一种利用近场连接实时交互的物联网控制系统及控制方法与流程

本发明涉及物联网领域，具体涉及一种利用近场连接实时交互的物联网控制系统及控制方法。

背景技术：

医疗、美容以及其他较为复杂的台式立式设备、仪器和仪表因为稳定性、安全性等原因，其控制系统在设计上一直是保守的。近年来互联网技术的发展，良好的人机互动和信息、数据的交换成为迫切的需求。将新的功能引入原有的控制系统，硬件上需做改动。软件需在保留原有功能的情况下，兼顾系统的实时性和稳定性，并加入网络信息交换能力。

目前通常为实现智能互联，最常用的方式是使用一块现成的android系统终端，终端与设备原先的控制系统进行有线通讯。android终端替代设备原先的显示屏承担人机交互功能，并通过wifi或手机通讯联网，从而实现iot物联。结合iot联网，使用该方案的控制系统使大数据收集、标准化操作、安全防护、远程授权认证、销售模式创新、ai交互等成为可能。

但上述方案也有相应缺陷：android操作系统及其硬件系统是移动端的应用，其不是为仪器、设备开发的。原生的android其安全性、稳定性和系统架构并不适合专业领域的操控。而且即使原先的控制系统能够保证实时性，但android系统主管的人机交互和网络数据交互并不保证实时性和某个状态下的优先级，从而导致设备的实时性丧失。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用近场连接实时交互的物联网控制系统及控制方法，以解决现有技术中采用长期的网络连接容易受到网络攻击并造成无线干扰，接入物联网后不能保证系统的实时性，失去多线程并发执行能力的问题。

所述的一种利用近场连接实时交互的物联网控制系统，包括人机交互模块、控制模块、特种电源、手具治疗头、传感器模块、中介网络交换设备和云端服务器，所述控制模块分别连接所述人机交互模块、所述特种电源、所述手具治疗头和所述传感器模块进行信息传递和控制，所述特种电源连接所述手具治疗头进行供电，所述控制模块通过近场交互模块与所述中介网络交换设备信号连接，所述中介网络交换设备与所述云端服务器通过网络连接，所述控制模块为配置有多任务实时操作系统的控制板，所述控制板上设有cpu模块、usart模块和i/o接口。

优选的，所述近场交互模块为蓝牙模块或fnc交互模块、所述中介网络交换设备为手机通过wifi或4g模块与云端服务器连接。

本发明还提供了对应上述的物联网控制系统的控制方法，多任务实时操作系统运行后进行系统初始化，之后进行功能程序处理，在执行功能程序时依次进行ms级定时任务处理，usart处理，由主功能状态机进行功能程序的任务处理，主功能状态机处理结束后再返回进行下一次的ms级定时任务处理；

所述多任务实时操作系统采用非阻断延时执行延时程序，通过systick系统时钟中断协助功能程序完成延时操作，系统每经过一个中断周期，系统时间m+1；

所述多任务实时操作系统采用数据异步非阻塞发送串口数据；

所述多任务实时操作系统在执行功能程序时将耗费时间的算法拆分成若干步骤，每个步骤为多重的循环计算，并设定了规定时间，一个步骤的循环在规定时间内没有做完，则记录此次中间结果和必要参数，该步骤如果下次进入该算法时调取记录继续计算，一个步骤完成后再进入下一个步骤，直至该算法执行完毕；

所述多任务实时操作系统上述方法保证了实时性，在10ms内主功能程序循环一次以上，在10ms的时间精度上将上述顺序执行的ms级定时任务处理，usart处理和功能任务处理视为同时进行，实现多个虚拟线程的并发同时执行。

优选的，延时执行功能程序时查询延时，先判断是否满足延时启动条件，满足则设置延时时间n并获取当前系统时间m'，之后再获取新的系统时间m，判断当前时间差m-m'是否超过延时时间n，如果满足则执行功能程序，否则执行其他程序，之后查询延时如果不满足延时启动条件则继续获取新的系统时间m，判断当前其与之前触发延时启动时的系统时间m'之间时间差m-m'是否超过延时时间n，如果满足则执行功能程序，否则执行其他程序。

优选的，延时执行功能程序时查询延时，判断是否满足延时启动条件，满足则设置初始值为0延时标志b，之后执行其他程序，否则判断之前设置的延时标志b的值是否大于0，是则继续判断延时标志b的值是否为1，否则执行其他程序，当延时标志b的值为1时则设置延时时间n并获取当前系统时间m'，同时将延时标志b赋值为2，再直线其他程序，若干延时标志b的值不为1时获取当前系统时间m，与之前延时标志b的值为1时获取的系统时间m'求差，判断时间差m-m'是否大于n，若是则执行功能程序同时将b的值初始化为0，否则执行其他程序。

