无mac地址的总线家庭有线控制网络的即插即用方法

专利名称：：无mac地址的总线家庭有线控制网络的即插即用方法
技术领域：
：本发明属于总线形式的有线控制网络领域，特别涉及智能家庭控制网络。通过一种无需MAC地址的具有较高效率的网络自动配置方案，实现了有线控制网络的即插即用。胃眾伎不总线形式的控制网络通过一条作为总线的统一的传输线(如电力线、双绞线等)把各种电气设备和子系统连接起来构成网络系统，总线上采用统一的通信协议，实现对内部资源的互操作，并通过网关与外部网络(如Internet、ISDN等)进行互联，实现信息交换。智能家庭网络一般采用总线形式的控制网络作为控制子网，实现家电设备及各种传感器的互连。即插即用(PlugandPlay)技术用于为加入系统中的硬件设备或网络节点自动分配相应的资源、实现自动配置并建立设备之间的通信关联，从而省去用户配置的麻烦。然而，即插即用技术一般应用于计算机网络，当前的控制网络基本都不支持即插即用，因为工业中使甩的控制网络大部分都是有专业人员配置维护的，而且工业控制网络的结构相对稳定，所以对即插即用的需求并不大。另外，工业控制网络节点的资源十分有限，实现即插即用具有较大的难度。但是家庭控制网络有所不同，一方面家庭用户一般不具备专业知识，繁琐的网络配置过程会给用户带来很大不便，影响家庭网络产品的推广；另一方面，家庭控制网络节点模块的智能化程度较高，其结构更易于变化，因而对即插即用技术存在较大的需求。另外，现行所有的即插即用技术都依赖于在模块中事先写好的固定的MAC地址。依赖于MAC地址的即插即用需要向管理机构申请地址空间或对模块进行事先配置，这些都对控制网络的生产和使用提出了额外的要求，限制了中小企业的发展。同时，由于需要MAC地址的设备越来越多，且MAC地址很容易被改写，这使得MAC地址空间存在被耗尽的可能且容易发生MAC地址冲突的情况，使得网络节点无法正常运行。
发明内容本发明主要针对以上问题，提出一种用于总线形式有线控制网络的、无需MAC地址的即插即用技术，从而最大限度地简化家庭网络的安装、配置和维护。本发明的特征在于所述方法在采用载波侦听机制的家庭有线控制网络中运行时，依次含有以下步骤步骤(l)初始化对认定要在所述家庭有线控制网络的控制总线上实现即插即用的所有常用智能化电子设备按启动者分类，然后再在所述各个电子设备上按类别设置不同的软件模块，并统一进行功能描述编号，所述软件模块包括用户命令模块，传感命令模块以及执行模块，在所述的各个模块的非易失存储介质上，设置两位二进制数标志其配置状态共分尚未配置、己自动配置、已手动配置三种，同时，各个模块内置一个总线接口单元实现命令或执行器与总线的接口，用户命令模块，由用户启动，该模块设置在包括开关面板在内的各个与用户交互的所述电子设备上，根据用户请求发出命令，传感命令模块，由传感器启动，所述模块设置在包括红外传感应器在内的各个家用自动检测装置上，根据传感器指令发出命令，执行模块，由所述用户命令模块或传感命令模块启动，所述模块设置在包多路继电器、线性调解电路在内的各个执行器上，接收所述用户命令模块或传感命令模块，发送的命令，按以下格式统一确定所述各类模块的功能描述编号，并把所属编号固化在对应的各类模块上，所述功能编号共32位，4个字节，每个字节为8位，其中含义第一字节，是该模块的配置信息，位于第六、第七的位，表示模块的类型11表示是用户命令模块，IO是传感命令模块，Ol是执行模块，第二至第五位表示该类模块的个数，最多为16个，最后两位是优先级的标志位，分为四个优先级，第二字节，是该模块的通讯类型字节，当任何一个所述家用智能化电子设备作为所述总线的通讯对象来实现即插即用时，都要为该电子设备设定一个用于表示该电子设备实际运行状态的通讯对象值，同时该通讯对象值并关联设定的组地址用户命令模块的组地址以111打头，传感命令模块以110打头，执行模块以10打头，其后各位是子组地址，表示所述电子设备实际的组地址，总共有16位，但在所述第二字节中，其中高四位表示通讯对象值的类型，低四位表示该类模块所关联的具有对应功能的所述电子产品的编码，第三个、第四个字节，是系统编号，由该类模块生产厂家和购买者加以