免编程无处理器的物联网终端架构
技术领域
本发明涉及物理网终端架构领域，尤其涉及一种免编程无处理器的物联网终端架构。
背景技术
物联网是在计算机互联网的基础上，将无处不在的末端设备和设施，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。依据国际著名数据公司IDC最新报告，全球物联网市场价值在2019年达到了7265千亿美元，并有望在2023年增长到1.1万亿美元，且IDC报告中预测，2021年，中国物联网平台支出将达到62.2亿美元(约419.7亿元人民币)。此外，研究公司Machina Research预测，在2025年，物联网终端的数量将增长到270亿，其中约60％为传感器终端。
由于不同终端的设计以及应用场景各不相同，还需要为这些终端定制嵌入式控制程序，导致了巨大的软件开发成本。由此观之，基于处理器的物联网终端结构具有诸多问题，但处理器作为传统物联网终端的核心又难以舍去。这一矛盾使得物联网终端设计的发展到达了瓶颈。
传感器终端大规模长期部署难的主要原因有三个方面：能耗高、成本高、重构难。首先，能耗限制了终端的性能和寿命，同时也增加了维护成本。虽然部分终端能利用“环境获能技术”从终端部署的环境中获取能量，但难以弥补终端居高不下的能量需求。典型地，终端所需的平均工作功率是能量采集功率的1000～1000000倍，从环境中获取的能量远不能满足系统需要。其次，处理器的存在使得物联网终端的价格居高不下，目前商用物联网终端单价一般在几十到上千元不等，远高于许多应用中监测对象的价值(比如，苹果)，难以大面积推广。此外，物联网终端种类繁多，每个终端的软硬件都需要针对其应用场景进行定制，开发成本高，周期长，难以重构。综上所述，能耗高、成本高、重构难等问题制约了物联网终端的大规模、长期部署，已成为当前物联网中亟待解决的关键问题。
并且，在传统的物联网终端设备研发、设计与生产过程中，首先需要根据设备的功能、使用场景、成本等因素对传感器以及处理器进行选型，再设计硬件电路，并编写相应的控制程序(在终端处理器上运行)。面对日益增大的物联网应用需求，厂商需要根据不同的应用需求做不同的具体设计，这导致开发成本进一步上升。且投产面市的设备由于其固定化的硬件特性，非专业人员无法修改硬件电路，无法更换传感器型号与类别，使用者必须根据不同需求购买不同终端设备，这导致实际部署物联网应用中采购成本进一步增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种免编程无处理器的物联网终端架构，无需在物联网终端中的设置处理器，能够实现收发机对物联网终端的直接控制。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：免编程无处理器的物联网终端架构，包括：物联网终端及与之通信连接的收发机，所述物联网终端包括无线电模块和传感器模块；
所述收发机，用于在与物联网终端进行下行通信时通过无线电信号向无线电模块发送控制指令，同时提供物联网终端与收发机进行上行通信时的反向散射所需载波，并用于接收无线电模块通过所述载波传输的数据，并对所述数据进行处理；
所述无线电模块，用于当接收到所述控制指令时，将无线电信号转换成标准的计算机总线信号，并传输至传感器模块，并用于在传感器模块输出标准的计算机总线形式的数据时，将其转换成无线电信号，发送至接收机；
所述传感器模块，用于在接收到所述控制指令时，实现传感器模块相应的控制。
进一步的是，所述标准的计算机总线包括SPI总线和IIC总线。
进一步的是，所述收发机，还用于存储处理后的数据，并设置有人机交互模块，用于对终端状态的展示。
进一步的是，所述控制指令包括传感器模块间的切换指令、传感器模块工作状态的控制指令、物联网终端上下行通信的切换指令和通信控制指令；
当接收到所述传感器模块间的切换指令时，提示执行传感器模块的切换，当完成传感器模块的切换后，传感器模块通过无线电模块通知收发机；
当接收到所述传感器模块工作状态的控制指令时，传感器模块根据该指令执行进入相应的工作状态；
当接收到所述物联网终端上下行通信的切换指令时，物联网终端执行上下行通信的切换；
当接收到所述通信控制指令时，物理网终端执行通信状态的切换。
进一步的是，所述物联网终端中设置有拔插接口，用于接入所述传感器模块，当提示执行传感器模块的切换时，将当前接入所述拔插接口中的传感器模块拔出，接入需要的传感器模块。
进一步的是，所述工作状态包括待机状态和正常工作状态，当传感器模块在正常工作状态时，进行数据采集并通过无线电模块传输至收发机。
进一步的是，当传感器模块出现故障时，进行故障提示，并通过无线电模块通知收发机。
