CN102891796B - 矿用智能传输网关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿用智能传输网关。该矿用智能传输网关包括：数据表示模块，用于利用每一路传感器信号生成数据表；数据包分析模块，用于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；传感设备地址编码模块，用于从报文体中提取设备类型、接口编号、总线类型和传感器值，利用设备类型、接口编号和总线类型，检索该设备对应的IP地址，将IP地址、设备所属位置与传感器数据整合为可在光纤环网传输的数据包。本发明通过协议数字表示方法实现状态转换模板表示协议，可用于协议的匹配解析。

Description

矿用智能传输网关

技术领域

本发明涉及矿山安全生产技术领域，尤其涉及一种矿用智能传输网关。

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。对煤矿安全生产而言，在“物联网”时代，瓦斯、CO等各类传感器、电缆、电气机械设备等等，所有这些将与芯片、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系统内的人员、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。通过两化融合，科技创新，改变现有管控模式，提高经济效益。

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。

参考文件1(专利申请号：CN200810201578)提供了一种基于IEEE802.15.4a的工业无线网络接入MODBUS/TCP工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线的多协议网关。本多协议网关包括微处理器、MODBUS/TCP主站、IEEE802.15.4a无线主站、PROFIBUS-DP从站、外扩SDRAM存储器和FLASH存储器、RJ45网口、485物理层接口、USB接口；电路的连接方式是以微处理器为中心，通过MDIO接口外扩DM9161EP以太网物理层接口芯片，通过内部总线连接PROFIBUS-DP协议芯片SPC3，通过SPI总线连接NA1TR8无线协议芯片，外扩USB接口。

上述技术方案实现了很多接口的协议转换，但在物联网的应用中，还有很多功能不能得到满足。比如协议的数据表示、接收机的再编程、动态多接口处理机制、传感设备地址编码与智能数据包分析等等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种矿用智能传输网关，以实现协议的数据表示。

(二)技术方案

本发明提供了一种矿用智能传输网关，包括：数据表示模块，用于利用每一路传感器信号生成数据表；数据包分析模块，用于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；传感设备地址编码模块，用于从报文体中提取设备类型、接口编号、总线类型和传感器值，利用设备类型、接口编号和总线类型，检索该设备对应的IP地址，将IP地址、设备所属位置与传感器数据整合为可在光纤环网传输的数据包。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明矿用智能传输网关具有以下有益效果：

(1)通过协议数字表示实现采用状态转换模板表示协议，可用于协议的匹配解析；

(2)智能传感设备动态接口配置及地址编码，能够实现接口的动态配置。

附图说明

图1为本发明实施例矿用智能传输网关的拓扑关系示意图；

图2为本发明实施例矿用智能传输网关的结构示意图；

图3为本发明实施例矿用智能传输网关物理层接口电路模块电气信号转换模块进行电气信号转换的示意图；

图4为本发明实施例矿用智能传输网关中数据表示模块进行数据表示的说明图；

图5为本发明实施例矿用智能传输网关中数据包分析模块进行匹配过程说明图；

图6为本发明实施例矿用智能传输网关中数据包分析模块进行匹配过程的流程图；

图7为本发明实施例矿用智能传输网关中传感设备地址编码模块进行编码的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种矿用智能传输网关。图1为本发明实施例矿用智能传输网关的拓扑关系示意图。如图1所示，其下端与传感器通过物理层接口相连接，上端通过矿用光纤环网接口与矿用光纤环网相连接。该矿用智能传输网关主要用于：接收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，进行统一地址编码，并将统一编码后的传感信息传输至上位机。

图2为本发明实施例矿用智能传输网关的结构示意图。如图2所示，本实施例矿用智能传输网关包括：物理层接口电路模块、数据表示模块、数据包分析模块和传感设备地址编码模块。其中，数据表示模块、数据包分析模块和传感设备地址编码模块集成于FPGA芯片。以下分别对各个模块进行详细说明：

物理层接口电路模块兼容CAN，WIFI，802.15.4，RS485，RS232，光纤接口，RJ45接口，TD-SCDMA/GPRS/GSM接口，串口等接口，用于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上的数据处理模块处理，或者反方向将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。图3为本发明实施例矿用智能传输网关物理层接口电路模块电气信号转换模块进行电气信号转换的示意图。该电气信号转换过程可以采用现有技术中的各种方法，此处不再详细说明。

