的映射关系，融合多传感器的数据；通讯协议单元，提供多种通讯协议，针对多接入与数据管理单元的数据进行协议帧解析和协议帧生成；接口单元，提供接口给外部调用。本发明提升了多源异构传感器网络基础设施部署时的海量传感器节点识别效率、传感数据融合效率、应用开发效率、工程实施准确度，降低研发成本、工程成本和施工时间。

Description

一种基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***
技术领域
本发明涉及数据融合技术领域，尤其涉及一种基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***。
背景技术
随着物联技术的发展，智能化已经成为物联设备的趋势，而传感器技术则是实现物联智能化的基础之一。由于单一的传感器获得的信息非常有限，而且，还要受到自身品质和性能的影响，因此，配备数量众多的不同类型的传感器，才能满足数据采集的需求。众多的传感器，同样由数量众多的传感器厂家生产，这产生了传感器接口和协议都不同的问题。如今，将这些类型、数量众多的传感器灵活的接入设备，已经势在必行。同时，若对各传感器采集的信息进行单独、孤立的处理，不仅会导致信息处理工足量的增加，而且，割断了各传感器信息间的内在联系，丢失了信息经有机组合后可能蕴含的有关环境特征，造成信息资源的浪费，甚至可能导致决策失误。
如图1所示，现有的多传感器接入方案，每路传感器固定对应的驱动，应用通过每个驱动来取各传感器数据。如图2所示，多传感器数据融合***的接入方案，传感器通过驱动将数据统一汇总在协议栈，应用从协议栈中获取传感器数据。
在LiteOS实时***上，由于传感器的接口和通讯协议的多样性，而设备的接口数量有限。在不同的环境下需要不同的传感器，当前的传感器接入技术限制了设备每个接口接入的传感器类型。当某个接口需要更换不同类型的传感器时，就会造成无法识别的情况，通常的解决方法是更新固件程序。同时，众多传感器协议解析都放在应用上，造成了处理量增加、信息孤立、跨平台移植性差、实时性差、计算框架不统一等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，提升了多源异构传感器网络基础设施部署时的海量传感器节点识别效率、传感数据融合效率、应用开发效率、工程实施准确度，降低研发成本、工程成本和施工时间。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，包括
数据缓冲单元，与外部传感器连接，临时存储从传感器接收到的数据；
多接入与数据管理单元，管理数据缓存单元存储的数据，负责数据缓存单元与通讯协议单元的映射关系，融合多传感器的数据；
通讯协议单元，提供多种通讯协议，针对多接入与数据管理单元的数据进行协议帧解析和协议帧生成；
接口单元，提供接口给外部调用。
进一步的，所述数据缓冲单元包括访问接口和若干与外部硬件接口一一对应的缓冲区；
所述访问接口提供接口给多接入与数据管理单元供其访问,以查询缓冲区状态和操作缓冲区；
所述缓冲区在初始化时，注册到硬件接口驱动，并在硬件接口驱动接收到数据时，写入数据。
进一步的，所述缓冲区采用环形缓冲设计。
进一步的，所述多接入与数据管理单元包括数据监测单元、映射表和数据融合单元；
所述数据监测单元监测缓冲区的数据，若缓冲区有数据，通过映射表调用相应的通讯协议对数据进行解析；
所述映射表提供缓冲区与通讯协议的对应关系；
所述数据融合单元在协议帧解析成功后，提取其中的数据进行整理排序，按接口类型分组存储；每组数据相互独立，采用单向链表设计，链表节点数据包含数据类型、数据、时间三个信息。
进一步的，对于所述单向链表，
每个链表中的数据类型是唯一的，当有新的数据需要融合时，先检索到分组，然后在链表中检索此数据类型；如果检索存在此数据类型，则覆盖其中的数据和时间；如果未检索到此数据类型，则新生成一个节点，用以存储此数据信息；
链表在初始化的时候为空，有数据需要融合时长度逐渐变大；当映射表中映射关系重新生成时，对应的链表被清空；
需要读取链表数据时，依据传感器类型、数据类型从链表中检索出数据、时间信息。
进一步的，所述通讯协议单元包括协议帧解析接口、协议帧生成接口和若干通讯协议；
所述协议帧解析接口提供外部调用具体的解析协议；
所述协议帧生成接口提供外部调用具体的生成协议；
进一步的，所述协议帧解析的具体方法如下：
