CN108924042A - 一种多协议间透传的物联网网关及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,涉及工业物联网技术领域,包括网关内部模块和网关外部设备,所述网关内部模块包括微处理器以及与微处理器双向电性连接的电源模块、RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块和以太网模块,所述网关外部设备包括电源指示灯、连接/故障指示灯、收发指示灯、复位按键、串口连接口(RS485接口)、RJ45接口和电源接,本发明体积小巧易于安装,在复杂的工业***中可利用本发明快速整合各个子模块,有效避免重复开发,降低开发成本。
Description
技术领域
本发明涉及工业物联网技术领域,具体涉及一种多协议间透传的物联网网关及实现方法。
背景技术:
工业物联网是将具有感知、监控能力的各类采集或控制器以及泛在技术、移动通信、智能分析等技术不断融人到工业生产过程各个环节,从而大幅提高制造效率,改善产品质量,降低产品成本和资源消耗,最终实现将传统工业提升到智能化的新阶段。从应用形式上,工业物联网的应用具有实时性、自动化、嵌入式、安全性、和信息互通互联性等特点。
传统工业生产现场设备智能化程度很低,正在使用阶段的老设备多数不具备网络通讯、远程管理、云数据处理等功能,我国制造业正在加速向智能制造转型升级,传统车间工厂的数字化升级改造正在加速进行,为使传统设备进行智能化升级需进行数据采集,因此工业物联网的网关就处于市场需求行列中。
随着计算机网络技术迅猛发展,建立了多种多样的网络***,导致各种网络之间如何互连的问题。在智能家居、工业物联网、智慧城市等应用领域,各种通讯方式互存,相互之间存在转换障碍问题。通讯协议是指通信双方对数据传送控制的一种约定。约定中包括对数据格式,同步方式,传送速度,传送步骤,检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定,通信双方必须共同遵守才能互相传输信息。市面上的许多设备采用的通信接口各不相同,常用的有RS-485、GPRS、WiFI、Zigbee和Ethernet等,由于各种通信结构的协议不兼容,使得异构网络之间的操作和信息交换难以进行,所以需要一个转换器完成多种协议之间的数据转发。
如申请号为CN201710026179.1公开了一种物联网网关通信的方法,包括:第一物联网网关判断是否符合与第二物联网网关通信的条件;若符合通信的条件,第一物联网网关把数据发送给第二物联网网关,以使得第二网关将数据发送至服务器或与第二网关连接的物联网节点。通过上述方式,该种物联网网关通信的方法能够实现物联网网关与物联网网关之间的通信,有效地减低设计成本,但是该种种物联网网关通信的方法并未公开如何实现不同协议之间的通讯方法。
如申请号为CN201720141684.6公开了一种基于物联网网关的托管一体式管理设备,包括用以转发视频流和处理指纹信息的物联网网关装置、用以采集指纹信息的指纹采集设备、用以获取视频流的监控摄像头、交换机、USB接口电路、以太网接口电路和用以供电的电源电路,所述物联网网关装置、交换机、USB接口电路、以太网接口电路均与所述电源电路连接;所述指纹采集设备通过USB接口电路与所述物联网网关装置连接,所述监控摄像头通过交换机与所述物联网网关装置连接,所述交换机通过以太网接口电路与服务器连接,但是该种基于物联网网关的托管一体式管理设备并未公开如何实现不同协议之间的通讯。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。
一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,包括网关内部模块和网关外部设备,所述网关内部模块包括微处理器以及与微处理器双向电性连接的电源模块、RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块和以太网模块,所述网关外部设备包括电源指示灯、连接/故障指示灯、收发指示灯、复位按键、串口连接口(RS485接口)、RJ45接口和电源接。
优选的,所述微处理器的型号为STM32F107VCT6芯片,该芯片包含有5个USART接口、三个SPI端口和10个定时器,其中USART1引脚与GPRS模块电性连接,USART2引脚与RS485电性连接,USART3引脚与WiFi模块和ZigBee模块电性连接,USART4引脚与SPI接口和以太网模块电性连接,PB13和PB14引脚与GPRS模块电性连接,PA1引脚与RS485电性连接,所述的一种多协议间透传的物联网网关实现方法为:
(1)模块初始化:包括微处理器的初始化和RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块和以太网模块的初始化;
(2)检测通讯是否存在故障:Y:通讯模块进行复位,复位后进入下一步;N:进入下一步;
(3)检测定时是否结束:Y:选择以太网进行收发,收发完后进入下一步;N:进入下一步;
(4)检测485通讯是否结束:Y:选择其他方式发送,发送完后进入下一步;N:进入下一步;
(5)检测GPRS通讯是否结束:Y:选择其他方式进行发送,发送完后进入下一步;N:进入下一步;
(6)检测WiFi通讯是否结束:Y:选择其他方式进行发送,发送完后进入下一步;N:进入下一步;
(7)检测ZigBee通讯是否结束:Y:选择其他方式进行发送,发送完后回到步骤(2)继续检测判断;N:回到步骤(2)继续检测判断。
优选的,所述电源模块为外部提供的5V电源,并在内部转换为3.3V为各个模块提供电力。
优选的,所述RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块采用中断接收方式,在中断程序中接收保存数据,判断数据传输结束,当一帧数据接收结束时,相应的标志位置1,各通讯方式的发送部分和以太网在主程序中轮询,当主程序判断相应标志位置1时,进行相应的转发过程,转发的对象由通讯模式设定。
优选的,所述GPRS模块使用ESP-A9芯片。
优选的,所述WiFi模块使用ESP8266芯片。
优选的,所述以太网通讯使用W5500芯片。
优选的,所述RS485模块使用SP3485芯片,采用平衡发送和差分接收,具有抑制共模干扰的能力,适用于多主机工业环境。
优选的,所述Zigbee模块使用CC2530芯片。
本发明的优点在于:该种多协议间透传的物联网网关及实现方法,集成多种工业物联网上常见的通讯方式,具有通用性,可以实现不同协议之间的相互转换,具有极高的灵活性,可以应用与通信设备种类繁多的场景,本发明体积小巧易于安装,在复杂的工业***中可利用本发明快速整合各个子模块,有效避免重复开发,降低开发成本。
附图说明
图1为本发明的网关结构组成框架图。
图2为本发明网关初始化配置框架图。
图3为本发明网关方法处理流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
如图1至图3所示,一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,包括网关内部模块和网关外部设备,所述网关内部模块包括微处理器以及与微处理器双向电性连接的电源模块、RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块和以太网模块,所述网关外部设备包括电源指示灯、连接/故障指示灯、收发指示灯、复位按键、串口连接口(RS485接口)、RJ45接口和电源接,所述的一种多协议间透传的物联网网关实现方法为:
(1)模块初始化:包括微处理器的初始化和RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块和以太网模块的初始化;
(2)检测通讯是否存在故障:Y:通讯模块进行复位,复位后进入下一步;N:进入下一步;
(3)检测定时是否结束:Y:选择以太网进行收发,收发完后进入下一步;N:进入下一步;
(4)检测485通讯是否结束:Y:选择其他方式发送,发送完后进入下一步;N:进入下一步;
(5)检测GPRS通讯是否结束:Y:选择其他方式进行发送,发送完后进入下一步;N:进入下一步;
(6)检测WiFi通讯是否结束:Y:选择其他方式进行发送,发送完后进入下一步;N:进入下一步;
(7)检测ZigBee通讯是否结束:Y:选择其他方式进行发送,发送完后回到步骤(2)继续检测判断;N:回到步骤(2)继续检测判断。
网关正常工作时电源指示灯点亮,使用有线通讯时,连接对应接口,模块初始化可通过用户APP进行使用设置,该设置包括:网关转换模式、WiFi网络参数(IP、端口)、本机以太网网络参数(本机以太网IP、子网掩码、默认网关)、目的主机以太网网络参数(目的以太网IP、子网掩码、默认网关)、GPRS网络参数(目的IP、端口)。网关重启或复位时,首先进入设置等待阶段,该阶段未收到APP的配置信息,超时后自动进入之前设定网关参数和模式。网关连接成功后,连接指示灯显示绿色,若连接失败或者通讯故障,连接指示灯显示红色为故障状态。网关进行数据收发时,每次收发成功,收发指示灯闪烁,收发失败时,连接/故障指示灯变红。