数据表示模块，用于将电气转换的每一路传感器信号，生成数据表，包括：物理层参数配置单元、物理层接收单元、字节内容缓冲单元、时隙信息缓冲单元和数据表生成单元。

其中，所述物理层收发单元包括多个物理层收发器，所述数据表示模块还包括：物理层参数配置单元，用于利用多路选择开关参数来选择该多个物理层收发器其中之一的前端输入传感器信号，后端连接至字节内容缓冲单元和时隙信息缓冲单元；并且在当利用目前的物理层收发器进行解析后，数据表生成失败时，向上位机发出多路选择开关参数更新请求，并在接收到上位机的反馈后，通过修改多路选择开关参数来选择合适的物理层收发器。

例如，该接口原有程序是CAN总线程序，需要切换为RS485。物理层参数配置单元，向上位机发出修改多路选择开关参数更新请求，并在接收到上位机的反馈后，通过修改多路选择开关参数来选择RS485物理层信号收发器。

图4为本发明实施例矿用智能传输网关中数据表示模块进行数据表示的说明图。以下结合图4对数据表示模块进行详细说明。

物理层收发单元，用于利用物理层收发器实现每一路传感器信号总线协议，将适合FPGA处理的各种协议，如：CAN，WIFI，802.15.4，RS485，RS232，光纤接口，RJ45接口，TD-SCDMA/GPRS/GSM等的信号进行解析，输出字节内容和字节间时间信息。

字节内容缓冲单元用于存储当前物理层收发单元解析输出的字节内容。

时隙信息缓冲单元，用于存储当前物理层收发单元输出的字节间时间信息。

数据表生成单元，用于利用字节内容缓冲单元的字节内容和时隙信息缓冲单元的字节时间信息，生成二维的数据表，如表1所示。

表1数据表

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。

表2协议状态转换模板

该状态转移模板如表2所示，其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。状态转移模板是由下述元素构成的三元组：字节内容、状态关系和时间信息。

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，

跳转环，当跳转环出现时，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。

例如，存在如下一个数据表：

对于上述的数据表，其对应的状态转移模板如表3所示：x表示任意数据：

表3协议状态转换模板

表中，t0，t8远大于t1到t7的平均值，表示这是一个完整的数据包。上面的数据表解析出来的数据为aefh。

匹配成功的数据表，将被表示成报文体，报文体含有：数据信息，接口信息，传感器类型。该报文会被送至传感设备地址编码模块。

为清楚起见，图5为本发明实施例矿用智能传输网关中数据包分析模块进行匹配过程说明图。图6为本发明实施例矿用智能传输网关中数据包分析模块进行匹配过程的流程图。如图5和图6所示，匹配过程如下所述：

步骤S502，查找网关接口协议存储表中是否存在该传感器通道的状态转换模板，如果有，则执行步骤S504，否则，执行步骤S506；

步骤S504，将数据表直接与网关接口协议存储表中状态转换模板与进行匹配，执行步骤S512；

步骤S506，将数据表与所有的状态转换模板进行匹配；

步骤S508，判断是否匹配成功，如果是，执行步骤S510，否则，执行步骤S512；

步骤S510，将数据表内容按照已有的协议状态转换模板生成报文体，流程结束；

如果匹配成功，则表示一个完整的数据包被识别出来。该数据不仅包含有传感器发出来数据，而且还包含其它控制信息。

匹配成功后，将暂时固定这个接口协议，记录在网关接口协议存储表中，下次数据表到来时，直接和表格中的相应模板匹配。

表3网关接口协议存储表

接口1	(CAN类型，水纹传感器，，协议状态转换模板1)
		接口2	(WIFI类型，手机，协议状态转换模板2)
接口3	(ZIGBEE类型，定位卡片，协议状态转换模板3)
		其它接口	(XX类型，XX设备，，协议状态转换模板4)

步骤S512，对匹配失败的数据表中的数据表数据进行统计分析寻找规律，进入模式串匹配法，一定数目的数据包经过统计分析，区分良好字符模式和不良好字符模式。

良好字符模式，是指数据表中数据都有一定规律，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；

不良好字符模式，是指数据表含有不规律的数据，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，本发明网关将数据表存储，发到服务器，进行人工分析。

传感设备地址编码模块，用于从报文体中提取设备类型、接口编号、总线类型和传感器值，利用设备类型、接口编号和总线类型，检索该设备对应的IP地址，将IP地址、设备所属位置和传感器数据整合可在光纤环网传输的数据包，如图7及表4所示。

表4数据包

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

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和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。

这样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，通过各类传感器，获得感知对象的信息。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。