数据完整性解析，检查数据中是否包含一个完整的协议帧，包括协议头、协议尾、长度和校验位；
数据信息解析，提取出数据帧中的数据段信息；
信息处理，若提取出的数据段信息是传感器信息，则将信息写入多接入与数据管理单元；若提取出的数据段信息是指令应答或状态，则将信息直接原路返回。
进一步的，所述协议帧生成的具体方法如下：
帧类型合法性判断，若帧类型不合法，则返回错误；
参数合法性判断，对应帧类型，判断参数是否在正常范围内，若不在正常范围内，则返回错误；
生成协议帧，依据帧类型和参数，生成协议帧发送给传感器。
进一步的，所述接口单元包括参数配置、数据获取、类型设置和指令控制四部分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实现的多协议融合技术，确保了多传感器的动态、无缝接入；传感器智能匹配技术，确保了传感器可以被自动识别；多传感器数据融合技术，确保了传感器数据的结构化及融合计算。本发明提升了多源异构传感器网络基础设施部署时的海量传感器节点识别效率、传感数据融合效率、应用开发效率、工程实施准确度，降低研发成本、工程成本和施工时间。
附图说明
图1为现有的多传感器接入实现方案。
图2为现有的多传感器数据融合协议栈方式接入方案。
图3为本发明的***架构框图。
图4为本发明的数据缓冲单元框架图。
图5为本发明的多接入与数据管理单元框架图。
图6为本发明一实施例的映射表示意图。
图7为本发明的数据融合示意图。
图8为本发明的通讯协议单元框架图。
图9为本发明的协议帧解析流程图。
图10为本发明的协议帧生成流程图。
图11为本发明的接口单元框架图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图3，本发明提供一种基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，包括
数据缓冲单元，与外部传感器连接，临时存储从传感器接收到的数据；外部的各类传感器(传感器1至传感器5)通过硬件接口(CAN、USART、IIC、模拟信号接口)接入数据缓冲单元中；注：传感器数量和硬件接口类型都是包含但不限于图中所列。
多接入与数据管理单元，管理数据缓存单元存储的数据，负责数据缓存单元与通讯协议单元的映射关系，融合多传感器的数据。
通讯协议单元，提供多种通讯协议，针对多接入与数据管理单元的数据进行协议帧解析和协议帧生成。
接口单元，提供接口给外部应用调用。
一、数据缓冲单元设计
请参照图4，所述数据缓冲单元包括访问接口和若干与外部硬件接口一一对应的缓冲区；各类传感器通过对应的驱动将数据存放在各自的缓冲区中。
所述缓冲区采用环形缓冲设计，在数据缓冲单元初始化时，注册到硬件接口驱动，并在硬件接口驱动接收到数据时，由驱动将数据写入对应的缓冲区中。缓冲区按硬件接口来命名，如CAN硬件接口对应的缓冲区命名为CAN缓冲区，采用数字化编码策略，其他缓冲区亦同理。缓冲区的命名用作映射关系的匹配，驱动并不关心缓冲区是否已满，只要有数据，就将数据写入。所以为了保证数据的不丢失，多接入与数据管理单元需要及时的从缓冲区取数据，及时的提取数据信息，这样才能保证传感器的数据不丢失。
所述访问接口提供接口给多接入与数据管理单元供其访问,以查询缓冲区状态和操作缓冲区。具体的，多接入与数据管理单元通过访问接口来管理缓冲区数据。通过接口，可以查询具体的缓冲区状态，如当前数据长度、是否为空、是否为满；也可以操作缓冲区，如对数据进行读、写、删除、清空的操作。原理如下：
冲区采用环形缓冲设计，由2个指标head和tail来维护缓冲区当前数据的状态。head表示当前有效数据的起始位置，也表示当前读数据的起始位置；tail表示当前有效数据结束位置的下一个位置，也表示当前写数据的起始位置。假设缓冲区总长度为Len_Max，那么当前有效数据的长度是(tail+Len_Max-head)％Len_Max。由此可以推断出，当(tail+1)％Len_Max＝head时，缓冲区为满；当tail＝head时，缓冲区为空。
针对以上环形缓冲区的原理，设计了访问缓冲区的接口：
·数据长度：通过计算(tail+Len_Max-head)％Len_Max，返回当前有效长度；
·数据满：通过判断(tail+1)％Len_Max＝＝head，返回数据是否已满；
·数据空：通过判断tail＝＝head，返回数据是否已空；
·读数据：从head位置开始，依据偏移量和读取长度，将数据拷贝到读取缓冲区；
