数模切换器设备、楼宇对讲系统和实现模拟系统和数字系统连接的方法

摘要

本发明公开了一种数模切换器设备、一种楼宇对讲系统和一种实现模拟系统和数字系统连接的方法。所述楼宇对讲数模切换器设备包括以太网接口单元、模拟接口单元、代理单元和协议适配单元，所述以太网接口单元用于与连接了多个数字联网设备的以太网连接，以接收/发送以太网数据包；所述模拟接口单元用于与连接了多个模拟联网设备的模拟总线连接，以接收/发送模拟总线数据包；所述代理单元用于实现所有模拟联网设备的IP代理；所述协议适配单元用于实现模拟数据包和数字协议数据包的解析、协议转换和包重构。本发明可以很好地解决楼宇对讲系统中模拟系统和数字系统的连接及通信问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种楼宇对讲系统中实现模拟系统和数字系统连接 的方法，同时涉及一种楼宇对讲数模切换器设备，以及一种兼具模拟 与数字设备的楼宇对讲系统。

背景技术

楼宇对讲系统是在多层或高层建筑中实现访客、住户和物业管理 中心相互通话、信息交流并实现对小区安全出入通道控制的管理系 统。

传统的楼宇对讲系统主要是基于模拟信号的模拟系统，存在着扩 展性差、功能单一、联网受信号传输衰减影响严重等缺点，但其价格 便宜。与传统的模拟系统相比，数字系统基于标准的TCP/IP技术， 其布线简单、联网功能强大、可扩展性强，但价格较高。由于模拟系 统和数字系统具有各自的优势，而且很多小区从首次入住到全部完工 的周期可能长达几年，同一小区中的不同楼座可能有的安装数字系 统，有的安装模拟系统。模拟系统的客户同样希望能够享受数字系统 丰富的联网功能和服务，例如家庭报警、家电控制、远程监控、社区 服务等等。因此，如何对现有的模拟系统升级，实现模拟系统和数字 系统的连接及通信，成为楼宇对讲领域的一个研究课题。

然而，数字系统的通信基于以太网TCP/IP协议，采用IP方式寻 址；而模拟系统大多采用485模拟总线协议，采用ID方式寻址，因 此模拟系统和数字系统在底层通信协议方面存在巨大的差异性。如何 能在较小的系统变更和工程变更条件下，实现跨系统通信是本领域亟 待解决难题。

到目前为止，对于楼宇对讲系统跨系统通信的问题，虽然理论上 已经出现了一种解决方案，但其升级代价昂贵，在产业上应用面临较 大障碍。参见专利号为ZL201020178304.4的实用新型专利《兼具模 拟与数字通信的楼宇对讲网络连接器》，该方案为给每个模拟联网设 备都配置一个转换器设备，该设备完成模拟与数字之间通信协议的适 配与转换。然而该方案存在以下两个缺点：由于需要给所有模拟联网 设备都分别配置一个转换设备才能实现模拟设备的数字接入，其升级 价格过于昂贵；此外这种升级还涉及所有模拟联网线路的数字改造， 工程改造复杂、代价高。

因此，如何实现模拟系统和数字系统的连接及通信，成为楼宇对 讲领域的一个研究课题。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明的发明目的在于提供一种楼宇 对讲系统中实现模拟系统和数字系统连接的方法和设备。

本发明技术方案提供了一种用于连接模拟系统和数字系统的楼 宇对讲数模切换器设备，所述数模切换器设备包括以太网接口单元、 模拟接口单元、代理单元和协议适配单元，所述以太网接口单元用于 与连接了多个数字联网设备的以太网连接，以接收/发送以太网数据 包；所述模拟接口单元用于与连接了多个模拟联网设备的模拟总线连 接，以接收/发送模拟总线数据包；所述代理单元用于实现所有模拟 联网设备的IP代理；所述协议适配单元用于实现模拟数据包和数字 协议数据包的解析、协议转换和包重构。

