基于脚本寄存器的智能家居边缘联动控制方法及网关与流程

本发明涉及智能家居与边缘计算，具体而言，涉及基于脚本寄存器的智能家居边缘联动控制方法及网关。

背景技术：

1、随着智能家居和楼宇自动化技术的快速发展，系统对设备联动控制的实时性和可靠性要求日益提高。现有智能家居联动控制方案通常依赖云端或中心平台执行控制逻辑：各类终端设备（如照明控制器、电表、水表、温控器、插座等）通过rs485、m-bus等现场总线接入网关，网关将采集的设备数据上传至远程服务器或云平台，由平台分析处理后再下发控制指令。

2、然而，这种架构存在明显缺陷。当网络异常或平台延迟时，本地设备完全丧失联动控制能力，无法及时响应，严重影响照明、空调、插座等设备的联动控制体验，甚至可能带来安全隐患。部分方案通过在网关本地配置简单的“if-then”规则引擎来实现离线联动，但这类规则引擎均为事件触发、异步执行模式，且数据流转依赖操作系统软件变量和内存拷贝，缺乏控制时序的确定性和同步性，难以应对需要高可靠性和确定性的闭环控制场景。例如，中国专利cn109450786b（一种基于规则引擎的边缘网关）公开了一种基于规则引擎的边缘网关方案，其应用层设有规则引擎，负责局域网系统中产生的事件与规则的匹配，并根据匹配结果产生控制指令。该方案的数据流转依赖事件触发机制，属于异步执行模式，在多规则并发场景下存在指令冲突和时序不确定性问题。此外，该方案将所有控制指令（包括安全相关指令）均通过通用软件变量传递，缺乏对安全关键指令的物理隔离和确定性执行保障机制。

3、因此，亟需一种能够在本地实现具有高确定性和可靠性联动控制的边缘计算网关，以解决现有技术中依赖云端、离线失效以及控制时序不确定的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述背景技术中提出问题，继而提出了基于脚本寄存器的智能家居边缘联动控制方法及网关。

2、本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

3、一种基于脚本寄存器的智能家居边缘联动控制网关，包括：

4、硬件接口模块，设置有多个rs485接口和m-bus接口，用于连接智能家居终端设备；

5、协议解析模块，内置多种协议解析单元，用于解析所连接终端设备的上行数据并转换为统一格式；

6、逻辑寄存器模块，用于存储控制逻辑状态数据，所述逻辑寄存器模块的物理存储区在硬件上划分为普通逻辑寄存器区和安全锁存区，两个区域物理分区且具有独立的读写控制逻辑；

7、脚本控制模块，用于加载并执行控制脚本；

8、通信模块，用于通过mqtt协议与远程平台进行数据交互；

9、所述协议解析模块将转换后的统一格式数据通过硬件直接映射方式写入所述逻辑寄存器模块中与各终端设备对应的预设地址空间，写入过程不经过操作系统软件缓存转发；

10、所述脚本控制模块周期性地执行所述控制脚本，其执行周期与所述逻辑寄存器模块的数据刷新周期相同，且所述脚本控制模块在每次数据刷新完成后启动当次周期的脚本执行，二者保持同频且具有确定的先后时序关系；

11、在一个执行周期内，所述脚本控制模块基于所述预设地址空间中该周期起始时刻的设备数据快照进行处理，根据处理结果读取或更新所述普通逻辑寄存器区中的状态数据，并生成控制指令；其中，普通控制指令通过所述硬件接口模块下发至对应的终端设备；

12、当所述控制脚本涉及安全相关控制策略时，安全控制指令仅在所述一个执行周期内被写入所述安全锁存区，并由硬件仲裁逻辑在所述执行周期结束前对写入安全锁存区的安全策略进行仲裁校验后，将所述安全锁存区内最终生效的安全控制指令原子性地一次性提交给所述硬件接口模块执行，所述硬件仲裁逻辑由独立于操作系统的硬件状态机实现；

