一种分布式模块化电气安全控制终端

1.本发明涉及电气安全领域，尤其涉及一种分布式模块化电气安全控制终端。


背景技术：

2.随着科学技术的不断进步，电气安全设备的功能不断丰富，其采用的通信方式也在不断扩展，包括为lora、wifi、蓝牙、以太网、串口等。由于电气安全方面的数据具有单次数据帧数据量小的特点，在有集中的监控环境或者特殊使用环境中，通信方式复用时，需要控制终端对来自使用不同通信方式的不同节点的数据进行统一管理。
3.目前当通信方式复用时，为了保证数据安全，一般要求一个控制终端控制一种通信方式或者一个控制终端控制一类电气安全设备，在复杂场景需要多个控制终端，例如一个控制终端支持节点通过lora发送数据，识别匹配后根据不同节点类型进行不同处理，或者一个控制终端支持同类型节点通过多种通信方式发送数据，校验后进行后续处理，当需要多种通信方式和不同类型电气安全设备时，需要多个控制终端，这样导致操作复杂，可能导致控制终端协同性下降，导致数据混乱和数据丢失。


技术实现要素：

4.本发明实施例公开了一种分布式模块化电气安全控制终端，通过设置中间层处理控制终端和各节点之间的数据通讯，从而减少软硬件开销，同时可以灵活增删通信方式和电气安全设备信息，提高开发效率和设备利用率。
5.为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
6.一种分布式模块化电气安全控制终端，该控制终端内设置中间层，所述中间层用于处理前端控制单元和各节点之间的数据通信，至少包括通信管理模块、设备管理模块、输入缓存区、输出缓存区和任务管理模块，其中，
7.所述设备管理模块用于根据控制指令注册、管理、注销电气安全设备的设备信息，所述设备信息至少包括产品信息、通信方式、数据帧协议、操作任务、优先级，其中，数据帧协议和操作任务同步发送至所述任务管理模块和通信管理模块以进行管理；
8.所述任务管理模块与所述设备管理模块和输出缓存区相连接，用于将设备管理模块发送的控制指令转化为相应的任务信息并发送给输出缓存区；
9.所述通信管理模块与所述输入缓存区和输出缓存区相连接，用于根据设备管理模块的控制指令注册、管理、注销多种通信方式，同时将所述输出缓存区的数据信息发送给相应节点以及获取节点的数据信息并将数据标签化后发送给所述输入缓存区。
10.作为进一步的改进方案，节点通过注册到通信管理模块中的通信方式发送给控制终端，该控制终端预先将节点的数据信息注册到中间层的协议，中间层的通信管理模块将数据进行标签化，发送给输入缓存区；
11.控制终端将输入缓存区的数据经过设备管理模块匹配处理后发送给任务管理模块进行标签化处理，处理后将数据发送给输出缓存区，通信管理模块检测到输出缓存区有
数据时，根据数据的标签将数据发送给对应节点。
12.作为进一步的改进方案，用户通过前端发送命令给中间层，中间层中的设备管理模块对命令进行解析以对控制终端和节点进行控制。
13.作为进一步的改进方案，所述通信管理模块至少包括lora、wifi、蓝牙、以太网、串口中的任一种或几种。
14.上述技术方案中，通信管理模块、设备管理模块、输入缓存区、输出缓存区和任务管理模块，五大模块共同构成中间层，模块间单独工作互不影响；
15.将电气安全设备用到的通信方式如lora、wifi、蓝牙、以太网、串口等类似的通信技术中的任意多个注册到中间层，中间层中的通信管理模块统一管理这些通信方式，通信方式可随时注册和注销；
16.将电气安全设备自定的设备信息如产品信息、通信方式、数据帧协议、操作任务、优先级等信息注册到中间层，中间层中的设备管理模块统一管理这些设备信息，中间层中的任务管理模块和通信管理模块管理数据帧协议和操作任务，设备信息可随时注册和注销；
17.将节点传感器监测的环境数据如温度湿度、电流电压、雷电静电等数据根据注册到控制终端中的协议，通过注册到通信管理模块中的通信方式发送给控制终端，中间层的通信管理模块将数据进行标签化，发送给输入缓存区；
18.将输入缓存区的数据经过设备管理模块匹配处理后发送给任务管理模块进行标签化处理，处理后将数据发送给输出缓存区，通信管理模块检测到输出缓存区有数据时，根据数据的标签将数据发送给对应节点；