进一步地，所述数模切换器设备还包括网络地址转换单元，所述 网络地址转换单元用于实现IP数据包的目标IP重定向及源IP伪装。

进一步地，所述代理单元为使用Arp代理技术的Arp代理单元。

本发明技术方案还提供了一种兼具模拟与数字设备的楼宇对讲 系统，其特征在于，包括以太网、模拟总线、多个数字联网设备、多 个模拟联网设备、以及上述的用于连接模拟系统和数字系统的楼宇对 讲数模切换器设备，所述数模切换器设备分别连接以太网和模拟总 线；所述数字系统中每个数字联网设备具有一个ID及IP；所述模拟 系统中每个模拟联网设备具有一个ID，在此基础上还具有一个虚拟 IP；所有设备的ID与IP一一对应并可相互转换。

进一步地，所述数字联网设备为数字室内机、数字门口机或电脑 管理机。

进一步地，所述模拟联网设备为模拟室内机、模拟门口机或模拟 管理机。

进一步地，所述楼宇对讲系统包括一部数模切换器设备，来实现 整个模拟系统和数字系统的连接。

进一步地，所述楼宇对讲系统包括多部数模切换器设备，其中每 个安装模拟系统的单元或楼座分别连接一部数模切换器设备。

本发明技术方案还提供了一种楼宇对讲系统中实现模拟系统和 数字系统连接的方法，所述数字系统中每个数字联网设备具有一个 ID及IP；所述模拟系统中每个模拟联网设备具有一个ID，并为每个 所述模拟联网设备分配一个虚拟IP；所有设备的ID与IP一一对应 并可相互转换；所述模拟系统和所述数字系统之间通信的实现方法如 下：A、所述数字联网设备向所述模拟联网设备通信，包括以下步骤： a1、所述数字联网设备获得目标模拟联网设备的虚拟IP，并广播其 要与具有该IP的主机进行通信的请求；a2、楼宇对讲数模切换器设 备代替所述目标模拟联网设备做出响应，使所述数字联网设备将所述 数模切换器设备当作其要通信的目标主机；a3、所述数字联网设备发 送IP数据包至所述数模切换器设备；a4、所述数模切换器设备对IP 数据包进行解析，转换为模拟数据包，并通过模拟总线发送给所述目 标模拟联网设备；B、所述模拟联网设备向所述数字联网设备通信， 包括以下步骤：b1、所述数模切换器设备通过所述模拟总线接收由所 述模拟联网设备发送给目标数字联网设备的模拟数据包；b2、所述数 模切换器设备从所述模拟数据包提取出所述模拟联网设备及所述目 标数字联网设备的ID，并对应转换为虚拟源IP及目标IP；b3、所述 数模切换器设备解析所述模拟数据包，转换并重构为IP数据包；b4、 所述数模切换器设备将所述IP数据包通过以太网发送给所述目标数 字联网设备。

进一步地，步骤a1中，所述数字联网设备获得所述目标模拟联 网设备的虚拟IP的方法是通过查表或者ID/IP映射规则实现的；步 骤b2中，所述数模切换器设备将所述目标数字联网设备的ID转换 为IP是通过查表或者ID/IP映射规则实现的。

进一步地，步骤a2的具体实现方式为，所述数模切换器设备使 用地址解析协议(Arp)代理技术代替所述目标模拟联网设备响应所 述数字联网设备的Arp请求，并将自身的MAC地址通过Arp响应发 送给所述数字联网设备，从而使所述数字联网设备将所述数模切换器 设备当作其要通信的目标主机。

进一步地，步骤a3进一步包括，所述数模切换器设备通过IP信 息包过滤系统(iptables)的网络地址转换(NAT)技术将所述目标 模拟联网设备的虚拟IP重定向到所述数模切换器设备自身的IP。

进一步地，步骤b2进一步包括，所述数模切换器设备发送Arp 请求获取所述目标数字联网设备MAC地址，所述目标数字联网设备 收到所述Arp请求后将自身的MAC地址通过Arp响应发送给所述数 模切换器设备。

进一步地，步骤b3进一步包括，所述数模切换器设备通过iptables 的源地址转换(SNAT)技术将所述数模切换器设备自身的IP伪装成 所述模拟联网设备的虚拟IP。

由此，本发明提供的楼宇对讲系统中实现模拟系统和数字系统连 接的方法、楼宇对讲数模切换器设备和楼宇对讲系统，克服了现有技 术的缺点，提供了一种系统变更小、工程安装及维护成本低、用户体 验度高、升级方便的解决方案。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