培植，便于所述家庭有线控制网络中的网关识别并下载；所述网关是中控节点，运行着控制所述网络总线的监控程序，同时，动态地维护着所有通过网络总线进行通讯的通讯对象的组地址表；步骤(2)依次按一下步骤实现即插即用步骤(2.1)，所述家用智能化电子产品挂接到所述总线上，网关的监控程序自动监测该电子设备的配置标志位，根据检测结果，分别按以下步骤处理；步骤(2.2)，若尚未经过配置，则执行步骤(2.3);步骤(2.3)，网关向该电子设备发出进入即插即用配置程序的消息；步骤(2.4),在收到步骤(2.3)中的所述消息后；该电子产品向总线上发出一个地址配置的请求报文，其目的地址是广播地址；步骤(2.5)若发送成功，则网关向该电子设备发出一个等待接收下一个网关地址配置报文的消息；步骤(2.6)，在收到步骤(2.5)所述的消息后，该电子产品用完成地址配置后的地址向网关发送包含功能编号的配置请求包；步骤(2.7)，网关收到步骤(2.6)中的请求包后，从组地址中挑选一个尚未注册使用的地址，通过回复报文，分配给该电子设备；步骤(2.8)，在收到步骤(2.7)中所述的回复报文后，进行地址配置，并把功能描述编号包含在后续配置请求报文中，按新地址向网关发送后续配置请求；步骤(2.9)，网关收到步骤(2.8)中所述的后续配置请求报文后，进行功能描述编号的解析，再根据该电子设备的编号所提供的信息，生成相应的标准配置信息，再依次通过回复报文广播到总线上；步骤(2.10)，该电子设备根据步骤(2.9)中所述标准配置信息，以此进行相应的功能配置；步骤(2.ll)，根据步骤(2.1)的结果，若已自动配置，该电子设备只有在确定网关有配置更新时才下载配置更新信息，再据此进行配置；步骤(2.12)，根据步骤(2.1)的结果，若己手工配置，则进行自身其他初始化步骤;当有至少两个以上的所述电子设备同时上电并发送配置请求报文时，则根据总线控制网络自身的冲突检测和碰撞回避机制来区分发送配置请求报文的顺序。本发明的优点主要在于，利用总线式家庭有线控制网络的冲突检测和碰撞避免机制，提出了不依赖于预先设定MAC地址的家庭有线控制网络的即插即用方法，最大程度的简化了烦琐的配置过程，实现了资源的自动分配和获取，提升了智能家电产品的竞争力，同时避免了MAC地址出现冲突导致系统崩溃的潜在问题。图1是功能描述编号逐位的含义。图2是系统配置的流程图。图3是智能家庭有线控制网络的典型结构。具体实现方式本发明主要针对智能家庭控制网络中的常用模块，通过对模块的功能进行分类，并用编号描述，再通过上电初始化时的配置检测、配置请求，以及总线控制网络中的载波侦听冲突回避机制，完成对模块的无需MAC地址的即插即用。本发明首先对常用模块进行类型划分和标识，如表1所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表l控制网络模块类型划分从表中可以看出，按照功能划分，需要配置的模块主要是前三类模块用户命令模块、传感命令模块和执行模块。在此分类的基础上，可以对模块进行功能描述编号，该功能编号并非模块的唯一标识，而是为配置该模块而提供的必要信息。另外，该功能描述编号由应用模块根据自己模块功能确定并固化在模块中。编号总共32位，4字节，各位的含义如附图l所示。据图中的编号规则，第一个字节是该模块的配置信息，其第六七位表示模块的类别。第二至第五位表示该模块中总共包含多少路相同的功能模块，最多有十六路，例如，十二位继电器按照图中的公式，此处的值应为ll。最低两位是优先级的标志位。第二个字节是通讯类型字节，其中高四位表示通讯对象值的类型，低四位表示该模块的一个功能块需要关联几个对应的功能块(例如，命令模块的对应功能模块是执行模块)。第3、4个字节是系统编号，根据模块的生产厂家和购买者加以设置，该编号用于方便生产者管理产品和驱动。为了实现即插即用，需要总线上具有一个储存各种模块配置信息、能解析模块编号的中控节点，一般采用网关来完成此功能。另外，本方案还利用了控制网络的冲突检测和碰撞回避机制来实现不依赖于MAC地址的网络地址分配。