CN113572782A - 一种支持多种传感网的物联网网关及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支持多种传感网的物联网网关及其实现方法，该物联网网关包括：网关内核和多个智能终端；作为Modbus主机网关内核与作为Modbus从机的各个智能终端采用RS485总线连接；智能终端连接对应传感网类型的传感器，智能终端配置有寄存器地址和寄存器数量参数；网关内核轮询寄存器数据并发送至物联网云平台，接收物联网云平台发布的执行器的操作控制信号或设置模拟量的值并传输至智能终端；智能终端响应网关内核的轮询，根据轮询寄存器范围及寄存器对应传感器，读取对应的传感器数据，并发送执行器的操作控制信号或设置模拟量的值至执行器执行动作。本发明具有通用性强、扩展性强、二次应用开发方便、设备配置简单等优点。

Description

一种支持多种传感网的物联网网关及其实现方法
技术领域
本发明涉及物联网网关应用技术领域，具体涉及一种支持多种传感网的物联网网关及其实现方法。
背景技术
物联网网关是连接传感网与传统通信网络的桥梁，在物联网时代发挥着重要作用。物联网网关要实现传感网与通信网络之间的协议转换，并实现设备管理和远程控制。目前物联网网关产品多样，功能不一，一般支持某种固定的传感网类型，带专用软件。这些物联网网关的主要缺点是通用性和开放性不足，大部分的物联网网关都是封闭的，难以进行传感网类型方面的扩展，难以进行二次应用开发。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种支持多种传感网的物联网网关及其实现方法，本发明可以支持各种有线传感网，如RS485或CAN总线，支持各种无线传感网，如ZigBee、蓝牙、LoRa等；该网关采用工业标准Modbus协议与各种传感网智能终端通信，数据结构标准，可扩展性强，采用MQTT协议上传至各种物联网云平台，该网关具有通用性强、扩展性强、二次应用开发方便、设备配置简单等优点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种支持多种传感网的物联网网关，包括：网关内核和多个智能终端；
所述网关内核与各个智能终端采用RS485总线连接，网关内核作为Modbus主机，各智能终端作为Modbus从机；
所述智能终端连接对应传感网类型的传感器，所述传感网类型包括有线传感网与无线传感网；
所述智能终端配置有寄存器地址和寄存器数量参数；
所述网关内核采用Modbus协议轮询各智能终端，轮询寄存器数据并发送至物联网云平台，接收物联网云平台发布的执行器的操作控制信号或者设置模拟量的值并传输至智能终端；
所述智能终端用于响应网关内核的轮询，根据轮询的寄存器范围，以及智能终端所配置的寄存器对应的传感器，读取对应的传感器数据，并发送执行器的操作控制信号或者设置模拟量的值至执行器执行动作。
作为优选的技术方案，物联网网关采用无线方式或者以太网方式连接到物联网云平台，采用MQTT协议发布和接收数据。
本发明还提供一种支持多种传感网的物联网网关的实现方法，包括下述步骤：
对网关、智能终端及应用端进行参数配置；
按照Modbus从机地址、寄存器地址在物联网云平台设置对应的标识符，根据标识符生成MQTT话题，网关内核向MQTT话题发布消息，应用端进行订阅；
网关轮询各智能终端，轮询寄存器数据并发送至物联网云平台，网关内核发布更新寄存器消息，物联网云平台转发更新寄存器消息；
应用端读寄存器，应用端写寄存器，通过网关双向传输寄存器的值访问感知层的传感器和执行器；
网关配置传感器或执行器。
作为优选的技术方案，所述网关的参数配置内容包括智能终端的数量及运行参数，所述运行参数包括轮询范围、轮询周期、定时写寄存器的值；
所述智能终端的参数配置内容包括从机地址、寄存器地址、寄存器数量，以及传感器和执行器之间的对应关系；
所述应用端的参数配置包括传感器和执行器的配置，配置对应的从机地址、寄存器地址范围和数据类型。
作为优选的技术方案，所述网关采用Web方式进行参数配置，网关部署嵌入式WebServer，所述智能终端采用串口方式进行参数配置，串口将配置数据下载到智能终端，智能终端保存在自身的FLASH中。