·写数据：从tail位置开始，将数据写入。每写一个数据，tail将向后偏移一个位置。当缓冲区数据满时，则丢弃需要写入的数据，同时返回实际的数据写入长度；
·删除数据：从head位置开始，按长度删除数据。每删除一个数据，head将向后偏移一个位置，直到删除指定的数据长度或者缓冲区为空为止
·清空数据：删除所有数据，设置tail＝head，表示数据长度为0。
二、多接入与数据管理单元设计
请参照图5，所述多接入与数据管理单元是多传感器数据融合***的核心模块，它负责识别和处理缓冲区的传感器数据，并将数据进行融合，以供外部其他模块调取这些数据，包括数据监测单元、映射表和数据融合单元。
所述数据监测单元监测缓冲区的数据，若缓冲区有数据，通过映射表调用相应的通讯协议对数据进行解析，解析完成后，进行数据融合。
所述映射表提供缓冲区与通讯协议的对应关系，支持自动生成和手动设置。如图6所示为一实施例的映射表示意图，映射表初始化从存储模块读取，传感器类型和协议类型默认为无，自动模式默认为自动：
1.自动匹配模式是自下而上进行，是通过数据解析来决定的映射模式。当解析数据时，先检索对应的映射表是否存在映射关系。如果不存在且为自动模式时，会依次检索已存在的通讯协议。如果匹配到某个通讯协议，则在映射表中保存此通讯协议，并保存此通讯协议的传感器类型。自动模式本身可以由协议栈接口配置。
2.手动模式是自上而下进行，是通过协议栈接口设置某个接口缓冲区的传感器类型和协议类型，并将模式改为手动模式。
3.当映射关系存在时，数据按照映射表中的协议进行解析。如果多次解析失败且为自动模式(解析是否失败由具体的解析协议给出)，则将本条映射关系清空。
所述数据融合单元在协议帧解析成功后，提取其中的数据进行整理排序，然后按接口类型(CAN1、USART1)分组存储。本设计并不对多传感器数据进行信息研判，研判功能交由其他协议栈或者应用实现。如图7所示，每组数据相互独立，采用单向链表设计，链表节点数据包含数据类型、数据、时间三个信息。对于所述单向链表，
每个链表中的数据类型是唯一的，当有新的数据需要融合时，先检索到分组，然后在链表中检索此数据类型；如果检索存在此数据类型，则覆盖其中的数据和时间；如果未检索到此数据类型，则新生成一个节点，用以存储此数据信息；
链表在初始化的时候为空，有数据需要融合时长度逐渐变大；当映射表中映射关系重新生成时，对应的链表被清空；
需要读取链表数据时，依据传感器类型、数据类型从链表中检索出数据、时间信息，传感器类型从映射表中获取。
三、通讯协议单元设计
请参照图8，所述通讯协议单元主要集成了众多的通信协议，每种传感器数据的解析，将按照各自的通讯协议进行编码，包括协议帧解析接口、协议帧生成接口和若干通讯协议；所述通讯协议包括Can、Modbus、自定义协议等等。
所述协议帧解析接口提供纯接口转换，供外部调用具体的解析协议；
所述协议帧生成接口提供纯接口转换，供外部调用具体的生成协议；
每个通讯协议都有具体的解析和生成功能。
请参照图9，所述协议帧解析的具体方法如下：
数据完整性解析，检查数据中是否包含一个完整的协议帧，包括协议头、协议尾、长度和校验位等判断。依据判断结果，进行下一步操作。如数据帧未完整，可以下一个时间段再来处理；如数据帧错误，可以选择删除一部分数据，也可以考虑是否进行映射表重新映射；如数据帧正确，进去数据信息解析。
数据信息解析，提取出数据帧中的数据段信息；信息可以是传感器信息，如温度、湿度、气体浓度等；也可以是传感器的应答和状态，如指令应答，是否工作状态等。
信息处理，若提取出的数据段信息是传感器信息，则将信息写入多接入与数据管理单元；若提取出的数据段信息是指令应答或状态，则将信息直接原路返回。
请参照图10，当需要给传感器发送指令时，应用层只需传入指令类型和参数，通过***生成具体的协议帧，发送给传感器。所述协议帧生成的具体方法如下：
帧类型合法性判断，若帧类型不合法，则返回错误。
参数合法性判断，对应帧类型，判断参数是否在正常范围内，若不在正常范围内，则返回错误；有些帧类型无需参数，既可以不判断。
生成协议帧，依据帧类型和参数，生成协议帧发送给传感器。
四、接口单元设计
请参照图11，所述接口单元包括参数配置、数据获取、类型设置和指令控制四部分。
参数配置：配置传感器的参数；
数据获取：获取传感器的信息数据；
类型设置：设置缓冲区对应的传感器类型，会生成新的映射关系，更新映射表；
指令控制：依据不同的指令类型，实现对传感器复位、关闭电源等操作