优选的，所述多任务实时操作系统发送串口数据时，获得发送内容和发送数量txcounter2并判断txcounter2是否大于0，即检测是否有数据要发送，没有要发送数据就执行其他程序，有则朝发送缓冲区放入一个字节，若当前字节发送完毕则发送数量txcounter2-1再返回之前检测是否有数据要发送步骤进行循环，若当前字节没有发送完毕则将中断程序插入运行后执行其他程序。

优选的，所述虚拟线程包括ms级定时任务线程、功能程序线程和usart线程，ms级定时任务线程依次执行系统时间累加、i/o辅助检测和时输出处理，所述功能程序线程次执行常规功能和状态枚举，所述usart线程依次执行执行数据的收发，判断是否有发送缓冲区空闲，有则发送数据，接受数据依次进行本帧收满检测和校验和，并在本帧收满检测和校验和都满足时进行接收数据处理。

优选的，所述算法拆分成若干步骤以计算状态表示，所述计算状态包括将各个参数初始化的计算状态1和依次对应拆分后计算步骤的计算状态2、3…n，程序运行时首先判断调取的包含计算结果、计时变量的参数是否满足计算状态1，若满足则进行参数赋初值，包括把计时变量n设为零，否则进行下一步计算步骤对应计算状态的比较，在将参数与对应拆分后计算步骤的计算状态比较后，若不满足则继续进行下一步计算步骤对应计算状态的比较，若满足则进行计算时间与时间片的比较和判断计算是否完成，计算时间大于时间片或者计算完成则记录计算结果将n赋值为0并执行其他程序，若计算时间不大于时间片且计算未完成则继续此步骤的运算循环，并且每次循环后均重复上述计算时间与时间片的比较和判断计算是否完成。

本发明有下列优点：

1、本发明支持多路全双工或半双工并发通讯，并发互不影响。通过数据异步非阻塞发送串口数据，实现多路通讯数据并发发送、接收和处理，完美支持但单总线多模块通讯。主从结构支持多个手具治疗头，可单个手具高速使用，手具上按键处理和特效可通过通讯在控制器端完成；支持多传感器模块。

目前在72mhz主频下实例应用机型具有ms级实时响应和us级精度控制信号输出能力(不包含dma、fsmc、pmw等内置硬件输出)，并有5-10路虚拟线程的并发执行能力。

2、延时功能程序执行通过两种方法实现，延时精确，一种非阻塞延时方法使延时在一定的精度内不受执行主程序其他代码耗时不均的影响，并可设定10ms分辨率的延时时间。另一种非阻塞延时方法精度更高，可提供us级延时，但对功能程序的大小和执行时间有要求，可被用于替换常规需要延时等待的情况，如：i/o采样时的去抖动、产生i级的i/o信号等，可以大幅改善系统的实时响应能力。因此本控制系统能轻松实现ms级响应和us级精度的i/o检测和开关。

3、本发明的操作系统根据硬件需求简化了内存管理和堆栈处理，对系统容错有一定预估。通过对耗时算法的实时处理，通过非阻塞延时方法实现虚拟多线程，合理分配硬件资源，本方案的实例可保证10ms(保证10ms内主程序循环一次以上)的时间精度上的5-10个虚拟线程的并发同时执行。实时性表现稳定，不会有越用越慢的现象，在产品的使用寿命期内基本实现了核心控制器可长期待机，不用重启。

4、本发明按设备使用需人操作使用的特性，不要求实时长期的网络连接，采用近场网络的技术即用即连，可靠稳定，大大减少了对环境的无线污染和干扰。设备在近场交互时才暂时建立的与云端服务器连接，通过第三方通讯设备，实现数据透传，可连接通用或专用网络。在此情况下，他人根本没有足够的时间对本系统进行不被发现的破解和攻击，大大提高了安全性。