作为优选的技术方案，所述按照Modbus从机地址、寄存器地址在物联网云平台设置对应的标识符，所述标识符的定义表示为：
数字量/模拟量+从机地址+寄存器地址，其中，从机地址采用2位16进制数据表示，寄存器地址采用4位16进制数据表示。
作为优选的技术方案，所述网关轮询各智能终端，轮询寄存器数据并发送至物联网云平台，具体步骤包括：
网关内核轮询寄存器数据，智能终端响应网关内核的轮询，判断是否为对应的从机地址，若是对应的从机地址，则根据轮询的寄存器范围以及智能终端所配置的寄存器对应的传感器，读取对应的传感器数据；
感知层返回传感器数据，智能终端返回寄存器数据；
网关内核发布更新寄存器消息，根据轮询的从机地址、寄存器地址得到对应的标识符，发布对应标识符的消息，将传感器数据上传至物联网云平台；
物联网云平台转发更新寄存器消息，应用端订阅寄存器消息，根据配置的寄存器与传感器、执行器的关联，更新传感器和执行器的值，并显示或保存。
作为优选的技术方案，所述应用端读寄存器，具体步骤包括：
应用端发布读寄存器消息，物联网云平台转发读寄存器消息，网关内核更新对应寄存器数据。
作为优选的技术方案，所述应用端写寄存器的具体步骤包括：
应用端发布写寄存器消息，物联网云平台转发写寄存器消息，网关内核向智能终端发送对应的写寄存器指令；
智能终端识别到网关内核的写指令后，设置寄存器对应的数据缓存的值，并根据传感器、执行器和寄存器的对应关系，设置传感器的值，或向执行器发送对应的指令来执行对应的动作；
感知层返回写传感器或执行器的结果；
智能终端返回写寄存器的结果；
网关内核发更新对应寄存器数据。
作为优选的技术方案，所述网关内核或应用端设置指定的时间，自动写寄存器的值执行周期性的动作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明支持多种传感网类型的接入，有线与无线传感网均可接入，每类传感网类型都有对应的智能终端进行数据读写，另外采用支持MQTT协议的物联网云平台，通用性强，应用广泛。
(2)本发明可以根据应用需要随时添加各种智能终端，如果智能终端的数量超过RS485协议规定的最大从机数量，可以增加网关数量。
(3)本发明设备配置简单，网关内核只需配置智能终端的数量，以及寄存器的类型和地址范围，不需要配置智能终端的类型，不需要配置寄存器与实际传感器和执行器的关联，极大地简化了设备的配置。
(4)本发明可以方便地进行上层应用二次开发，因为网关仅配置寄存器，不配置寄存器与传感器和执行器的关联，这种关联完全交给上层应用和智能终端去定义，因此极大地方便了上层应用二次开发。
(5)对于常用的传感器或执行器，本发明支持在网关直接配置其与寄存器的关联，简化上层应用的开发。
附图说明
图1为本发明的支持多种传感网的物联网网关的框架结构示意图；
图2为本发明网关自动更新寄存器数据的流程示意图；
图3为本发明应用端写寄存器的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种支持多种传感网的物联网网关，包括网关内核和***的智能终端，网关内核与各智能终端用RS485总线连接，采用Modbus协议，网关内核作为Modbus主机，各智能终端作为Modbus从机。根据不同的传感网类型，有不同的智能终端，数量和类型不限。物联网网关连接感知层的传感器和执行器，连接方式由传感网类型决定。例如RS485总线可以直连，因为网关内核已经有RS485连接方式；CAN总线采用智能终端和感知层都配备CAN总线模块实现互联；ZigBee方式采用智能终端和感知层都配备ZigBee模块实现互联等；
物联网网关用Wifi、4G、NB-Iot等无线方式或者以太网方式连接到物联网云平台，采用MQTT协议发布和接收数据。
网关的智能终端用各种传感网方式采集感知层的传感器数据，并发送控制指令到执行器执行动作。网关内核采用Modbus协议轮询各智能终端，采集感知层的传感器数据，再通过MQTT协议发送给物联网云平台，接收物联网云平台发布的控制指令，通过智能终端发控制指令到感知层的执行器执行动作。