19.用户通过前端发送命令给中间层，中间层中的设备管理模块对命令进行解析以对控制终端和节点进行控制；
20.控制终端分为在线模式和离线模式，在在线模式下，控制终端将环境数据及其处理结果上报给云端服务器统一汇总，多个控制终端通过向云服务器申请数据保证多设备间数据共享；当云端服务器无法提供服务时，控制终端会从控制终端列表中找出最合适的申请成为备用服务器的控制终端，并向该控制终端分享数据。
21.与现有技术相比，本发明实施例通过将设备信息和通信方式注册到控制终端中间层进行统一管理，在控制终端中添加一类节点的控制只需要向控制终端注册设备信息即可，在控制终端中添加一种通信手段的支持只需要向控制终端注册通信方式即可，这样可通过一个控制终端实现通信方式复用和控制功能模块化，减少软硬件开销，可以灵活增删通信方式和电气安全设备信息，提高开发效率和设备利用率，同时多控制终端之间通过云端服务器进行数据共享，使多控制终端之间更好的协同工作。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明实施例的一种分布式模块化电气安全控制终端的原理框架示意图；
24.图2是本发明实施例提供的一种分布式模块化电气安全控制终端的中间层结构示意图；
25.图3是本发明实施例提供的一种中间层的设备管理模块流程示意图；
26.图4a是本发明实施例提供的一种前端控制发送的命令结构示意图；
27.图4b是本发明实施例提供的一种注册到设备管理模块中的设备信息结构示意图；
28.图5是本发明实施例提供的一种中间层的缓存区结构示意图；
29.图6是本发明实施例提供的一种中间层的任务管理模块优先级调度结构示意图；
30.图7a是本发明实施例提供的一种中间层的通信管理模块和节点之间通信用数据帧结构示意图；
31.图7b是本发明实施例提供的一种中间层的通信管理模块标签化后的数据帧结构示意图；
32.图8是本发明实施例的一种多个控制终端之间数据通过云端服务器共享的数据帧结构示意图；
33.图9是本发明实施例的一种多个控制终端之间数据通过云端服务器共享的多控制终端在线模式协同流程图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，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。
35.如图1所示，是本发明实施例的一种分布式模块化电气安全控制终端的原理框架示意图，该控制终端101包括前端控制部分103、中间层部分105和各种通信方式106。前端控制负责和用户交互，将用户的命令传给中间层或将中间层的反馈信息显示给用户。中间层负责接收并处理前端传过来的命令和将反馈信息传给前端；中间层接收设备信息104和通信方式106的注册并统一管理；中间层将节点102传过来的信息统一管理并处理。在某些情况中，用户通过拥有上网功能的手机、平板、电脑等上网设备远程对控制终端进行操控。所述前端控制103可以为lcd屏、mipi屏、lvds屏、hdmi接口屏幕等拥有显示和触控功能的显示设备或模块，或者可以为手机、平板、电脑等能够连接到因特网的上网设备；所述设备信息104包括产品信息、通信方式、数据帧协议、操作任务、优先级等信息；所述通信方式106可以为lora、wifi、蓝牙、以太网、can总线、串口等类似的通信技术中的任意多个；所述节点可以为各种用来监测环境数据的传感器，如温度、电流、电压等，并能够将数据通过控制终端支持的通信方式传输给控制终端。
36.基于图1所示的中间层，请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种分布式模块化电气安全控制终端的实现方法的中间层结构示意图。具体的，如图2所示，本发明实施例的中间层实现可以包括以下步骤：
37.中间层202分为设备管理模块204、输入缓存区205、通信管理模块206、输出缓存区207和任务管理模块208五大模块。
38.前端控制201发送命令和数据给设备管理模块204，设备管理模块204根据解析结