上述步骤为从网关到上位机的通信步骤。从上位机到网关的通信步骤是一个反向过程，包括在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，到物理层接口电路模块，变成适合总线传输的信号。

下面举个实例来说明本方案：

将传感器2条线缆连接到网关的物理层电路接口模块的接线柱上，将网关接到矿用环网上。假定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，网关会检测出，物理层收发器程序不对，向上位机发出更新申请。工作人员在看到申请消息后，会检查相应接口，在上位机上选择修改多路选择开关参数，发送到网关上，网关会在不破坏其他模块的情况下，通过修改多路选择开关参数来选择RS485物理层信号收发器。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，网关会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，会制定新的协议模板，将此模板发送给网关，进行协议更新。

数据包被匹配后，网关会对接口和传感器，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。

本发明矿用智能传输网关具有传感器接口的兼容性和各种协议的适用性，能够实现异构网络的融合，根据环境和需要使用不同的网络技术对巷道实现全覆盖，并且通过移动终端的重构实现终端的自由接入。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种矿用智能传输网关，其特征在于，包括：

数据表示模块，用于利用每一路传感器信号生成数据表；

数据包分析模块，用于读取所述数据表中的内容，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；

传感设备地址编码模块，用于从所述报文体中提取设备类型、接口编号、总线类型和传感器值，利用设备类型、接口编号和总线类型，检索该设备对应的IP地址，将IP地址、设备所属位置与传感器数据整合为可在光纤环网传输的数据包；

所述数据表示模块包括：

物理层收发单元，用于将每一路传感器信号进行解析，输出字节内容和字节间时间信息，包括多个物理层收发器；

字节内容缓冲单元，用于存储当前物理层收发单元解析输出的字节内容；

时隙信息缓冲单元，用于存储当前物理层收发单元输出的字节间时间信息；

数据表生成单元，用于利用字节内容缓冲单元的字节内容和时隙信息缓冲单元的字节时间信息，生成二维的数据表；

物理层参数配置单元，用于利用多路选择开关参数来选择该多个物理层收发器其中之一的前端输入传感器信号，后端连接至字节内容缓冲单元和时隙信息缓冲单元；并且在当利用目前的物理层收发器进行解析后，数据表生成失败时，向上位机发出多路选择开关参数更新请求，并在接收到上位机的反馈后，通过修改多路选择开关参数来选择合适的物理层收发器。

2.根据权利要求1所述的矿用智能传输网关，其特征在于，所述数据包分析模块读取数据表中的内容，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包括：

查找网关接口协议存储表中是否存在该数据表对应接口协议的状态转换模板；

如果有，则将数据表内容按照已有的协议状态转换模板生成报文体；

如果没有，则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，如果匹配成功，将数据表内容按照匹配的协议状态转换模板生成报文体，并将该数据表所属的接口协议与相应的协议状态转换模板建立关联后存储至网关接口协议存储表。

3.根据权利要求2所述的矿用智能传输网关，其特征在于，所述数据包分析模块中，状态转移模板包括以下元素：字节内容、时间信息和状态关系，其中：

字节内容为当前字节内容；

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；

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；跳转环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。

4.根据权利要求2所述的矿用智能传输网关，其特征在于，所述数据包分析模块中，如果数据表内容和库模板中已有的协议状态转换模板匹配失败，则：

对匹配失败的数据表中的数据表数据进行统计分析寻找规律；

如果未寻找到规律，将数据表发送至上位机；

如果寻找到规律，则将存在规律的数据表数据及相应的数据表发送至上位机。

5.根据权利要求4所述的矿用智能传输网关，其特征在于，所述数据包分析模块中，采用模糊聚类分析方法对匹配失败的数据表进行统计分析寻找规律。

6.根据权利要求4所述的矿用智能传输网关，其特征在于，所述数据包分析模块中，针对以下数据表数据对匹配失败的数据表进行统计分析寻找规律：数据包头，数据包尾，数据长度，递增数据，递减数据或平滑数据。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的矿用智能传输网关，其特征在于，所述数据表示模块、数据包分析模块和传感设备地址编码模块集成于FPGA芯片上；

该矿用智能传输网关还包括：物理层接口电路模块，用于将不同接口的传感器电气特性信号转换成适合FPGA处理的信号，并将该信号传输至数据处理模块。

8.根据权利要求7所述的矿用智能传输网关，其特征在于，所述接口为以下接口中的一种：CAN，WIFI，802.15.4，RS485，RS232，光纤接口，RJ45接口，TD-SCDMA/GPRS/GSM接口或串口。