CN113055872A - 一种恶劣环境下数据备份与控制方法与装置 - Google Patents

一种恶劣环境下数据备份与控制方法与装置 Download PDF

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Abstract

一种恶劣环境下数据备份与控制方法，包括以下步骤：环境参数变化超出设定阈值后，向数据包解析与控制模块发送开启数据备份操作指令，所述数据包解析与控制模块进入备份控制模式，并开启无线收发模块构建热点网络；终端设备接入所述热点网络后，获取所述数据包解析与控制模块所备份到的数据，并根据解析结果向所述数据包解析与控制模块所接入的工业设备发送控制指令；本发明方法科学合理，设备易构建，信息传递快速，当设备遇到恶劣环境，可及时将环境信息发送给救援终端，紧急发出避险指令，避免工业设备数据丢失和进一步损害，降低企业损失，有显著的经济和社会效益。

Description

一种恶劣环境下数据备份与控制方法与装置
技术领域
本发明涉及工业生产安全管理领域，特别是一种恶劣环境下数据备份与控制的方法与装置。
背景技术
企业的管理范畴包括多个方面，如生产管理，有害物质安全管理等。随着工业设备自动化、数字化、网络化的不断发展，尤其是随着科技的进步和飞速发展，网络5G时代的来临，工业生产管理中，工业设备的数据安全管理问题的重要性也愈发突出。特别是对于生产环境恶劣、数字化程度高的企业，当发生有害气体、腐蚀性液体的泄露或是自然灾害造成生产环境恶劣时，不仅对人员构成危害，也给事故/灾后救援增加不少难度。在挽救生命的同时，也需要对高价值的数字化工业设备进行紧急避险处理，最大限度地降低损失。因此，如何解决在恶劣环境下工业设备的数据安全是必须解决的技术问题，但至今未见有公开报导。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种恶劣环境下数据备份与控制方法和装置，可有效解决在恶劣环境下数据备份与管理，确保工业设备的数据安全问题。
本申请提出一种恶劣环境下数据备份与控制方法，包括以下步骤：
环境参数变化超出设定阈值后，向数据包解析与控制模块发送开启数据备份操作指令，所述数据包解析与控制模块进入备份控制模式，并开启无线收发模块构建热点网络；
终端设备接入所述热点网络后，获取所述数据包解析与控制模块所备份到的数据，并根据解析结果向所述数据包解析与控制模块所接入的工业设备发送控制指令。
可选的，在环境参数变化未超出设定阈值时，所述数据包解析与控制模块处于透传模式，实现数据包的透明传输。
可选的，所述数据包为网络数据包，所述数据包解析与控制模块由RTL模块实现，其接收与发出的网络数据包均经过信号转换处理，所述信号转换处理包括差分信号转数字信号，以及数字信号转差分信号；所述终端设备为救援终端设备，可以是笔记本电脑、IPad、嵌入式终端、智能手机中的任一一种；所述根据解析结果向数据包解析与控制模块模块发送控制指令具体是向其发送设备紧急避险指令。
可选的，环境参数的判定、数据包解析与控制模块操作指令的收发、无线收发模块的开启、备份数据的缓存均由中央处理器控制协调。
可选的，实现各功能的模块可以是IP核或RTL代码的形式，各功能模块以AMBA总线架构中AXI总线、AHB总线或APB总线中的一种总线形式接入片上SOC***。
可选的，所述片上SOC***还包括电源模块、时钟模块、复位模块。
可选的，所述片上SOC可直接接入到工业设备网卡上的网口与PHY芯片之间。
本申请还提出一种恶劣环境下数据备份与控制方法所用的专用装置，即一种恶劣环境下数据备份与控制装置，包括：
中央处理器模块，用于环境参数的判定、数据包解析与控制模块的操作指令的收发、无线收发模块的开启、备份数据的缓存的控制协调；
数据包解析与控制模块，用于在透传模式下对网络数据包的透明传输，在备份控制模式下对网络数据包的解析控制；