果决定是将数据给任务管理模块208还是将数据给其它模块。前端控制201发送的命令分为两种，节点控制命令和终端控制命令。节点控制命令让用户可以直接对设备的节点203进行控制，设备管理模块204接收到节点控制命令后，将数据发送给任务管理模块208进行处理，处理完成后将处理数据发送给输出缓存区207等待通信管理模块206发送给节点203，同时任务管理模块208将反馈信息发送给设备管理模块204，设备管理模块204接收到反馈信息并处理后将数据发送给前端控制201。终端控制命令让用户可以直接对控制终端202进行配置，配置内容包括：设备管理模块204中设备信息的查看，输入缓存区205和输出缓存区207中缓存内容的查看和垃圾清理的执行，通信管理模块206中通信方式的参数配置，任务管理模块208中任务执行情况的查看。
39.当输入缓存区205有数据时，设备管理模块204会向输入缓存区205索要优先级最高的数据，对其进行优先处理，解析后发给前端控制201或任务管理模块208。当前端控制201发送终端控制命令时，设备管理模块204解析命令后，将数据发送给其它模块并接受其它模块反馈数据，将反馈数据发送给前端控制201进行显示。
40.当通信管理模块206接收到节点203发来的数据时，通信管理模块206将数据发送给输入缓存区205。当输出缓存区207有数据时，通信管理模块206会向输出缓存区207索要优先级更高的数据，对其进行优先处理，解析后发给节点203。当通信管理模块206接收到设备管理模块204发来的终端控制命令时，通信管理模块206对通信方式的参数进行配置，并将反馈数据发送给设备管理模块204。
41.基于图2所示的中间层结构示意图中的设备管理模块，请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种中间层的设备管理模块流程示意图，图中命令解析、判断数据非空、匹配、反馈接收和数据丢弃都是设备管理模块的模块功能。
42.基于图3所示的设备管理模块流程示意图中的命令数据，请参考图4a，图4a为本发明实施例提供的一种前端控制发送的命令结构示意图。图中命令类别占用1bit，用于识别节点控制命令和终端控制命令；图中命令编号用于识别具体的操作命令，其占用为图中命令大小所提供的数据，单位是字节，其中图中命令大小占用7bit；图中数据用于该命令发送的用于具体操作的数据，其占用为图中数据大小所提供的的数据，单位是字节，其中图中数据大小占用8bit。
43.基于图3所示的设备管理模块流程示意图中的匹配，是根据注册到设备管理模块的设备信息决定的，请参考图4b，图4b为本发明实施例提供的一种注册到设备管理模块中的设备信息结构示意图。设备信息主要由三大部分组成：设备名称、设备编号和节点列表。设备编号是注册时设备管理模块分配的唯一编号。节点列表用来储存该设备方案用到的节点信息，包括节点名称、节点编号、通信方法、优先级、数据帧协议和操作任务列表。节点编号是注册时设备管理模块分配的唯一编号。数据帧协议用来解析该节点发来的数据帧。操作任务列表用来储存控制终端接收到该节点数据后具体执行的任务。数据帧协议和操作任务列表在注册到设备管理模块同时，会同时被注册到任务管理模块和通信管理模块。
44.基于图2所示的中间层结构示意图中的输入缓存区和输出缓存区，请参考图5，图5为本发明实施例提供的一种中间层的缓存区结构示意图。图中数据表用来管理数据缓存区每一个存储单元。图中优先级表用来管理各优先级对应的数据缓存区内的存储单元，优先级后数值代表优先级高低，数值越高优先级越低。图中数据缓存区用来存储真正的数据。缓
存区每次收到数据都会对其进行解析分类并注册到数据表和优先级表中，并告知其它模块缓存区内有可用数据，当其它模块向缓存区索要数据时，缓存区优先给予高优先级数据。在控制终端闲时或必要时，缓存区自动执行垃圾回收程序，将无用的数据清理干净。