接口单元的目的，是为了提供统一的标准、简化外部调用的工作、增加协议栈的稳定性等目的。外部调用者无需关心***的实现模式，只需要通过接口函数，就能方便的实现多传感器的控制、配置、数据获取等功能，同时也能便捷的在多个项目中移植本***功能，实现快速开发的效果。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (9)

1.一种基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，包括
数据缓冲单元，与外部传感器连接，临时存储从传感器接收到的数据；
多接入与数据管理单元，管理数据缓存单元存储的数据，负责数据缓存单元与通讯协议单元的映射关系，融合多传感器的数据；
通讯协议单元，提供多种通讯协议，针对多接入与数据管理单元的数据进行协议帧解析和协议帧生成；
接口单元，提供接口给外部调用。
2.根据权利要求1所述的基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，所述数据缓冲单元包括访问接口和若干与外部硬件接口一一对应的缓冲区；
所述访问接口提供接口给多接入与数据管理单元供其访问,以查询缓冲区状态和操作缓冲区；
所述缓冲区在初始化时，注册到硬件接口驱动，并在硬件接口驱动接收到数据时，写入数据。
3.根据权利要求2所述的基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，所述缓冲区采用环形缓冲设计。
4.根据权利要求1所述的基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，所述多接入与数据管理单元包括数据监测单元、映射表和数据融合单元；
所述数据监测单元监测缓冲区的数据，若缓冲区有数据，通过映射表调用相应的通讯协议对数据进行解析；
所述映射表提供缓冲区与通讯协议的对应关系；
所述数据融合单元在协议帧解析成功后，提取其中的数据进行整理排序，按接口类型分组存储；每组数据相互独立，采用单向链表设计，链表节点数据包含数据类型、数据、时间三个信息。
5.根据权利要求4所述的基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，对于所述单向链表，
每个链表中的数据类型是唯一的，当有新的数据需要融合时，先检索到分组，然后在链表中检索此数据类型；如果检索存在此数据类型，则覆盖其中的数据和时间；如果未检索到此数据类型，则新生成一个节点，用以存储此数据信息；
链表在初始化的时候为空，有数据需要融合时长度逐渐变大；当映射表中映射关系重新生成时，对应的链表被清空；
需要读取链表数据时，依据传感器类型、数据类型从链表中检索出数据、时间信息。
6.根据权利要求1所述的基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，所述通讯协议单元包括协议帧解析接口、协议帧生成接口和若干通讯协议；
所述协议帧解析接口提供外部调用具体的解析协议；
所述协议帧生成接口提供外部调用具体的生成协议。
7.根据权利要求6所述的基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，所述协议帧解析的具体方法如下：
数据完整性解析，检查数据中是否包含一个完整的协议帧，包括协议头、协议尾、长度和校验位；
数据信息解析，提取出数据帧中的数据段信息；
信息处理，若提取出的数据段信息是传感器信息，则将信息写入多接入与数据管理单元；若提取出的数据段信息是指令应答或状态，则将信息直接原路返回。
8.根据权利要求6所述的基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，所述协议帧生成的具体方法如下：
帧类型合法性判断，若帧类型不合法，则返回错误；
参数合法性判断，对应帧类型，判断参数是否在正常范围内，若不在正常范围内，则返回错误；
生成协议帧，依据帧类型和参数，生成协议帧发送给传感器。
9.根据权利要求1所述的基于LiteOS物联网操作***的多传感器数据融合***，其特征在于，所述接口单元包括参数配置、数据获取、类型设置和指令控制四部分。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191119

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