进一步的是，所述物联网终端及与收发机之间，通过电磁感应形式或电磁波形式进行通信。
本发明的有益效果是，通过上述免编程无处理器的物联网终端架构，收发机与物联网终端间的下行通信采用无线与数字总线直接通信技术，上行通信采用基于反向散射的无线总线技术，通信过程无需终端使用处理器进行信号转换与控制。并且，能够在无处理器物联网终端上实现多个传感器芯片间的切换、终端在上行通信和下行通信间的切换以及传感器工作过程的驱动和控制。
因此，该免编程无处理器的物联网终端架构的行为和功能可以在收发机端进行完全控制，所有终端功能的更新及维护均可通过更新网关端的控制程序实现，具有易于更新的优点；其次，物联网终端的硬件重构直接通过插拔传感器芯片完成，无需重新开发终端固件，易于实现终端重构；此外，由于移除了处理器，终端的功耗和成本可以大幅降低。
附图说明
图1为本发明免编程无处理器的物联网终端架构的总体结构示意图；
图2为实施例1中方案示例1的结构示意图；
图3为实施例1中方案示例2的结构示意图；
图4为实施例2中无线控制器的基本工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明提出的一种免编程无处理器的物联网终端架构，其总体结构示意图见图1，其中，该架构包括：物联网终端及与之通信连接的收发机，物联网终端包括无线电模块和传感器模块。
其中：收发机，用于在与物联网终端进行下行通信时通过无线电信号向无线电模块发送控制指令，同时提供物联网终端与收发机进行上行通信时的反向散射所需载波，并用于接收无线电模块通过载波传输的数据，并对数据进行处理；无线电模块，用于当接收到控制指令时，将无线电信号转换成标准的计算机总线信号，并传输至传感器模块，并用于在传感器模块输出标准的计算机总线形式的数据时，将其转换成无线电信号，发送至接收机；传感器模块，用于在接收到控制指令时，实现传感器模块相应的控制。
上述架构中，一般来说，传感器模块能够识别所有标准的计算机总线信号，而一般标准的计算机总线包括但不限于SPI总线和IIC总线等，实际应用中，可以根据需要选取SPI总线或IIC总线，还可以选取其他的计算机总线。
需要指出的是，上述提到的收发机，还可以用于存储处理后的数据，并设置有人机交互模块，用于对终端状态的展示，在对终端状态进行展示时，相关人员可以通过人机交互界面看出处于正常工作状态下的终端、处于待机状态下的终端以及处于故障状态下的终端，当然，当界面显示上述内容时，可以对内容进行分类，如将处于正常工作状态下按终端所设区域进行列表展示，将处于待机状态下的终端也按终端所设区域进行列表展示，将处于故障状态下的终端集中展示，当收发机管理人员看到有故障状态下的终端时，可以与相应终端侧的负责人员进行沟通，以便及时消除故障，，此时，当出现故障时，终端会进行故障提示，并通过无线电模块通知收发机。
当然，当相应终端侧的负责人员解决好故障后，可以通过传感器模块向收发机发送故障消除指令，故障消除后的终端在人机界面中显示为正常，收发机若控制该故障消除后的终端正常工作，则将其添加到处于正常工作状态下的终端所在列表中，收发机若控制该故障消除后的终端待机，则将其添加到处于待机状态下的终端所在列表中。
本申请中，控制指令包括但不限于传感器模块间的切换指令、传感器模块工作状态的控制指令、物联网终端上下行通信的切换指令和通信控制指令等。
具体而言，当接收到传感器模块间的切换指令时，提示执行传感器模块的切换，当完成传感器模块的切换后，传感器模块通过无线电模块通知收发机。
当接收到传感器模块工作状态的控制指令时，传感器模块根据该指令执行进入相应的工作状态，工作状态包括但不限于待机状态和正常工作状态等，当传感器模块在正常工作状态时，进行数据采集并通过无线电模块传输至收发机。
当接收到物联网终端上下行通信的切换指令时，物联网终端执行上下行通信的切换；
当接收到通信控制指令时，物理网终端执行通信状态的切换。
另外，为了实现传感器模块的更换，可以物联网终端中设置拔插接口，用于接入传感器模块，当提示执行传感器模块的切换时，将当前接入拔插接口中的传感器模块拔出，接入需要的传感器模块。
作为优选，物联网终端及与收发机之间，可以通过电磁感应形式或电磁波形式进行通信，当然还可以通过其它无线通信形式进行通信。
实施例1
本实施例为一种基于R2B技术的体内植入式医疗设备，其结构示意图见图2。设备由供电模块、无线总线模块、数-模转换器及传感器组成，可根据应用需求或成本需求选择将终端设备全部或部分功能模块植入人体的设计方案：