为了更好地描述本发明的实施例，绘制了以下附图。应当理解的 是，附图仅是以示例的方式示出了本发明的优选实施例，而不应将附 图解释为对本发明的限制，其中：

图1为本发明提供的一实施例的楼宇对讲系统的拓扑图；

图2为本发明提供的一实施例的楼宇对讲数模切换器设备的模 块示意图；

图3为本发明采用的TCP/IP协议寻址的流程图；

图4为本发明提供的一实施例的数字联网设备向模拟联网设备 通信的流程图；

图5为本发明提供的一实施例的模拟联网设备向数字联网设备 通信的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。应当理解的是： 在下文的描述中，“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等术语仅用 于表示参照附图所指示的方向；而“第一”、“第二”、“第三”等术语用 于描述多个组成部分，但是这些组成部分之间不存在先后顺序，这些 术语仅仅是为了将一个组成部分与另一组成部分区分。

本发明在数字系统和模拟系统之间，使用一个中间数模切换器设 备完成两个系统间接口的适配和通信数据的解析、重构及转发，其主 要实施方式如下：

数字系统中每个联网设备有一个ID及IP，模拟系统中每个联网 设备有一个ID，在此基础上给每个模拟联网设备各自分配一个虚拟 IP，所有设备的ID与IP一一对应且可相互转换；由数模切换器代理 其所连接的所有模拟设备的虚拟IP，具体如下：

一、当数字联网设备向模拟联网设备通信时，在数模切换器设备 上使用Arp代理技术代替所有模拟联网设备响应Arp请求。数模切 换器设备将自身的MAC地址通过Arp响应发送给通信的请求方，这 样数字设备将数模切换器设备当作通信的目标主机。

二、当数模切换器收到数字联网设备发送的IP数据包后，通过 iptables的网络地址转换技术将目的IP地址重定向到数模切换器自身 IP地址。

三、当模拟设备访问数字设备时，数模切换器使用网络地址转换 机制将数据的源IP伪装为模拟设备的虚拟IP。

数模切换器实现模拟数据包和数字数据包的解析、协议转换和包 重构，具体如下：

一、当数字设备访问模拟设备时，数模切换器将接收到的数字数 据包解析，转换为模拟系统的数据包，通过模拟总线发给目的模拟联 网设备。

二、当模拟设备访问数字设备时，数模切换器通过模拟总线接收 模拟联网设备向数字联网设备发送的数据，从数据包中提取出目标设 备ID和源设备ID并转换成对应IP，分别作为TCP/IP通讯的目标IP 和源IP，并对数据包进行重构，生成IP数据包，通过以太网发送给 目标设备。

由此，本发明仅使用一个中间数模切换器，原来的模拟和数字系 统布线几乎都不需要变更，工程安装简单，升级方便，降低了工程安 装及维护成本，同时满足了模拟系统用户能够享受数字系统丰富联网 功能和服务的需求。

本发明一具体实施例的拓扑图如图1所示，数字联网设备包括数 字室内分机、数字门口机、电脑管理机等，通过以太网连接在一起； 模拟联网设备包括模拟室内分机、模拟门口机等，通过模拟总线连接 在一起。数模切换器设备用于连接模拟系统和数字系统，其一端与模 拟总线连接，一端与以太网连接。

进一步地，本发明既可以采用仅有一部数模切换器设备的方式， 来实现整个模拟系统和数字系统的对接；也可以利用多部数模切换器 设备，其中每个安装模拟系统的单元或楼座分别通过一部数模切换器 设备与数字系统对接，每部数模切换器设备负责实现本单元或本楼座 内所有模拟设备与数字设备的通信。

如图2所示，数模切换器设备由如下几部分构成：以太网接口单 元、模拟接口单元、协议适配单元和代理单元。由此，本发明采用数 模切换器巧妙地实现了整个模拟系统和数字系统的对接。其中，通过 数模切换器的代理单元负责实现所连接的所有模拟设备的代理，通过 协议适配单元完成模数的转换，并且分别通过以太网接口单元和模拟 接口单元，与模拟系统和数字系统通信。