数据缓存模块，用于存储数据包解析与控制模块在备份控制模式下所缓存的网络数据；
无线收发模块，用于在环境参数变化超出设定阈值后，构建无线热点网络，供救援终端设备接入；在环境参数变化超出设定阈值之前，从传感器获取相应节点的环境参数；
信号转换处理模块，用于将网络数据包在差分信号格式与数字信号格式之间进行转换。
可选的，还包括救援终端模块，该救援终端模块可以是笔记本电脑、IPad、嵌入式终端、智能手机中的任一一种，用于接入所述无线收发模块构建的无线热点网络。
可选的，还包括AMBA总线模块，用于连接中央处理器模块、数据包解析与控制模块、数据缓存模块、无线收发模块、信号转换处理模块。
本发明方法科学合理，设备易构建，信息传递快速，当设备遇到恶劣环境，可及时将环境信息发送给救援终端，紧急发出避险指令，避免工业设备数据丢失和进一步损害，降低企业损失，有显著的经济和社会效益。
附图说明
图1是本发明设备结构框示图。
图2是本发明SoC芯片结构框示图。
具体实施方式
以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。
本申请提出一种恶劣环境下数据备份与控制方法，包括以下步骤：
环境参数变化超出设定阈值后，向数据包解析与控制模块发送开启数据备份操作指令，所述数据包解析与控制模块进入备份控制模式，并开启无线收发模块构建热点网络。
具体的，环境参数由传感器采集获取，可以是温度传感器、湿度传感器、气体传感器等，可根据工业设备所处的环境具体选择；阈值可根据具体的环境科学设定，如有害气体的浓度达到危害人体健康的浓度阈值，可燃气体达到***的临界阈值等。
所述的无线收发模块为WIFI、GPRS、4/5G、ZigBee或蓝牙等无线收发模块，或是片上天线+低噪声放大器等；无线收发模块与MCU相连，所述的MCU（Micro control Unit）为微控制器，实现无线收发模块与传感器的控制，在SOC中用IP核的形式实现，根据传感器数据自动切换工作模式，实现指令交互、寄存器的配置。具体的，集成到SOC上WIFI的IP核可以是ImaginaTIon公司的C4531系列或C4521/C4511等。
终端设备接入所述热点网络后，获取所述数据包解析与控制模块所备份到的数据，并根据解析结果向所述数据包解析与控制模块所接入的工业设备发送控制指令。
存储备份数据的器件可以是ROM、flash、EEPROM或SDRAM的一种或多种的组合，ROM的IP核可以是Xilinx公司公开的ROM 核，Flash可以是Atmel公司的AT 25DF 641或AT25DF321，或是Micron公司的M25P32或 M25P64；或是Spansion公司的S25FL032A、S25FL064A或S25SL128P1其中的一种。
所述的无线通信链路是包含MAC(介质访问控制)子层和LLC(逻辑链路控制)子层，一块以太网卡MAC芯片的作用不但要实现MAC子层和LLC子层的功能，还要提供符合规范的PCI界面，以实现和主机的数据交换；在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层，在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC(逻辑链路控制)层；
可选的，在环境参数变化未超出设定阈值时，所述数据包解析与控制模块处于透传模式，实现数据包的透明传输。
具体的，透传模式即将数据流透明传输，怎么进来怎么出去，不做任何处理，即在透传模式下不会对数据流造成任何影响，数据延时可忽略不计。
数据包解析与控制模块中在透传模式和备份控制模式下是两路数据流，一路是正常工作模式下对网络数据流的透传，此时在收到传感器模块的告警信息后，开启备份控制模式，将由工业设备所发出的网络数据包进行缓存，待无线收发模块建立通讯后，向数据救援者发送；另一路是备份控制模式，即在与救援者的无线终端建立连接后，向工业设备发送控制指令，以实现对工业设备的紧急避险操作；