方案示例1(全部植入)，其结构示意图见图2：由于无线总线模块仅包含射频电路以及由数百个逻辑门组成的数字控制电路，可采用集成电路实现方式将无线总线模块、数-模转换电路制作成为微小芯片植入人体，体积较小，功耗低；此外，供电模块及传感器也可植入人体。整体方案的优点是一次植入长期使用，无需经常扎针，减少痛苦。
方案示例2(少部分植入)，其结构示意图见图3：可以将无线总线模块、供电模块、数-模转换器、传感器部署于体表，仅将传感器探针植入人体，其优点是相比现有监测系统，本实施例的方案的制造成本和设备功耗更低。
本实施例中，收发机具有数据处理、存储、计算、统计、展示、人机交互等功能。
无线总线模块用于体外收发机与体内设备间直接通信，可采用电磁感应或电磁波形式进行通信，包含包络检波、时钟和数据信号提取、反向散射电路等模块，其具有下行通信和上行通信两个功能。模-数转换器的功能为：接收无线总线模块输出的控制指令并开始工作；接收血压/血糖传感器输出的模拟信号，并将其转换为数字信号输出至无线总线模块。举例来说，数-模转换器可采用SPI总线协议(或采用其他具有数据和时钟信号线的、类似于SPI的总线协议也可)与无线总线模块进行通信，以接收无线总线模块发来的工作指令，并通过SPI总线将转换后的血糖/血压数据传输至无线总线模块。
无线总线模块的下行通信方面，可接收调制方式为OOK或ASK、编码为PIE的电磁波或电磁感应信号，并将其直接转换为用于驱动和控制数-模转换器的数字信号。为避免非法收发机的干扰或可能的隐私窃取(例如恶意的攻击者使用非法的体外收发机接收他人体内设备所采集的数据等情况)，无线总线模块需要接收到正确的、预先约定的控制指令后才能进行数据输出，此功能可通过状态机进行实现，即状态机接收到收发机传来的预先约定的、正确的指令后即可指挥传感器进行数据采集和传输。
无线总线模块的上行通信方面，将数-模转换器输出的数字总线信号形式的数据(例如，通过SPI总线传输的数据)，以基于反向散射技术的无线总线技术上行传输至收发机。
这里，无线总线模块的数字部分仅需数百个逻辑门组成的电路即可实现，体积小，功耗低，成本低，降低对身体影响，减少病人的医疗费用支出。可接收体外收发机的数字控制指令，以实现对设备的控制。数字信号形式的指令可预先秘密约定，以防止信息窃取和恶意收发机的干扰。
实施例2
本实施例为一种基于R2B技术的低成本无线控制器，本实施例中的无线控制器可用于工业控制领域，例如控制开关、继电器等器件从而控制大型设备，或控制数-模转换器以生成模拟控制信号(例如针对电压控制的器件等)。也可用作智能家居或智慧城市应用中的低成本无线控制器，例如智能灯控制、智能插座控制等。此类型的无线控制器的基本工作原理示意图见图4。
该无线控制器主要的组成部分为无线总线模块，该模块由射频电路和仅需数百个逻辑门组成的控制电路构成，而传统无线控制器需要使用MCU或控制芯片在无线通信协议(例如蓝牙、蜂窝网络、Zigbee等)和数字总线(例如SPI、I2C或UART总线)之间进行信号解码、转换等复杂操作。相比于传统无线控制器，本控制器方案具有结构简单、功耗低的特点。此外，网关和无线控制器间采用无线方式传输的指令为数字信号，不同的设备可以通过不同指令编码进行控制以避免干扰，从而实现对多个设备的控制。
在本无线控制器的应用场景中，无线控制器需要与网关、受控单元共同组成一个完整的控制系统。该系统各单元的功能描述如下。
网关在本应用中其具有人机交互，根据应用需求生成控制信号、将控制信号转换为无线数字总线的无线信号等功能。
受控单元可以具有不同的控制方式和类型，例如受控单元为继电器，可用于控制大型机械；受控单元为开关，可用于家居或城市照明灯光、智能插座、农业灌溉管路和灌溉等设备的控制；受控单元为数-模转换器，可用于受模拟信号控制的设备，例如调节电压以控制电动机的转速等。
无线总线模块用于网关与受控单元间直接通信，采用的通信方式为经过ASK或OOK调制的、PIE编码的电磁波信号，该模块包含包络检波、时钟和数据信号提取、反向散射电路等组成部分，具体技术原理在本文档的技术部分有介绍。其具有下行通信和上行通信两个功能。下行通信方面，无线总线模块可将网关发送的指令转换为对应的数字总线信号，以控制采用数字总线进行通信的受控单元，例如采用SPI或其他总线(例如总线包含数据信号和时钟信号的I2C或UART总线等)协议的数-模转换器、继电器、致动器等；无线总线模块也可根据网关发送的控制指令直接生成电平信号，以控制灯光、智能插座、灌溉设备等单元的开关，从而驱动上述单元的工作。上行通信方面，如受控单元在控制动作完成后需要发送反馈信息(受控单元输出的反馈信息必须是数字总线信息的形式，例如SPI或I2C或UART总线上的信息)，则无线总线模块可采用基于反向散射的上行无线总线通信技术，将反馈信息上传至网关。