值得注意的是,所述微处理器的型号为STM32F107VCT6芯片,该芯片包含有5个USART接口、三个SPI端口和10个定时器,其中USART1引脚与GPRS模块电性连接,USART2引脚与RS485电性连接,USART3引脚与WiFi模块和ZigBee模块电性连接,USART4引脚与SPI接口和以太网模块电性连接,PB13和PB14引脚与GPRS模块电性连接,PA1引脚与RS485电性连接。
在本实施例中,所述电源模块为外部提供的5V电源,并在内部转换为3.3V为各个模块提供电力。
在本实施例中,所述RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块采用中断接收方式,在中断程序中接收保存数据,判断数据传输结束,当一帧数据接收结束时,相应的标志位置1,各通讯方式的发送部分和以太网在主程序中轮询,当主程序判断相应标志位置1时,进行相应的转发过程,转发的对象由通讯模式设定,数据部分以帧为单位,每帧数据的长度任意,数据内容原封不动。可实现任意两种通讯方式的数据传输。
在本实施例中,所述GPRS模块使用ESP-A9芯片,采用AT指令控制,GPRS模块需要一张具有流量的物联网卡,与云端建立连接,可实现GPRS远程通讯,GPRS模块处于移动内网,IP地址不固定,所以设备上电由GPRS模块主动连接云端,程序中对通讯情况进行检测,当GPRS通讯中断时硬件复位GPRS模块。GPRS模块定时发送心跳包,与云端保持长连接,可以实时上传数据到云端,也可以通过云端实时下发数据到设备。当设备需要在移动中工作,或者处于野外等情况下,GPRS将是合适的通讯方式。可将工业现场中常见的RS485总线数据转换为GPRS信号送至云端,实现远程监控和传统设备智能化管理。
在本实施例中,所述WiFi模块使用ESP8266芯片,采用AT指令控制。初始化固定的IP地址,可按照用户需求进行自设定,提供无线接入服务,允许其他无线设备接入,与本发明的其余4种模式通讯,是实现物联网、无线智能控制的重要组成部分,可用于工业现场手机等设备对***进行有效监控。
在本实施例中,所述以太网通讯使用W5500芯片,该芯片与MCU进行SPI通讯,集成了全硬件TCP/IP协议栈,支持10/100MBPS的传输速率,可进行断线自动重连,具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富等优点,随着企业信息***规模的扩大和复杂程度的提高,对信息量的需求也越来越大。本专利以太网模块采用TCP客户端模式,可与服务器端交互数据。主程序中定时轮询处理接收的数据与发送数据。可将工业现场常见的RS485总线转换为以太网的通讯方式,同时也可实现其余三种通讯方式到以太网的透传。
在本实施例中,所述RS485模块使用SP3485芯片,采用平衡发送和差分接收,具有抑制共模干扰的能力,适用于多主机工业环境,采用超时逻辑判断传输结束,当开始中断接收数据时保存数据,超时200ms没有数据则判定传输结束。RS485是半双工传输,空闲时RS485保持接收状态,需要发送数据时切换为发送状态。SP3485作为RS485收发芯片,起到电平转换作用。本发明自动转发RS485一帧数据的所有内容,当连续200ms无数据判定一帧数据结束,无需额外添加截止符。
此外,所述Zigbee模块使用CC2530芯片,该芯片内部集成了Z-Stack协议栈,网关上充当蜂窝网内网络协调器,使用PCB天线,可以其为中心搭建ZigBee网络,现场的ZigBee路由器及节点加入该网络,实现底层设备到网关之间的数据连接。网关MCU通过串口将CC2530芯片进行数据交互,下发数据指令由MCU通过CC2530交给底层ZigBee模块,上传信息由底层ZigBee节点通过网络上传给CC2530芯片,芯片再通过串***给MCU进行处理。可用于工业上ZigBee组网的***内进行数据转换,也可扩展用于智能家居等领域。
基于上述,该种多协议间透传的物联网网关及实现方法,集成多种工业物联网上常见的通讯方式,具有通用性,可以实现不同协议之间的相互转换,具有极高的灵活性,可以应用与通信设备种类繁多的场景,本发明体积小巧易于安装,在复杂的工业***中可利用本发明快速整合各个子模块,有效避免重复开发,降低开发成本。