可选的，所述数据包为网络数据包，所述数据包解析与控制模块由RTL模块实现，其接收与发出的网络数据包均经过信号转换处理，所述信号转换处理包括差分信号转数字信号，以及数字信号转差分信号；所述终端设备为救援终端设备，可以是笔记本电脑、IPad、嵌入式终端、智能手机中的任一一种；所述根据解析结果向数据包解析与控制模块模块发送控制指令具体是向其发送设备紧急避险指令。通过救援终端向网卡设备中的SoC的无线收发模块发送无线控制指令实现对现场工业设备的紧急避险操作，紧急关闭危险工业设备，确保数据备份与控制及数据安全。
可选的，环境参数的判定、数据包解析与控制模块操作指令的收发、无线收发模块的开启、备份数据的缓存均由中央处理器控制协调。
中央处理器可以是MCU，具体可以是龙芯的LS232系列或晶弘的8052系列等，此处不作限制。
可选的，实现各功能的模块可以是IP核或RTL代码的形式，各功能模块以AMBA总线架构中AXI总线、AHB总线或APB总线中的一种总线形式接入片上SOC***。
这里的IP核为Intellectual Property的缩写，即知识产权核或知识产权模块，调用IP核能避免重复劳动，大大减轻工程师的负担，使用IP核是一个发展趋势，IP核的重用大大缩短了产品上市时间。
SOC芯片采用AMBA总线架构，MCU与高速数据传输的RAM均挂在AHB（Advanced Highperformance Bus）总线，传感器模块、无线收发模块则接入APB(Advanced PeripheralBus)。微控制器总线结构Advanced Microcontroller Bus Architecture（AMBA）定义了高性能嵌入式微控制器的通信标准；将RISC处理器集成在IP芯核和外设中，它是有效连接IP核的“数字胶”，并且是ARM复用策略的重要组件，它不是芯片与外设之间的接口，是ARM内核与芯片进行通信的接口。 Advanced High-performance Bus (AHB）：AHB总线用于高性能，高时钟工作频率模块。AHB在AMBA架构中为***的高性能运行起到了基石作用，AHB为高性能处理器，片上内存，片外内存提供接口，同时桥接慢速外设。高性能，数据传输，多总线主控制器，突发连续传输，分步传输。
可选的，所述片上SOC***还包括电源模块、时钟模块、复位模块。
电源、时钟和复位功能是每个SOC芯片必须具备的功能模块。常见的电源模块为SOC提供3.3V、1.8V和1.2V的电压；时钟根据SOC内部的工作频率而定，可以是125MHz、25MHz等；复位模块可以是硬件复位，软件复位等，设计复位电路并预留好相应的复位接口即可。
可选的，所述片上SOC可直接接入到工业设备网卡上的网口与PHY芯片之间，或经网口变压器接工业设备网卡。
常见的工业设备网卡上的PHY芯片有Realtek公司的RTL8211E、IC+公司的IP1001M或Marvell公司的88Q1010等；常见的网口为RJ45。PHY的IP核（即图2的PHY IP核）实现对网络信号的处理是将网口变压器输入的高速差分信号转变为所设定速率的网络比特流，该转变是双向转换，接口转换模块实现与PHY IP核的逆向功能，即将网络数据流转换为与PHY芯片能够识别的差分信号输入，以减少对原网卡主体结构的修改，更好地扩展了SOC的适用性，也可通过设置SOC的寄存器参数修改数据流转换格式，将该SOC替换原有板卡上的PHY芯片。
本申请还提出一种恶劣环境下数据备份与控制方法所用的专用装置，即一种恶劣环境下数据备份与控制装置，包括：
中央处理器模块，用于环境参数的判定、数据包解析与控制模块的操作指令的收发、无线收发模块的开启、备份数据的缓存的控制协调；
中央处理器模块可以是MCU，具体可以是龙芯的LS232系列或晶弘的8052系列等，可以MCU设备，也可以是MCU对应的IP核。