优选地，代理单元例如为使用地址解析协议(Arp)代理技术的 Arp代理单元。

进一步地，由于在某些通信协议对源/目标地址做出了控制和核 查，还需要将数模切换器的IP转化为模拟主机的IP，以满足其通信 要求。这种情况下，还可以进一步包括网络地址转换单元，以将数模 切换器的IP重定向或者伪装为模拟切换器的IP。

其中，图2的具体实施方式中各单元的功能如下：

以太网接口单元：用于接收/发送以太网数据包。

模拟接口单元：用于接收/发送模拟总线数据包。

Arp代理单元：用于实现IP代理。

网络地址转换单元：用于实现IP数据包的目的IP重定向和 源IP伪装。

协议适配单元：用于实现模拟和数字协议数据包的解析、转 换和重构。

本发明的虚拟IP分配及ID/IP映射的具体实现方式优选可以采 用如下的方式实现：在楼宇对讲系统中，每台联网设备都有一个唯一 的设备ID，通常由楼栋号、单元号、楼层号、房间号组合生成。模 拟系统直接使用该ID进行通信寻址；而数字系统中需要将ID转换 成IP后，使用IP地址进行通信寻址。为实现数字联网设备与模拟联 网设备的相互访问，每台模拟联网设备都分配一个虚拟的IP地址。 整个混合联网的楼宇对讲系统可以采用统一的查表或ID/IP映射规则 实现ID/IP的相互转换。数模切换器设备需通过工程配置操作配置其 所代理的模拟联网设备的虚拟IP地址范围。

通信时，数字联网设备可以直接通过TCP/IP协议寻址模拟联网 设备的虚拟IP地址完成通信，由于TCP/IP协议的物理层采用MAC 地址来做访问控制，源设备先通过ARP协议获取目标设备的MAC 地址后可以发起访问，其访问流程如图3所示。

其中设备1是发起通信的源端，其IP地址为10.0.65.8，MAC地 址为01.02.03.04.05.06；设备2是通信的对端，其IP地址为10.0.129.8， MAC地址为01.22.33.44.55.66。在TCP/IP协议中，应先获取到通信 对端的MAC地址后，才能发送IP数据包，其流程为：

①设备1广播发送Arp请求用于根据通信对端的IP地址 (10.0.129.8)，获取对端的MAC地址。

②设备2收到广播后，判断设备1在请求获取自身MAC地址， 则发送Arp响应给设备1，响应中携带设备2的MAC地址 (01.22.33.44.55.66)。

③设备1收到Arp响应，解析获取通信对端的MAC地址，构建 IP数据包后发送给设备2完成通信，其中IP数据包的目的IP为设备 2的IP地址，目的MAC地址为设备2的MAC地址。

数字联网设备到模拟联网设备的通信实现

数字联网设备到模拟联网设备的通信是用中间设备来代替模拟 设备，并采用类似于图3的通信方式来实现。当数字联网设备向模拟 联网设备通信时，在数模切换器设备上使用Arp代理技术代替所有 模拟联网设备响应用于获取其虚拟IP地址对应的MAC地址的Arp 请求。切换器设备将自身的MAC地址通过Arp响应发送给通信的请 求方，这样可以欺骗发送方，使它误认为数模切换器设备就是其要通 信的目标主机。当收到数字联网设备发送的IP数据包后，切换器通 过iptables的DNAT(DestinationNetworkAddressTranslation)技术将 目的IP地址重定向到数模切换器自身IP地址。这样，网络层的IP 数据包才会通过内核TCP/IP协议栈递交给应用层的协议适配模块。 应用层协议适配模块进行数据包的解析、转换和重构，通过模拟总线 发给目的模拟联网设备，完成通信。为助于理解，下文以一个简单示 例来介绍数字联网设备到模拟联网设备通信的整个流程。

参见图4，其中，设备1为数字设备，为通信的发起方，其ID 为0010101，IP为10.0.65.8，MAC地址为01.02.03.04.05.06。设备2 为模拟设备，为设备1通信的目标设备，其ID为0020101，分配的 虚拟IP为10.0.129.8。数模切换器设备为连接本次通信两端的中间设 备，其ID为0020000，IP为10.0.129.64，MAC地址为 01.22.33.44.55.66，代理的虚拟子网为10.0.129.0/24(代理的主机IP地 址范围为10.0.129.1～10.0.129.255)。数字设备1向模拟设备2通信的 流程如下：