13、所述逻辑寄存器模块根据工程配置文件中的控制逻辑定义建立逻辑寄存器映射表，所述控制脚本通过读写所述逻辑寄存器映射表访问对应的预设地址空间，以实现控制策略的执行。

14、进一步的，所述硬件仲裁逻辑的仲裁规则包括优先级裁决规则，不同安全控制指令对应不同的预设优先级，当同一周期内存在多条安全控制指令写入同一安全寄存器地址时，所述硬件仲裁逻辑按照优先级从高到低进行裁决，保留优先级最高的安全控制指令作为最终生效指令。

15、进一步的，当所述脚本控制模块与所述远程平台网络断开时，所述脚本控制模块继续基于所述逻辑寄存器模块中通过硬件定时器轮询实时刷新的最新设备数据，周期性执行所述控制脚本，以维持对终端设备的独立联动控制。

16、进一步的，所述逻辑寄存器模块根据工程配置文件中的控制逻辑定义建立逻辑寄存器映射表，所述控制脚本通过读写所述逻辑寄存器映射表访问对应的预设地址空间，以实现控制策略的执行。

17、进一步的，还包括配置接口模块，所述配置接口模块用于接收外部配置工具下发的工程配置文件，所述工程配置文件包含设备配置信息和所述控制脚本。

18、进一步的，所述协议解析模块内置的协议解析单元包括modbus-rtu协议解析单元、dl/t645协议解析单元和cj/t188协议解析单元。

19、进一步的，所述通信模块通过wi-fi或有线以太网连接网络，并将所述协议解析模块转换后的设备数据通过mqtt协议直接上传至远程平台，所述远程平台的组态软件直接调用所述设备数据。

20、进一步的，所述脚本控制模块对基于所述数据快照的处理包括数据格式转换、逻辑判断、阈值比较、定时控制、设备联动和异常告警中的至少一种。

21、进一步的，所述方法基于边缘计算网关实现，所述边缘计算网关至少设置有脚本控制模块、逻辑寄存器模块和多个rs485接口，所述逻辑寄存器模块的物理存储区在硬件上划分为普通逻辑寄存器区和安全锁存区，所述方法包括以下步骤：

22、步骤s1：通过所述多个rs485接口连接智能家居终端设备，并通过内置的协议解析模块解析所连接终端设备的上行数据，将解析后的数据转换为统一格式；

23、步骤s2：将所述统一格式的数据通过硬件直接映射方式写入所述逻辑寄存器模块中与各终端设备对应的预设寄存器地址，写入过程不经过操作系统软件缓存转发；

24、步骤s3：通过所述脚本控制模块周期性地执行控制脚本，其执行周期与所述逻辑寄存器模块的数据刷新周期相同，且所述脚本控制模块在每次数据刷新完成后启动当次周期的脚本执行；在一个执行周期内，所述控制脚本从所述预设寄存器地址中读取该周期起始时刻的数据快照，并根据预设的控制逻辑对读取的数据进行处理；

25、步骤s4：根据所述控制脚本的处理结果，在所述执行周期结束前更新所述普通逻辑寄存器区中对应的寄存器状态数据，并生成控制指令；当处理结果涉及安全相关控制策略时，安全控制指令仅在所述一个执行周期内被写入所述安全锁存区；

26、步骤s5：普通控制指令通过所述多个rs485接口下发至对应的终端设备；安全控制指令由硬件仲裁逻辑在所述执行周期结束前对写入所述安全锁存区的安全策略进行仲裁校验后，将所述安全锁存区内最终生效的安全控制指令原子性地一次性提交下发，所述硬件仲裁逻辑由独立于操作系统的硬件状态机实现。

27、进一步的，所述硬件仲裁逻辑的仲裁规则包括优先级裁决规则，不同安全控制指令对应不同的预设优先级，当同一周期内存在多条安全控制指令写入同一安全寄存器地址时，所述硬件仲裁逻辑按照优先级从高到低进行裁决，保留优先级最高的安全控制指令作为最终生效指令。