数据包解析与控制模块，用于在透传模式下对网络数据包的透明传输，在备份控制模式下对网络数据包的解析控制；
数据包解析与控制模块用于实现在透传模式和备份控制模式下是两路数据流传输控制，一路是正常工作模式下对网络数据流的透传，此时在收到传感器模块的告警信息后，开启备份控制模式，将由工业设备所发出的网络数据包进行缓存，待无线收发模块建立通讯后，向数据救援者发送；另一路是备份控制模式，即在与救援者的无线终端建立连接后，向工业设备发送控制指令，以实现对工业设备的紧急避险操作。模块可通过RTL代码或IP核的形式实现。
数据包解析与控制模块也包含MAC（media access control ,介质访问控制）功能，该功能由不同形式的控制芯片来实现，如FPGA、cpld或MCU 等；MAC接口为GMII，RGMII或MII等；MAC从PCI总线收到IP数据包(或者其他网络层协议的数据包)后，将之拆分并重新打包成最大1518Byte、最小64Byte的帧，这个帧里面包括了目标MAC地址、自己的源MAC地址和数据包里面的协议类型(比如IP数据包的类型用80表示，最后还有一个DWORD(4Byte)的CRC码；
数据缓存模块，用于存储数据包解析与控制模块在备份控制模式下所缓存的网络数据。
数据缓存模块可以是具体的存储器件，如可以是ROM、flash、EEPROM或SDRAM的一种或多种的组合，ROM的IP核可以是Xilinx公司公开的ROM 核，Flash可以是Atmel公司的AT25DF 641或AT25DF321，或是Micron公司的M25P32或 M25P64；或是Spansion公司的S25FL032A、 S25FL064A或S25SL128P1其中的一种；
数据缓存模块，还可以是与上述存储器件的IP核形式集成到SoC芯片中。
无线收发模块，用于在环境参数变化超出设定阈值后，构建无线热点网络，供救援终端设备接入；在环境参数变化超出设定阈值之前，从传感器获取相应节点的环境参数。
信号转换处理模块，用于将网络数据包在差分信号格式与数字信号格式之间进行转换。
可选的，还包括救援终端模块，该救援终端模块可以是笔记本电脑、IPad、嵌入式终端、智能手机中的任一一种，用于接入所述无线收发模块构建的无线热点网络。
可选的，还包括AMBA总线模块，用于连接中央处理器模块、数据包解析与控制模块、数据缓存模块、无线收发模块、信号转换处理模块。
另外，备份控制模式开启后，传感器可继续工作，为后续救援者通过无线连接提供现场环境参数；等待无线收发模块与外部救援终端的无线连接成功建立后，将所缓存的网络数据包发送到救援终端，供救援者依据上述数据判定现场设备的状态，从而实现更科学、高效的决策。另一路的控制模式，则可实现救援者通过终端设备向恶劣环境中无法接近的工业设备发送控制指令，在发送前可参考备份控制模式下所接收到的缓存数据，或根据之前预设好的配置方案直接执行。
还要说明的是，当以SOC芯片的实现恶劣环境下数据备份与控制时，各功能模块均以RTL代码或是相关IP核的形式，接入到SOC片上总线来实现方面；或将设备架构中的功能以PCB板卡的形式实现，此时，各功能模块为单独的功能模块，如WIFI模块、GPRS模块或Flash存储器来组成，或是集多个功能于一体的功能模块。
由上述可以清楚地看出，本发明在安装有SOC芯片的工业设备通过传感器感知到危害时，自动开启网络数据备份控制模式，将工业设备当前的工作状态信息及时备份存储，并在救援终端接入无线收发模块所建立的无线网络并建立无线连接时，与实时采集的环境信息一起发送给救援终端，供后续救援者参考决策。也可通过救援终端向工业设备发出紧急避险操作指令，如执行紧急数据保存、数据备份或是关闭设备的危险操作等，既更好的保护工业设备（计算机硬盘）上的数据，避免重要数据丢失和进一步损害，又同时不降低硬盘的读写速度，有效降低企业损失，是恶劣环境下对工业数据保护的一大创新，有显著的社会效益和经济效益。