①设备1通过查表或ID/IP映射规则获取到通信目的设备2的 ID(0020101)对应的IP地址为(10.0.129.8)。

②设备1广播发送Arp请求用于获取目标IP为10.0.129.8的主 机的MAC地址。

③数模切换器设备收到该广播后，使用Arp代理机制发送Arp 响应给设备1，响应中携带自身MAC地址(01.22.33.44.55.66)。

④设备1构建并发送IP数据包，IP数据包的目的MAC地址为 数模切换器设备的MAC地址(01.22.33.44.55.66)，目的IP为模拟设 备的虚拟IP地址(10.0.129.8)；IP数据包中携带通信源设备 ID(0010101)，目的设备ID(0020101)以及其它数据。

⑤数模切换器设备收到该IP数据包后，使用iptables的DNAT 机制，将IP数据包的目的IP地址(10.0.129.8)重定向到数模切换器设 备的本机IP地址(10.0.129.64)；然后由内核TCP/IP协议栈将IP数据 包通过传输层递交给应用层程序。

⑥数模切换器设备应用层的协议适配模块，解析IP数据包，获 取源设备ID(0010101)与目标设备ID(0020101)，并重构成模拟 数据包。

⑦数模切换器设备通过模拟总线将模拟数据包发送给目标设备 2。

通过上述方式，可以实现数字联网设备1到模拟联网设备2的通 信。

模拟联网设备到数字联网设备的通信实现

当模拟联网设备向数字联网设备通信时，数模切换器设备通过模 拟总线接收模拟联网设备向数字联网设备发送的数据，从数据包中提 取出目标设备ID和源设备ID并转换成对应IP，分别作为TCP/IP通 讯的目标IP和源IP，并对数据包进行重构，生成IP数据包，通过以 太网发送给目标设备。详细流程参考图5所示。

其中，设备2为模拟设备，为通信的发起方，其ID为0020101， 分配的虚拟IP为10.0.129.8。设备1为数字设备，为设备2通信的目 标设备，其ID为0010101，IP为10.0.65.8，MAC地址为 01.02.03.04.05.06。数模切换器设备为连接本次通信两端的中间设备， 其ID为0020000，IP为10.0.129.64，MAC地址为01.22.33.44.55.66， 代理的虚拟子网为10.0.129.0/24(代理的主机IP地址范围为 10.0.129.1～10.0.129.255)。模拟设备2向数字设备1通信的流程如下：

①设备2通过模拟总线发送模拟数据包，模拟数据包的源ID为 0020101，目的ID为0010101。

②数模切换器设备通过模拟总线收到该模拟数据包，通过查表或 ID/IP映射规则获取到通信目的设备1的ID(0010101)对应的IP地址 为(10.0.65.8)。

③数模切换器设备发送Arp请求获取通信目标IP(10.0.65.8)的主 机的MAC地址。

④设备1收到Arp请求后，将自身MAC地址(01.02.03.04.05.06) 通过Arp响应发送给数模切换器设备。

⑤数模切换器设备的应用层的协议适配模块解析模拟数据包，转 换并重构成IP数据包后，由内核TCP/IP协议栈经传输层递交给网络 层用于发送。

⑥数模切换器设备使用iptables的SNAT技术将IP数据包的源 IP地址(10.0.129.64)伪装成源模拟设备的虚拟IP地址(10.0.129.8)。

⑦数模切换器设备通过以太网发送IP数据包给目标设备1，IP 数据包的源IP为设备2的虚拟IP(10.0.129.8)，源MAC地址为数模 切换器设备的MAC地址(01.22.33.44.55.66)，目的IP为设备1的 IP(10.0.65.8)，目的MAC地址为设备1的MAC地址 (01.02.03.04.05.06)；IP数据包中携带通信源设备ID(0020101)，目的 设备ID(0010101)以及其他数据。

通过上述方式，可以实现模拟联网设备2到数字联网设备1的通 信。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效 果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，尽管 为说明本发明的目的公开了本发明的较佳实施例和附图，但是熟悉本 领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围 内，可作各种替换、变化和润饰。因此在本发明原理的基础上，做出 的若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。