附图说明

图1为本发明中利用近场连接实时交互的物联网控制系统的模块连接图；

图2为本发明中物联网密码认证方法在用户使用时进行密码验证的流程图。

图3为本发明中第一种非阻塞延时方法的流程图；

图4为本发明中第二种非阻塞延时方法的流程图；

图5为本发明中处理耗费时间的算法的流程图：

图6为本发明中数据异步非阻塞发送串口数据的流程图；

图7为本发明中执行多个虚拟线程的流程图；

图8为阻塞式延时方法和一种非阻塞延时方法的流程图；

图9为阻塞式发送数据的流程图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

现有的医疗、美容以等操作比较复杂的台式立式设备以及仪器仪表在进行物联网系统改造时最常用的方式是使用一块现成的android系统终端，终端与设备原先的控制系统进行有线通讯。android终端替代设备原先的显示屏承担人机交互功能，并通过wifi或手机通讯联网，从而实现iot物联。但这种方式有下列缺陷：

1、技术实现难度大：

android操作系统及其硬件系统是移动端的应用，其不是为仪器、设备开发的。原生的android其安全性、稳定性和系统架构并不适合专业领域的操控。

作为硬件系统太过强调性能，着重点多在于ui画面、视频、3d渲染等，如为工业应用考虑，实现emc兼容、抗强干扰、抗震性、三防、鲁棒性等，需要重新设计。

2、加工成本高：

相对于工业应用几k、十几k的生产量来说，android系统加工生产成本太高。硬件系统过于复杂，焊点和pcba其他工艺的加工量都大于单片系统。

3、许可受限：

android操作系统是谷歌的专利，用于特定领域受限于谷歌的授权。

如果自己没有高于手机级别的硬件开发能力，采购oem的android硬件系统，在供货和使用许可上也会受到限制。

4、安全性低：

除去直接连接互联网，容易遭受攻击不谈，使用android系统的设备往往通过简单的串口通讯来完成与仪器控制器的通讯。因为android操作系统主管人机交互，实现整套仪器操作，所以存在整套通讯协议被轻易破解的可能。

另外系统底层存在后门，被root后，应用程序可被轻易的被操控。

5、稳定性问题：

android5.0后使用art架构，程序在安装后才被转换成机器语言。对于不同版本和编译器，其最终表现也是不确定的。

6、实时性及优先级受限：

即使原先的控制系统能够保证实时性，但android系统主管的人机交互和网络数据交互并不保证实时性和某个状态下的优先级，从而导致设备的实时性丧失。

为了克服上述问题，如图1-9所示，本发明提供了一种利用近场连接实时交互的物联网控制系统。如图1所示，物联网控制系统包括人机交互模块、控制模块、特种电源、手具治疗头、传感器模块、中介网络交换设备和云端服务器，所述控制模块分别连接所述人机交互模块、所述特种电源、所述手具治疗头和所述传感器模块进行信息传递和控制，所述特种电源连接所述手具治疗头进行供电，所述控制模块通过近场交互模块与所述中介网络交换设备信号连接，所述中介网络交换设备与所述云端服务器通过网络连接，所述控制模块为配置有多任务实时操作系统的控制板，所述控制板上设有cpu模块、usart模块和i/o接口。

所述近场交互模块为蓝牙模块或fnc交互模块、所述中介网络交换设备为手机，使用手机标配的蓝牙和nfc能力与设备的控制板连接，通过wifi或4g模块与云端服务器连接。人机交互模块采用dgus屏，控制板本身做了集成和优化，增加了通讯接口用于与蓝牙等网络连接，本实施例中采用的是蓝牙模块。此外本控制板又增加了其他通讯总线用于连接传感器，治疗头和专用模块。这些为此板成为一个可以转发信息的路由器和连接iot网络提供了硬件基础。同时含有丰富的i/o扩展，配合不同功能的软件版本即可实现对大部分医美仪器的控制和智能化改造。控制板硬件配置固定化，模式化后，实现对控制板的进一步封装，得以批量生产，并可进一步进行保密防拆设计。

硬件接口能力列表如下：

1、两路可关断的0-5v可调电压输出。

2、9路高速数字i/o，6+3，和6路光耦输出。

3、一个专用opt及激光电源控制接口。

4、2个标准rs232接口，一个带电源控制。

5、2个标准rs485接口，各带一路i/o。

6、4路光耦信号检测输入。

7、1路可抗干扰的温度测量输入。

8、1路水质监测输入。

9、1路工频同步检测。

10、1路pmw功率输出。

11、1路ttl串行通讯接口。

此外本方案还可采用其他替代方案，如：

1、本方案所使用实现网桥透传功能的移动终端、设备以及路由器，包含搭载ios、android或其他具有wan连接能力的操作系统的设备，实现方式包含app、基于特定app生态的脚本程序(如微信小程序)以及基于网页的任何脚本程序。