45.基于图2所示的中间层结构示意图中的任务管理模块，请参考图6，图6为本发明实施例提供的一种中间层的任务管理模块优先级调度结构示意图。当设备管理模块匹配后将数据交给任务管理模块，任务管理模块根据匹配信息从图中数据帧协议列表中提取对应数据帧协议进行解析，解析后将数据和匹配信息发送给图中操作任务列表，操作任务列表准备好运行条件后进入图中运行任务列表。图中运行任务列表根据优先级进行排序，维护多个优先级队列，每个优先级队列按照顺序执行，同时，根据任务运行的平均时间，任务管理模块对任务的优先级进行动态调整，以保证任务能够更均匀的执行。当运行任务列表中的任务运行时间过长或需要暂停等待，则会被转移到图中等待任务列表，在等待任务列表中的任务，会在等待时间结束或暂停结束后按照优先级转移到运行任务列表中继续执行。任务管理模块执行任务结束后将反馈信息发送给设备管理模块，并将标签化的数据发送给输出缓存区。
46.基于图2所示的中间层结构示意图中的通信管理模块和节点，请参考图7a，图7a为本发明实施例提供的一种中间层的通信管理模块和节点之间通信用数据帧结构示意图。图中帧头占用1字节，用来识别该数据是否为传向控制终端的数据。图中设备类型编号占用1字节，图中节点编号占用1字节，设备类型编号和节点编号用来确定该数据具体是哪个节点发过来并应用于哪个设备的数据。图中数据为节点测得的数据，其占用为图中数据大小所提供的数据，单位是字节，其中图中数据大小占用1字节。图中校验码占用2字节，用于确保节点发来数据的准确程度，如果数据无法通过校验，则该数据为无效数据，会被丢弃，校验算法采用crc16算法。
47.基于图2所示的中间层结构示意图中的通信管理模块，请参考图7b，图7b为本发明实施例提供的一种中间层的通信管理模块标签化后的数据帧结构示意图。通信管理模块收到节点发来的数据后首先检查帧头和校验码，正确无误后根据注册到通信管理模块的数据帧协议进行匹配和解析，成功后将数据标签化发送给输入缓存区，同时如果该节点需要反馈会将反馈信息发送给节点。当输出缓存区有数据时，会根据输出缓存区的数据的标签内容进行解析，使其能够将数据正确的发送给对应节点。图中标签信息用来提供通信方式必要的信息，如使用tcp/ip协议通信时，需要服务端和客户端的ip和端口号等信息，又如蓝牙通信时，需要uuid等信息。图中优先级用来提供该数据的处理优先级，优先级高的数据优先被处理，该优先级是通信管理模块通过数据帧协议解析得知的。
48.如图8所示，是本发明实施例的一种多个控制终端之间数据通过云端服务器共享的数据帧结构示意图。由于传输的数据量可能很大，为了防止错误，采用了数据分包的方式传输。首先控制终端给云端服务器发送图中命令帧801，云端服务器会根据命令编号和命令数据决定接下来接收数据的方式。控制终端第一次给云端服务器发送数据时需要发送注册命令，同时云端服务器会返回控制终端编号；如果控制终端从离线模式切换到在线模式，控制终端会首先向云端服务器核对控制终端编号，如果编号被占用，云端服务器会重新发放编号。然后控制终端可以选择发送全部数据还是部分数据。控制终端发送全部数据，首先发送图中控制终端信息数据帧802，根据图中设备数量接收设备信息数据帧803，再根据图中
节点数量接收节点信息数据帧804，直到数据接收完成。当控制终端给云端服务器发送更新命令时，只需要接收其中部分步骤的数据帧更新数据即可。云端服务器对每次给它发送的数据会保存时间戳和计算整体的md5值，以此来判断数据是否需要更新，当多个控制终端连接云端服务器时，控制终端可以定期向云端申请更新其它控制终端的数据或向云端申请向其它控制终端发送命令，以此保证多控制终端数据共享，协同工作。
49.如图9所示，是本发明实施例的一种多个控制终端之间数据通过云端服务器共享的多控制终端在线模式协同流程图。图中所示流程为控制终端默认开启在线模式的前提下；图中的控制终端指每个控制终端本身；图中备用服务器指在云端服务器注册申请成为备用服务器的控制终端；图中备用服务器列表是在控制终端向云端服务器注册时主动申请的，备用服务器列表的排序根据控制终端的繁忙程度决定，控制终端越空闲，排名越靠前。当控制终端充当备用服务器时，其不会结束其作为普通控制终端的工作，而是在进行普通控制终端工作的同时充当备用服务器。
50.以上对本发明实施例所提供的一种分布式模块化电气安全控制终端的实现方法的控制方法和控制原理进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。