由技术常识可知,本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此,上述公开的实施方案,就各方面而言,都只是举例说明,并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (9)
1.一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,包括网关内部模块和网关外部设备,其特征在于,所述网关内部模块包括微处理器以及与微处理器双向电性连接的电源模块、RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块和以太网模块,所述网关外部设备包括电源指示灯、连接/故障指示灯、收发指示灯、复位按键、串口连接口(RS485接口)、RJ45接口和电源接口,所述的一种多协议间透传的物联网网关实现方法为:
(1)模块初始化:包括微处理器的初始化和RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块和以太网模块的初始化;
(2)检测通讯是否存在故障:Y:通讯模块进行复位,复位后进入下一步;N:进入下一步;
(3)检测定时是否结束:Y:选择以太网进行收发,收发完后进入下一步;N:进入下一步;
(4)检测485通讯是否结束:Y:选择其他方式发送,发送完后进入下一步;N:进入下一步;
(5)检测GPRS通讯是否结束:Y:选择其他方式进行发送,发送完后进入下一步;N:进入下一步;
(6)检测WiFi通讯是否结束:Y:选择其他方式进行发送,发送完后进入下一步;N:进入下一步;
(7)检测ZigBee通讯是否结束:Y:选择其他方式进行发送,发送完后回到步骤(2)继续检测判断;N:回到步骤(2)继续检测判断。
2.根据权利要求1所述的一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,其特征在于:所述微处理器的型号为STM32F107VCT6芯片,该芯片包含有5个USART接口、三个SPI端口和10个定时器,其中USART1引脚与GPRS模块电性连接,USART2引脚与RS485电性连接,USART3引脚与WiFi模块和ZigBee模块电性连接,USART4引脚与SPI接口和以太网模块电性连接,PB13和PB14引脚与GPRS模块电性连接,PA1引脚与RS485电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,其特征在于:所述电源模块为外部提供的5V电源,并在内部转换为3.3V为各个模块提供电力。
4.根据权利要求1所述的一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,其特征在于:所述RS485芯片、WiFi模块、GPRS模块、ZigBee模块采用中断接收方式,在中断程序中接收保存数据,判断数据传输结束,当一帧数据接收结束时,相应的标志位置1,各通讯方式的发送部分和以太网在主程序中轮询,当主程序判断相应标志位置1时,进行相应的转发过程,转发的对象由通讯模式设定。
5.根据权利要求1所述的一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,其特征在于:所述GPRS模块使用ESP-A9芯片。
6.根据权利要求1所述的一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,其特征在于:所述WiFi模块使用ESP8266芯片。
7.根据权利要求1所述的一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,其特征在于:所述以太网通讯使用W5500芯片。
8.根据权利要求1所述的一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,其特征在于:所述RS485模块使用SP3485芯片,采用平衡发送和差分接收,具有抑制共模干扰的能力,适用于多主机工业环境。
9.根据权利要求1所述的一种多协议间透传的物联网网关及实现方法,其特征在于:所述Zigbee模块使用CC2530芯片。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181130 |