具体的即插即用方案如下1、当一个挂接到总线模块上的功能模块上电的时候，系统初始化程序会自动监测智能模块单片机EEPROM中的一个特定标志位，此标志位有三种状态，分别表示该模块尚未经过配置，该模块已经经过自动配置和该模块已经经过人工配置。2、如果系统初始化程序检测到该模块尚未经过配置，则系统程序将会进入即插即用配置程序。3、系统程序会首先向总线上发送一个地址配置的请求报文，该报文采用的目的地址是广播地址。4、如果有两个或更多个功能模块同时上电并发送配置请求报文(这种情况发生的概率较小)，则需要靠总线式控制网络自身的冲突检测和碰撞回避机制来区分发送配置请求报文的顺序。5、通过冲突检测和碰撞回避，需要进行回避的模块将会记录该状态信息，并忽略网关回应的下一个配置回复报文。在配置回复报文发送完毕后再重新发送配置请求报文。6、对于成功发送配置请求报文的节点，系统程序将进入配置等待阶段，等待从网关返回的地址配置回复报文。7、网关将从地址池中，挑选一个尚未注册使用的地址，通过回复报文，分配给网络节点。8、成功发送地址配置请求的网络节点收到地址配置报文后，会进行地址配置，并把功能描述编号包含在紧接着的后续配置请求报文中，向网关发送后续配置请求，该报文采用网关分配的新地址。9、网关接收到配置请求报文之后，首先进行功能描述编号的解释，然后根据功能模块编号所提供的信息，生成相应的标准配置信息，然后依次通过配置回复报文广播到总线上去。10、此时，报文的节点将会接收此配置回复报文，对自己进行相应的功能配置。其节点模块程序的流程图如附图2所示。为了做到在即插即用过程中不依赖于MAC地址，本发明采用了以下设计方案和思路。首先，需要明确MAC地址在网络配置过程中的具体作用。MAC地址本身的内容并没有任何意义，它只是作为一种节点标识用于在初始化阶段或通讯过程中唯一标识节点的身份，节点标识总是需要的，但问题在于，是否一定要将这种节点标识固化于硬件之中？如果能做到在节点加入网络时由网络自动为节点分配一个网络范围内唯一的节点标识，就可以摆脱对MAC地址的依赖。事实上，这一点是可以做到的。在一般的网络中，很难通过某一管理设施(如网关)对完全无标识的网络节点分配网络地址，关键的难点在于，由于没有任何区分信息，无标识的网络节点无法判断管理设施分配的网络地址是给自己的还是给其它节点的。然而，对于采用载波侦听(CSMA)机制的总线式有线网络，可以巧妙地利用载波侦听冲突检测机制实现网络地址的无歧义分配，方案如下1)载波侦听冲突检测机制本身保证了总线网络上只有一个节点具有发言权，利用这一特性，当多个无标识的网络节点同时申请网络地址时，只有一个网络节点能成功发送请求；2)成功发送了申请请求的网络节点会进入等待回复报文的状态，而其它没有成功发送申请请求的网络节点不会进入该状态；3)当网关发送回复报文时，只有处于"等待回复报文状态"的网络节点会接收该回复报文，这样就保证了只有一个网络节点(即成功发送了申请的节点)收到回复报文并正确设置自己的网络地址；4)网关维护一个可用的地址池，并记录每个地址的分配状态，网关会定期对地址池中的地址进行心跳探测，连续两次无心跳回复的地址将被收回。当一个网络节点申请网络地址时，网关会査询地址池，找出一个未被使用的地址，并在回复给该节点，从而完成地址分配。经过以上配置过程，应用模块就能够获取需要的配置信息，从而实现即插即用。从配置过程中可以看到，整个过程并不需要事先配置好MAC地址，这样就摆脱了一般即插即用技术对MAC地址的依赖。本发明的优势在于，极大地简化了总线控制网络的配置过程，有效降低了总线控制网络产品的安装、配置和维护成本，在方便用户的同时也有效降低了相关产品的市场推广阻力。同时，通过利用总线式有线控制网络内在的载波侦听冲突检测机制，实现了不依赖于MAC地址的网络地址分配和即插即用，避免了MAC地址的管理、维护、申请、分配带来的额外开销，同时也避免了因为潜在的MAC地址冲突导致的网络节点失效及网络功能异常的问题。本发明的实现是基于一种智能家庭总线控制网络，该控制网络的通讯功能实现是基于组地址和通讯对象的，每个功能模块根据其功能都包含一些通讯对象，通讯对象是完成通讯功能的主体。每个通讯对象都有通讯对象值并关联一定的组地址，通讯对象值是通讯对象所控制的实际功能块的状态表示，而组地址就是功能块之间实现通讯和控制的关联地址。