2、本方案控制器使用的处理器不限于目前实例arm-m3内核的cpu，适用于任何50mhz以上主频单核处理器。

3、本方案是软件和硬件组合的解决方案，涉及多路实时通讯、实时人机响应、实时信号输入响应、实时信号输出开关，同时并发。最快响应时间的指标取决于实例cpu主频和架构、任务的数量和复杂程度。

4、本方案实例所使用的人机交互硬件是dgus显示屏模块，但方案包括所有可通过通讯总线接入的专用显示屏模块。

5、任何可用的无线近场通讯方式都可用于本物联方案，中继及透传设备的多少和中继联网的方法不限。

本发明还提供了一种利用近场连接实时交互的物联网控制系统的控制方法，特点是采用多任务实时操作系统进行控制。其实现流程如图2所示。

多任务实时操作系统运行后进行系统初始化，之后进行功能程序处理，在执行功能程序时依次进行ms级定时任务处理，usart处理，由主功能状态机进行功能程序的任务处理，主功能状态机处理结束后再返回进行下一次的ms级定时任务处理。

系统初始化过程依次为：初始化rcc，初始化i/o，初始化systick，初始化usart，初始化中断程序，配置数据读取，进行外接模块供电，进入开机动画，初始化待机界面，初始化systick后进行systick系统时钟中断，中断周期在本实施例中设置为10ms；初始化usart后执行usart中断处理程序，以实现usart的实时处理；初始化中断程序后执行除usart中断处理程序以外的其他中断处理程序，以实现对功能程序的实时处理。

(1)、为了实现系统的多任务实时处理，所述多任务实时操作系统采用非阻断延时执行延时程序，通过systick系统时钟中断协助功能程序完成延时操作，系统每经过一个中断周期，系统时间m+1。而为实现任务延时处理采用了下列两种延时方法：

第一种非阻塞延时方法如图3所示，延时执行功能程序时查询延时，先判断是否满足延时启动条件，满足则设置延时时间n并获取当前系统时间m'，之后再获取新的系统时间m，判断当前时间差m-m'是否超过延时时间n，如果满足则执行功能程序，否则执行其他程序，之后查询延时如果不满足延时启动条件则继续获取新的系统时间m，判断当前其与之前触发延时启动时的系统时间m'之间时间差m-m'是否超过延时时间n，如果满足则执行功能程序，否则执行其他程序。

该方法使延时在一定的精度内不受执行主程序其他代码耗时不均的影响，并可设定10ms分辨率的延时时间。轻松实现ms级响应，以实现在10ms精度上的多任务并发。

另一种非阻塞延时方法如图4所示，延时执行功能程序时查询延时，判断是否满足延时启动条件，满足则设置初始值为0延时标志b，之后执行其他程序，否则判断之前设置的延时标志b的值是否大于0，是则继续判断延时标志b的值是否为1，否则执行其他程序，当延时标志b的值为1时则设置延时时间n并获取当前系统时间m'，同时将延时标志b赋值为2，再直线其他程序，若干延时标志b的值不为1时获取当前系统时间m，与之前延时标志b的值为1时获取的系统时间m'求差，判断时间差m-m'是否大于n，若是则执行功能程序同时将b的值初始化为0，否则执行其他程序。

该延时方法精度更高，可提供us级延时，但对功能程序的大小和执行时间有要求，可被用于替换常规需要延时等待的情况，如：i/o采样时的去抖动、产生i级的i/o信号等，可以大幅改善系统的实时响应能力，实现us级精度的i/o检测和开关。

(2)、所述多任务实时操作系统除了采用dma方式进行数据收发外还采用数据异步非阻塞发送串口数据。所述多任务实时操作系统发送串口数据时，获得发送内容和发送数量txcounter2并判断txcounter2是否大于0，即检测是否有数据要发送，没有要发送数据就执行其他程序，有则朝发送缓冲区放入一个字节，若当前字节发送完毕则发送数量txcounter2-1再返回之前检测是否有数据要发送步骤进行循环，若当前字节没有发送完毕则将中断程序插入运行后执行其他程序。

通过数据异步非阻塞发送串口数据，实现多路通讯数据并发发送、接收和处理，完美支持但单总线多模块通讯。主从结构支持多个手具治疗头，也可单个手具高速使用，手具上按键处理和特效可通过通讯在控制器端完成；支持多传感器模块。

