節(jié)點(diǎn)控制模塊（節(jié)點(diǎn)控制模塊）

簡介

節(jié)點(diǎn)控制器一般是用來連接中心控制器的，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器又可以通過手拉手的方式連接別的節(jié)點(diǎn)控制器，您停車場車位有多少，就可以量身定做多少套節(jié)點(diǎn)控制器，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器還有4個(gè)接口，用來連接比如視頻車位引導(dǎo)屏，反向?qū)ぼ嚱K端，以及連接視頻引導(dǎo)探測器等設(shè)備，可以說功能非常強(qiáng)大。

功能特點(diǎn)：

●采用RS485通訊口，可以與多種設(shè)備通訊，適用于多設(shè)備停車場網(wǎng)絡(luò)。

●用于對探測器進(jìn)行分組管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的優(yōu)化管理，保障系統(tǒng)安全。

●用于連接中央控制器和車位探測器、顯示屏、引導(dǎo)箭頭。

●循環(huán)檢測所轄探測器的狀態(tài)，并將有關(guān)信息傳到中央控制器。

●實(shí)時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)、探測器、引導(dǎo)屏的信息。

●顯示內(nèi)容通過按鍵快速切換。

●通訊情況通過LED燈明確表示。

●使安裝調(diào)試和維護(hù)更加方便，快捷，減少維護(hù)成本。

下面以節(jié)點(diǎn)控制模塊在智能家居和光突發(fā)交換中的應(yīng)用對節(jié)點(diǎn)控制模塊進(jìn)行具體介紹。

智能家居系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)控制模塊

所有智能家居系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)控制模塊通過RS485家庭控制總線，并遵循統(tǒng)一的家庭控制網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，與系統(tǒng)信息控制中心相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊。在一條總線上可以掛接256個(gè)模塊，從而實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化控制的各種功能，模塊類型包括：

主要為了配合無線遙控器模塊使用，是系統(tǒng)的必配件，作為無線收發(fā)基站，它將遙控器傳送來信息通過家庭控制網(wǎng)絡(luò)傳給系統(tǒng)信息控制中心，再將系統(tǒng)信息控制中心的指令和短消息信息通過無線射頻信號(hào)傳給無線遙控器，是無線信息轉(zhuǎn)化成有線家庭控制網(wǎng)絡(luò)信息的地方；

低功率回路控制，采用高性能固態(tài)繼電器進(jìn)行控制。在接到智能家居控制器的指令后，對家庭中的低功率電器，主要是燈光（還包括各種音響系統(tǒng)、電視機(jī)、電動(dòng)窗簾）進(jìn)行開關(guān)控制，控制功率為每回路100瓦；

大功率電器控制模塊：也是采用固態(tài)繼電器進(jìn)行控制，但是其功率較大，且只有單路，在接到智能家居控制器的指令后，可對家中的大功率電器（如空調(diào)、熱水器）進(jìn)行開關(guān)控制，控制功率為單回路最大2,500瓦；

采用可控硅進(jìn)行低功率回路控制。在接到智能家居控制器的指令后，其功能主要是對家庭中的燈光進(jìn)行調(diào)光控制，控制功率為每回路100瓦，調(diào)光范圍分為5檔棗

信息開關(guān)徹底改變了原有的開關(guān)概念，用開關(guān)信息點(diǎn)來完成原有開關(guān)的功能，使得原有開關(guān)功能固定單一的不足，可通過設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，對任一控制點(diǎn)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)群控功能。

除此之外，未來的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊還可以包括家庭環(huán)境檢測模塊、住戶健康檢測模塊等。

OBS核心節(jié)點(diǎn)的功能與控制需求

OBS網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)的主要功能是光突發(fā)包的轉(zhuǎn)發(fā)和處理。根據(jù)光突發(fā)交換的原理，核心節(jié)點(diǎn)接收BCP，并根據(jù)BCP所攜帶的控制信息和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行路由查找和信道資源調(diào)度。如果成功找到可用信道后，對光交換矩陣進(jìn)行控制，為對應(yīng)的BDP設(shè)置和預(yù)留光通道。當(dāng)BDP到來時(shí)，就可直接通過已預(yù)留好的通道，在全光域里實(shí)現(xiàn)交換。

其總體結(jié)構(gòu)如圖所示，可分為三個(gè)部分：網(wǎng)絡(luò)管理模塊、核心控制模塊、光交換矩陣。

節(jié)點(diǎn)控制模塊

核心控制模塊用于處理已經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化的控制信道消息。先解讀控制信道的消息識(shí)別其類型，然后根據(jù)消息類型做相應(yīng)的處理。若為突發(fā)控制包，則根據(jù)突發(fā)控制包的具體內(nèi)容和當(dāng)前系統(tǒng)資源狀態(tài)進(jìn)行資源調(diào)度，產(chǎn)生設(shè)置光交換矩陣所需的控制信號(hào)，并將突發(fā)控制包轉(zhuǎn)發(fā)至下一節(jié)點(diǎn)。若為普通網(wǎng)管數(shù)據(jù)包，負(fù)責(zé)將其交給網(wǎng)絡(luò)管理模塊。另外，信道資源的更新與維護(hù)也是由核心控制模塊完成的。核心控制模塊是核心節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部分，是本文研究的重點(diǎn)。其具體實(shí)現(xiàn)的功能如下:

(1)控制信道消息收發(fā)處理功能。在接收控制信道消息前，需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同樣，在發(fā)送時(shí)，也要進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換。核心節(jié)點(diǎn)對轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后的控制信道消息要能正確接收，同時(shí)也需要將其轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(2)控制信道組幀和解幀功能。在我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，控制信道采用以太網(wǎng)鏈路傳輸，因此核心節(jié)點(diǎn)必須具有鏈路層功能，能對幀進(jìn)行正確的定位、提取、識(shí)別、分類及錯(cuò)誤處理。

(3)控制信道控制分組網(wǎng)絡(luò)層處理功能。OBS突發(fā)控制包是封裝在IP包中。核心節(jié)點(diǎn)要有網(wǎng)絡(luò)層處理功能，對IP包進(jìn)行檢查、處理，以及識(shí)別BCP報(bào)文類型轉(zhuǎn)發(fā)至上層，并且在發(fā)送時(shí)進(jìn)行IP包封裝等。

(4)控制信道突發(fā)控制包分析和處理功能。核心節(jié)點(diǎn)要在OBS層接收、讀取突發(fā)控制信息，并且檢查和區(qū)分不同類型的控制報(bào)文，按照OBS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)處理。

(5)數(shù)據(jù)信道的資源預(yù)留、調(diào)度以及資源庫管理與維護(hù)功能。這是核心節(jié)點(diǎn)的核心功能。要根據(jù)突發(fā)控制包的信息，對數(shù)據(jù)信道的波長資源進(jìn)行調(diào)度，及時(shí)地為突發(fā)數(shù)據(jù)包建立和釋放全光鏈路。并且還要管理和維護(hù)數(shù)據(jù)信道的資源庫。該資源庫記錄當(dāng)前信道資源的使用狀況，當(dāng)使用狀況有變化時(shí)，需要進(jìn)行及時(shí)地修改。

(6)路由功能。由于OBS網(wǎng)絡(luò)是面向IP業(yè)務(wù)的，必須通過IP路由找到下一輸出節(jié)點(diǎn)，所以核心節(jié)點(diǎn)必須能根據(jù)路由信息查找路由表，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

光交換矩陣根據(jù)核心控制模塊的調(diào)度結(jié)果設(shè)置光開關(guān)，為后續(xù)的BDP包提供全光通路，并將它們交換到正確的目的端口，核心節(jié)點(diǎn)必須提供突發(fā)數(shù)據(jù)包光域里交換功能，使接收到的突發(fā)數(shù)據(jù)包能交換到任意端口的任意或同一波長上。

所設(shè)計(jì)的核心節(jié)點(diǎn)必須要能滿足以上的功能需求，并盡可能的提高處理速度和數(shù)據(jù)吞吐量，達(dá)到更加優(yōu)良的性能。

核心控制模塊的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核心控制模塊的總體功能結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，接收子模塊負(fù)責(zé)將在控制信道上收到的數(shù)據(jù)還原為MAC幀；解幀子模塊負(fù)責(zé)解釋MAC幀，并提取出攜帶的信息；交叉矩陣子模塊根據(jù)路由情況，將數(shù)據(jù)交換到相應(yīng)的端口；調(diào)度子模塊為核心處理的關(guān)鍵部分，主要負(fù)責(zé)資源的預(yù)留和調(diào)度及資源庫的維護(hù)管理；組幀子模塊將數(shù)據(jù)重新恢復(fù)成MAC幀；發(fā)送子模塊將數(shù)據(jù)重新送回控制信道。

具體來說，當(dāng)數(shù)據(jù)從邊緣節(jié)點(diǎn)通過控制信道到達(dá)核心節(jié)點(diǎn)后，核心控制模塊中的接收子模塊先將其恢復(fù)成一個(gè)MAC幀，然后進(jìn)入解幀子模塊，解幀將其去MAC頭后傳給交叉矩陣，交叉矩陣根據(jù)IP包的路由信息將數(shù)據(jù)包交換到目的端口對應(yīng)的調(diào)度子模塊，由調(diào)度子模塊判斷offset time和波長資源的情況并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行合適的調(diào)度處理，調(diào)度子模塊完成后，將數(shù)據(jù)傳給組幀子模塊，組幀子模塊將數(shù)據(jù)包還原為MAC幀后發(fā)給發(fā)送子模塊，最后由發(fā)送子模塊發(fā)送到控制信道上。

節(jié)點(diǎn)控制模塊

核心控制模塊的硬件設(shè)計(jì)