Claims (10)

1.一种恶劣环境下数据备份与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
环境参数变化超出设定阈值后，向数据包解析与控制模块发送开启数据备份操作指令，所述数据包解析与控制模块进入备份模式，并开启无线模块构建热点网络；
终端设备接入所述热点网络后，获取所述数据包解析与控制模块所备份到的数据，并根据解析结果向所述数据包解析与控制模块所接入的工业设备发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的恶劣环境下数据备份与控制方法，其特征在于，在环境参数变化未超出设定阈值时，所述数据包解析与控制模块处于透传模式，实现数据包的透明传输。
3.根据权利要求1所述的恶劣环境下数据备份与控制方法，其特征在于，所述数据包为网络数据包，所述数据包解析与控制模块由RTL模块实现，其接收与发出的网络数据包均经过信号转换处理，所述信号转换处理包括差分信号转数字信号，以及数字信号转差分信号；所述终端设备为救援终端设备，是笔记本电脑、IPad、嵌入式终端、智能手机中的任一一种；所述根据解析结果向数据包解析与控制模块模块发送控制指令具体是向其发送设备紧急避险指令。
4.根据权利要求1所述的恶劣环境下数据备份与控制方法，其特征在于，环境参数的判定、数据包解析与控制模块操作指令的收发、无线模块的开启、备份数据的缓存均由中央处理器控制协调。
5.根据权利要求1所述的恶劣环境下数据备份与控制方法，其特征在于，实现各功能的模块是IP核或RTL代码的形式，各功能模块以AMBA总线架构中AXI总线、AHB总线或APB总线中的一种总线形式接入片上SOC***。
6.根据权利要求1所述的恶劣环境下数据备份与控制方法，其特征在于，所述片上SOC***还包括电源模块、时钟模块、复位模块。
7.根据权利要求1所述的恶劣环境下数据备份与控制方法，其特征在于，所述片上SOC可直接接入到工业设备网卡上的网口与PHY芯片之间。
8.权利要求1-7任一项所述方法的恶劣环境下数据备份与控制装置，其特征在于，包括：
中央处理器模块，用于环境参数的判定、数据包解析与控制模块的操作指令的收发、无线模块的开启、备份数据的缓存的控制协调；
数据包解析与控制模块，用于在透传模式下对网络数据包的透明传输，在备份模式下对网络数据包的解析控制；
数据缓存模块，用于存储数据包解析与控制模块在备份模式下所缓存的网络数据；
无线模块，用于在环境参数变化超出设定阈值后，构建无线热点网络，供救援终端设备接入；在环境参数变化超出设定阈值之前，从传感器获取相应节点的环境参数；
信号转换处理模块，用于将网络数据包在差分信号格式与数字信号格式之间进行转换。
9.根据权利要求8所述的恶劣环境下数据备份与控制装置，其特征在于，还包括救援终端模块，该救援终端模块是笔记本电脑、IPad、嵌入式终端、智能手机中的任一一种，用于接入所述无线模块构建的无线热点网络。
10.根据权利要求8所述的恶劣环境下数据备份与控制装置，其特征在于，还包括AMBA总线模块，用于连接中央处理器模块、数据包解析与控制模块、数据缓存模块、无线模块、信号转换处理模块。
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Address after: 450001 Ximei building, No. 6, Changchun Road, high tech Industrial Development Zone, Zhengzhou City, Henan Province

Applicant after: Zhengzhou Zhongke integrated circuit and System Application Research Institute

Address before: 450001 Zhimei building, no.6, Changchun Road, high tech Industrial Development Zone, Zhengzhou City, Henan Province

Applicant before: Zhengzhou Zhongke integrated circuit and Information System Industry Innovation Research Institute

CB02 Change of applicant information
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20210629

WW01 Invention patent application withdrawn after publication