28、进一步的，当所述边缘计算网关与远程平台的网络连接断开时，所述脚本控制模块继续基于所述逻辑寄存器模块中通过硬件定时器轮询实时刷新的最新设备数据，周期性执行所述控制脚本，独立生成并下发所述控制指令。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、1.高确定性实时控制：通过将设备数据通过硬件直接映射写入逻辑寄存器预设地址空间，摒弃了传统"操作系统软件变量缓存"的软转发模式，消除了任务调度、内存拷贝、上下文切换等环节引入的随机延迟。同时采用与寄存器刷新周期同频且具有确定先后时序的脚本周期执行机制（同步扫描），使得每个控制周期内的输入数据基于同一快照，输出指令在周期结束前统一下发，避免了异步事件驱动方式下的时序不确定性问题。这种"硬映射+同步扫描"的组合架构，将数据通路从"协议解析→软件变量缓存→脚本读取"的传统三阶段压缩为"协议解析→寄存器写入→脚本直接读取"的两阶段直连架构，从根本上排除了软件调度不确定性对控制实时性的干扰，控制行为的实时性和确定性得到根本保障。

31、2.高可靠性安全控制：本发明在轻量级智能家居边缘网关中引入物理分区的安全锁存区机制，将安全控制指令与普通控制指令的执行路径在物理层面完全分离。安全控制指令通过专用的安全写入方式写入独立的安全锁存区，由独立于操作系统的硬件状态机进行仲裁校验（如优先级裁决），并通过原子性一次性提交机制下发执行。这一设计确保了即使在最不利条件下（脚本逻辑冲突、多任务并发、软件异常），关键安全动作的执行也是唯一确定、不可中断且不可覆盖的，从根本上解决了现有技术中安全指令在软件变量层面可能被意外修改或丢失的缺陷，大幅提升了智能家居系统的功能安全水平。

32、3.可靠离线自主联动：当与远程平台网络断开时，由于逻辑寄存器模块的数据刷新由独立硬件定时器驱动，不受网络状态影响，脚本控制模块可继续基于寄存器中实时刷新的最新设备数据，周期性执行控制脚本，独立生成并下发控制指令，实现完整的本地闭环联动。安全锁存区机制同样独立运行，硬件仲裁逻辑不受网络状态影响，继续保障安全指令的可靠执行。

33、4.高度灵活可配置：控制逻辑以脚本形式加载执行，用户可根据不同项目需求自由编写联动策略，支持数据格式转换、逻辑判断、阈值比较、定时控制、设备联动和异常告警等多种处理类型，网关功能不再固化，极大降低了现场定制开发和维护成本。

34、5.架构轻量简洁：设备数据通过mqtt协议直接上传至远程平台，平台组态软件可直接调用，无需经过ioserver中间映射，减少了数据处理环节，降低了系统复杂度。

35、6.区别于现有软件变量中转方案的架构性本质优势：与现有技术中采用"操作系统任务调度+软件变量缓存"的传统方案（例如中国专利cn109450786b所公开的基于规则引擎的边缘网关方案、中国专利cn110519092a所公开的基于软plc脚本的边缘网关方案）相比，本发明摒弃了数据先存入软件变量再由脚本读取的"软转发"模式，通过协议解析数据直接写入物理寄存器地址的"硬映射"机制，将数据采集到控制脚本可用的延迟压缩至物理层极限；同时配合寄存器刷新驱动的同步扫描机制，而非传统的事件触发异步执行，从根本上解决了多规则并发下的指令冲突和时序不确定问题；

36、在此基础上，增设物理分区的安全锁存区及硬件仲裁机制，将安全控制指令的执行路径与普通控制指令物理分离且由硬件独立保障，提供了现有智能家居边缘网关所不具备的确定性安全保障。

37、这种从"软转发+事件触发"到"硬映射+同步扫描+安全锁存"的整体架构变革，并非本领域技术人员面对智能家居低成本、轻量化需求时的常规设计选择，而是针对"时序不确定"和"安全不可靠"两个核心技术痛点的一体化系统性解决方案，构成了本发明区别于常规物联网边缘网关的本质特征。