基于FPGA的硬件設(shè)計(jì)(這里的硬件是指用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，即數(shù)字設(shè)計(jì))一般要依托EDA工具來實(shí)現(xiàn)。

EDA (Electronic Design Automation)即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，是指以計(jì)算機(jī)為基本工作平臺(tái)，把應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)融合在一個(gè)電子CAD通用軟件包中，輔助進(jìn)行三方面的電子設(shè)計(jì)工作，即集成電路設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)以及PCB設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)的基本特征是采用具有系統(tǒng)仿真和綜合能力的高級語言描述，一般采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法。如圖所示為基于EDA工具的FPGA數(shù)字設(shè)計(jì)流程。

節(jié)點(diǎn)控制模塊

在使用Verilog HDL進(jìn)行電路輸入時(shí)，為了保證所編寫的代碼是可以綜合成數(shù)字電路的，以及綜合前和綜合后仿真的一致性，必須按照一定的原則編寫代碼。當(dāng)時(shí)序邏輯比較復(fù)雜時(shí)，一般將其抽象成一個(gè)同步的有限狀態(tài)機(jī)(FSM: FiniteState Machine，以實(shí)現(xiàn)可綜合風(fēng)格的Verilog HDL設(shè)計(jì)）

可綜合的有限狀態(tài)機(jī)有很多種描述方法，常見的有一段式(One-always Block）和兩段式(Two-always Block)描述法。一段式FSM描述法只用一個(gè)always模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)狀態(tài)機(jī)，在該模塊中即描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，又描述狀態(tài)的輸入和輸出；兩段式FSM描述法使用兩個(gè)always模塊，其中一個(gè)always模塊采用同步時(shí)序描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，另一個(gè)模塊采用組合邏輯判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律。一般而言，推薦兩段式FSM描述方法，除了可以提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，消除毛刺，還便于閱讀、理解、維護(hù)，更重要的是利于綜合器優(yōu)化代碼和用戶添加合適的時(shí)序約束條件，以及布局布線器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

對狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行編碼也是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵，一般來說在FPGA上實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)常采用獨(dú)熱碼(One-hot），每一個(gè)狀態(tài)用一個(gè)寄存器標(biāo)識(shí)，雖然這樣使用較多的寄存器，但節(jié)省了組合電路，因而可以提高電路的速度和可靠性，而總單元數(shù)并無顯著增加。獨(dú)熱碼又可分為冗余獨(dú)熱碼(Verbose One-hotEncoding)和簡明獨(dú)熱碼(Simplified One-hot Encoding）冗余獨(dú)熱碼在狀態(tài)比較時(shí)需要比較所有的狀態(tài)寄存器，而簡明獨(dú)熱碼采用十進(jìn)制數(shù)來標(biāo)識(shí)各個(gè)狀態(tài)，這種方法可以比較一位而不是比較所有的狀態(tài)寄存器來判斷所處的狀態(tài)。

核心控制模塊的組成框圖如圖所示，可分為時(shí)鐘模塊、系統(tǒng)計(jì)時(shí)器、接收模塊、幀解析模塊、交叉矩陣、調(diào)度模塊、幀生成模塊和發(fā)送模塊。本文假設(shè)一個(gè)核心節(jié)點(diǎn)對應(yīng)三個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)，因此有3路信道用來傳送突發(fā)控制包，每一路都有獨(dú)立的接收模塊、幀解析模塊、調(diào)度模塊、幀生成模塊和發(fā)送模塊，并通過交叉矩陣到達(dá)路由所指的節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)控制模塊

??時(shí)鐘模塊，為系統(tǒng)的其他模塊提供時(shí)鐘信號(hào);

??系統(tǒng)計(jì)時(shí)器，以一定的時(shí)鐘節(jié)拍(本文取1 OOM)計(jì)時(shí)，提供全局相對時(shí)間;

??路由表，提供IP目的地址與目的端口號(hào)的對應(yīng)關(guān)系;

??接收模塊，接收控制信道上的數(shù)據(jù)包，恢復(fù)成MAC幀后寫入到FIFO中;

??幀解析模塊，從FIFO中讀取MAC包，去MAC頭，對MAC頭、IP頭進(jìn)行處理，查找路由，再發(fā)送到下一級FIFO中;

??交叉矩陣根據(jù)目的端口，將輸入端口的FIFO中的數(shù)據(jù)包交換到輸出端口的FIFO中;

??調(diào)度模塊：如果是OBS包，根據(jù)BCP進(jìn)行調(diào)度、分配信道及時(shí)間片且轉(zhuǎn)入下級FIFO，并根據(jù)調(diào)度結(jié)果向光交換矩陣提供控制信號(hào)，如果不是，直接轉(zhuǎn)入到下級FIFO ;

??幀生成模塊：添加MAC頭，如果是OBS包，修改偏置時(shí)間;

??發(fā)送模塊：將數(shù)據(jù)包發(fā)送到控制信道上。