例如，当一个开关节点按下某个按钮之后，系统程序就会改变该按钮对应的通讯对象值，然后通讯对象利用其关联的用于发送的组地址向总线发送相应的报文。所有关联到该组地址的通讯对象都将根据该报文的内容更新自己的通讯对象值。通讯对象值的变化将由系统程序反映到通讯对象所关联的功能块上。这样就完成了开关按钮的一个远程控制操作。以上是一个最简单的例子，通过类似的方法，还可以实现模块阵列控制、模块实时状态显示、远程查询等一系列更复杂的操作。该控制系统的基本结构如附图3所示。图中的中控节点是网关，它是一个基于ARM9的Linux嵌入式系统。网关上运行着控制网络总线的监控程序，它会接收总线上广播的配置请求报文，然后通过总线监控程序对报文中包含的功能描述编号进行解释，并生成相应的标准配置报文，然后依次用配置回复报文的形式广播到总线去。这就是中控节点为无MAC地址的即插即用所提供的配置服务。该控制网络中的其他节点都是通过组地址通讯，来完成他们不同的功能。控制网络中的组地址是有固定结构的，对于常规的组地址，其结构如表2所示<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2控制网络组地址结构常规的组地址的首位必须是O，后15位是实际的组地址，它可以分成两部分，第一部分是主组地址，共4位，第二部分是子组地址，共11位，分级的结构便于配置管理。常规组地址是由对于该控制网络有一定了解并具有一定专业素养的工程人员来配置的。为了实现即插即用，需要给模块配置组地址。即插即用所配置的组地址的首位都是l，这样就不会对人工配置的组地址通讯产生影响。当网关得到功能描述编号之后，通过査看相应的位，网关可以判断出该模块是用户命令模块、传感命令模块或是执行模块。对于不同的模块类型，分配不同地址段的组地址，用户命令模块的组地址以lll打头，传感命令模块以110打头，执行模块以10打头。同时，网关要维护一个活动组地址表，该地址表中包含总线正在用的以l开头的组地址。网关通过心跳方式探测组地址是否尚在使用中，每5分钟左右(具体时间是5分钟加上一个随机数的，这样可以防止总线上的数据在特定的时间爆发)，发送一个探测报文，进行心跳探测。对于连续两次没有心跳应答的组地址，网关将会把它从活动组地址表中剔除。例如，当一个用户命令模块成功发送了配置请求报文时，网关会首先检査活动组地址表，如果活动组地址表中有尚未足够搭配的以IO打头的组地址，则先把未足够搭配的组地址关联给该模块，否则自动从以lll打头的组地址空间中从小到大找出相应数量的组地址，关联给该模块。对于传感命令模块和执行模块也按照相同的分配原则关联组地址，只是传感命令模块自动分配的是以110打头的组地址，执行模块自动分配的是10打头的组地址。对于分配出去的组地址，网关将会把他们加入活动组地址表，并在表中表明是否己经足够搭配，离足够搭配还缺多少，以及命令模块和执行模块之间是几对几的对应关系。经过如此配置，命令模块和执行模块就可以依次搭配相应的组地址，完成了组地址的分配功能。权利要求1.无MAC地址的总线家庭有线控制网络即插即用方法，其特征在于，所述方法在采用载波侦听机制的家庭有线控制网络中运行时，依次含有以下步骤步骤(1)初始化对认定要在所述家庭有线控制网络的控制总线上实现即插即用的所有常用智能化电子设备按启动者分类，然后再在所述各个电子设备上按类别设置不同的软件模块，并统一进行功能描述编号，所述软件模块包括用户命令模块，传感命令模块以及执行模块，在所述的各个模块的非易失存储介质上，设置两位二进制数标志其配置状态共分尚未配置、已自动配置、已手动配置三种，同时，各个模块内置一个总线接口单元实现命令或执行器与总线的接口，用户命令模块，由用户启动，该模块设置在包括开关面板在内的各个与用户交互的所述电子设备上，根据用户请求发出命令，传感命令模块，由传感器启动，所述模块设置在包括红外传感应器在内的各个家用自动检测装置上，根据传感器指令发出命令，执行模块，由所述用户命令模块或传感命令模块启动，所述模块设置在包多路继电器、线性调解电路在内的各个执行器上，接收所述用户命令模块或传感命令模块，发