(3)、当处理功能程序特别是处理耗费时间的算法时，所述多任务实时操作系统在执行功能程序时将耗费时间的算法拆分成若干步骤，每个步骤为多重的循环计算，并设定了规定时间，一个步骤的循环在规定时间内没有做完，则记录此次中间结果和必要参数，该步骤如果下次进入该算法时调取记录继续计算，一个步骤完成后再进入下一个步骤，直至该算法执行完毕。

具体的算法拆分和处理过程为：所述算法拆分成若干步骤以计算状态表示，所述计算状态包括将各个参数初始化的计算状态1和依次对应拆分后计算步骤的计算状态2、3…n，程序运行时首先判断调取的包含计算结果、计时变量的参数是否满足计算状态1，若满足则进行参数赋初值，包括把计时变量n设为零，否则进行下一步计算步骤对应计算状态的比较，在将参数与对应拆分后计算步骤的计算状态比较后，若不满足则继续进行下一步计算步骤对应计算状态的比较，若满足则进行计算时间与时间片的比较和判断计算是否完成，计算时间大于时间片或者计算完成则记录计算结果将n赋值为0并执行其他程序，若计算时间不大于时间片且计算未完成则继续此步骤的运算循环，并且每次循环后均重复上述计算时间与时间片的比较和判断计算是否完成。

本发明的操作系统根据硬件需求简化了内存管理和堆栈处理，对系统容错有一定预估。通过对耗时算法的实时处理，通过非阻塞延时方法实现虚拟多线程，合理分配硬件资源，本方案的实例可保证10ms(保证10ms内主程序循环一次以上)的时间精度上的5-10个虚拟线程的并发同时执行。

(4)、所述多任务实时操作系统上述方法保证了实时性，在10ms内主功能程序循环一次以上，在10ms的时间精度上将上述顺序执行的ms级定时任务处理，usart处理和功能任务处理视为同时进行，实现多个虚拟线程的并发同时执行。

所述虚拟线程包括ms级定时任务线程、功能程序线程和usart线程，ms级定时任务线程依次执行系统时间累加、i/o辅助检测和时输出处理，所述功能程序线程次执行常规功能和状态枚举，所述usart线程依次执行执行数据的收发，判断是否有发送缓冲区空闲，有则发送数据，接受数据依次进行本帧收满检测和校验和，并在本帧收满检测和校验和都满足时进行接收数据处理。

通过上述多任务实时操作系统实现本控制方法，实时性表现稳定，不会有越用越慢的现象，在产品的使用寿命期内基本实现了核心控制器可长期待机，不用重启。

本发明按设备使用需人操作使用的特性，不要求实时长期的网络连接，采用近场网络的技术即用即连，可靠稳定，大大减少了对环境的无线污染和干扰。设备在近场交互时才暂时建立的与云端服务器连接，通过第三方通讯设备，实现数据透传，可连接通用或专用网络。在此情况下，他人根本没有足够的时间对本系统进行不被发现的破解和攻击，大大提高了安全性。

综上所述，本发明具有下列优点：

1、支持多路全双工或半双工并发通讯，并发互不影响。通过第三方通讯设备，实现数据透传，可连接通用或专用网络。

2、完美支持但单总线多模块通讯。主从结构支持多个手具治疗头，可单个手具高速使用，手具上按键处理和特效可通过通讯在控制器端完成；支持多传感器模块。

3、人机交互界面利用第三方显示模块通过通讯总线连接，对操控实时响应。ui和操控流程的范例化，可实现用户ui定制并迅速量产。

4、支持多种特种驱动电源，可应用于opt光、激光、射频、多光谱、超声波、ac后沿调压等设备。

5、控制器能轻松实现ms级响应和us级精度的i/o检测和开关。

6、操作系统根据硬件需求简化了内存管理和堆栈处理，对系统容错有一定预估。实时性表现稳定，不会有越用越慢的现象，在产品的使用寿命期内(5年)，实现了核心控制器可长期待机，不用重启。

7、采用本系统的设备如需有效联网才能使用的情况下，他人根本没有足够的时间进行不被发现的破解和攻击，安全性大大增加。

8、按设备使用需人操作使用的特性，不要求实时长期的网络连接，采用近场网络的技术即用即连，可靠稳定，大大减少了对环境的无线污染和干扰。

本技术方案通过实时并发的操作系统于必要的硬件结合，形成了一个闭环且满足自身需求的安全生态圈；同时也通过标准的链路接口，以开放的姿态将各种第三方的先进技术、产品和模块纳入生态圈。

遵循本技术方案所包含的方法，在性能上加以提升，可以适用于更多类型的仪器设备乃至汽车及航空航天领域。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。