送的命令，按以下格式统一确定所述各类模块的功能描述编号，并把所属编号固化在对应的各类模块上，所述功能编号共32位，4个字节，每个字节为8位，其中含义第一字节，是该模块的配置信息，位于第六、第七的位，表示模块的类型11表示是用户命令模块，10是传感命令模块，01是执行模块，第二至第五位表示该类模块的个数，最多为16个，最后两位是优先级的标志位，分为四个优先级，第二字节，是该模块的通讯类型字节，当任何一个所述家用智能化电子设备作为所述总线的通讯对象来实现即插即用时，都要为该电子设备设定一个用于表示该电子设备实际运行状态的通讯对象值，同时该通讯对象值并关联设定的组地址用户命令模块的组地址以111打头，传感命令模块以110打头，执行模块以10打头，其后各位是子组地址，表示所述电子备实际的组地址，总共有16位，但在所述第二字节中，其中高四位表示通讯对象值的类型，低四位表示该类模块所关联的具有对应功能的所述电子产品的编码，第三个、第四个字节，是系统编号，由该类模块生产厂家和购买者加以培植，便于所述家庭有线控制网络中的网关识别并下载；所述网关是中控节点，运行着控制所述网络总线的监控程序，同时，动态地维护着所有通过网络总线进行通讯的通讯对象的组地址表；步骤(2)依次按一下步骤实现即插即用步骤(2.1)，所述家用智能化电子产品挂接到所述总线上，网关的监控程序自动监测该电子设备的配置标志位，根据检测结果，分别按以下步骤处理；步骤(2.2)，若尚未经过配置，则执行步骤(2.3)；步骤(2.3)，网关向该电子设备发出进入即插即用配置程序的消息；步骤(2.4)，在收到步骤(2.3)中的所述消息后；该电子产品向总线上发出一个地址配置的请求报文，其目的地址是广播地址；步骤(2.5)若发送成功，则网关向该电子设备发出一个等待接收下一个网关地址配置报文的消息；步骤(2.6)，在收到步骤(2.5)所述的消息后，该电子产品用完成地址配置后的地址向网关发送包含功能编号的配置请求包；步骤(2.7)，网关收到步骤(2.6)中的请求包后，从组地址中挑选一个尚未注册使用的地址，通过回复报文，分配给该电子设备；步骤(2.8)，在收到步骤(2.7)中所述的回复报文后，进行地址配置，并把功能描述编号包含在后续配置请求报文中，按新地址向网关发送后续配置请求；步骤(2.9)，网关收到步骤(2.8)中所述的后续配置请求报文后，进行功能描述编号的解析，再根据该电子设备的编号所提供的信息，生成相应的标准配置信息，再依次通过回复报文广播到总线上；步骤(2.10)，该电子设备根据步骤(2.9)中所述标准配置信息，以此进行相应的功能配置；步骤(2.11)，根据步骤(2.1)的结果，若已自动配置，该电子设备只有在确定网关有配置更新时才下载配置更新信息，再据此进行配置；步骤(2.12)，根据步骤(2.1)的结果，若已手工配置，则进行自身其他初始化步骤；2.根据权利要求1所述的无MAC地址的总线家庭有线控制网络即插即用方法，其特征在于，当有至少两个以上的所述电子设备同时上电并发送配置请求报文时，则根据总线控制网络自身的冲突检测和碰撞回避机制来区分发送配置请求报文的顺序。全文摘要无MAC地址的总线家庭有线控制网络的即插即用方法属于总线式家庭有线控制网络的应用领域，其特征在于对确认要即插即用的家庭有线控制网络总线上的所有家庭智能化电子产品按启动者身份进行分类，在与用户有交互的设备上设置用户命令模块，在家用自动检测装置上设置传感命令模块，在执行器上设置执行模块，再统一设定每类设备的功能描述编号及与网关通讯的主组地址及子组地址。在描述编号中，用配置信息字节描述模块类别、每类模块的设备号及优先级，用通讯类型字节描述通讯对象状态及各类模块间功能的关联，用系统编号字节供网关识别下载。本发明实现了不依赖MAC地址的即插即用方法，避免了MAC地址空间的消耗以及MAC地址冲突，极大的简化了总线控制网络的配置，易于推广。文档编号H04L12/40GK101266490SQ200810103050公开日2008年9月17日申请日期2008年3月31日优先权日2008年3月31日发明者吉吟东,孙新亚,李嘉扬,王福卿,炜董申请人:清华大学;浙江清华长三角研究院