在本实施例中，控制指令一般指的是开关灯、开关电机等控制执行器的操作指令。
网关内核只负责数据在感知层和物联网云平台之间传输，不负责传输数据的定义，数据的定义全部交由用户的应用端和智能终端来设置。数据定义借用Modbus寄存器的概念，包括寄存器的类型(数字量或模拟量)，寄存器与传感器(对应模拟量寄存器)、执行器(对应数字量寄存器)的对应关系。
本实施例还提供一种支持多种传感网的物联网网关的实现方法，包括下述步骤：
S1：参数配置
S11：网关配置
网关采用Web方式进行参数配置，网关部署嵌入式Web Server。配置内容包括智能终端的数量(默认从机地址从1开始)，每个智能终端再配置寄存器的类型、地址范围。
再配置一些运行参数，如轮询范围、轮询周期、定时写某些寄存器的值用于执行指定动作等等，运行参数还可以从应用端以MQTT协议进行配置。
S12：智能终端配置
智能终端配置的参数包括从机地址、寄存器地址、寄存器数量，以及传感器和执行器之间的对应关系。
本实施例的寄存器地址与传感器、执行器的对应关系可以根据需要非常灵活地配置，主要配置寄存器地址和数量。Modbus的寄存器默认保存2个字节即16bit的数据，如果传感器的值是4个字节的浮点数或整数，可以采用2个相邻寄存器来保存；如果是8个字节的数据，则采用4个相邻寄存器来保存。
配置方式可以采用串口方式，可用串口将配置数据下载到智能终端，智能终端保存在自身的FLASH中。
S13：应用端配置
应用端的配置主要包括传感器和执行器的配置，每个传感器或执行器需要配置对应的从机地址、寄存器地址范围、数据类型等，与智能终端的配置类似。
应用端配置的从机地址、寄存器与传感器和执行器的关联等，必须与智能终端的配置数据相同。对网关而言，不理会寄存器与传感器和执行器的关联，仅仅双向传输数据即可。实际工作中，智能终端可以直接显示传感器的值或执行器的当前状态，应用端可以与之进行比较、校验数据结果。
S2：MQTT话题(Topic)
物联网云平台支持MQTT协议，根据用户定义的标识符自动生成一系列话题(Topic)，标识符对应相应的值，本实施例将标识符定义成寄存器，因此标识符对应的值就是寄存器的值。
按从机地址、寄存器地址在物联网云平台设置好对应的标识符。标识符的定义规则可以参考以下格式：“数字量/模拟量(d/a)”+“从机地址，2位16进制数据”+“寄存器地址，4位16进制数据”。例如d010001代表从机地址01(16进制)、寄存器地址0001(16进制)的数字量，a030015代表从机地址03(16进制)、寄存器地址0015(16进制)的模拟量。
这些由标识符自动生成的一系列话题由网关内核向其发布消息，由应用端订阅。为叙述方便，以下将这类消息称为“更新寄存器消息”。
此外，应用端需要读写寄存器，在物联网云平台设置读写寄存器话题，由应用端向其发布消息，网关内核订阅。以下将这类消息分别称为应用端“读寄存器消息”和“写寄存器消息”。
S3：网关自动更新寄存器数据
根据配置的轮询范围、轮询周期等运行参数，网关内核将在规定的周期内，自动轮询对应的从机及寄存器，并将轮询结果发布至物联网云平台。
如图2所示，网关轮询传感器的值并上传物联网云平台的具体步骤如下：
S31：网关内核轮询寄存器数据。网关内核作为Modbus主机，以配置的轮询周期，自动轮询配置的轮询范围，轮询范围包括Modbus从机(即网关的智能终端)以及从机的寄存器；
S32：智能终端读取传感器数据。智能终端响应Modbus主机的轮询，先对比从机地址是不是自己的地址，如果不是则忽略，如果是，则根据轮询的寄存器范围，以及智能终端所配置的寄存器对应的传感器，读取对应的传感器数据。也可以根据实际情况对传感器数据进行缓存，不一定每次都需要取读取传感器数据；
S33：感知层返回传感器数据；
S34：智能终端返回寄存器数据；
S35：网关内核发布更新寄存器消息；按从机地址、寄存器地址在物联网云平台设置对应的标识符，根据轮询的从机地址、寄存器地址等，得到对应的标识符，再发布对应标识符的消息，将传感器数据上传至物联网云平台。
S36：物联网云平台转发更新寄存器消息。应用端会订阅此消息，因此，应用端会收到由物联网云平台转发的此消息，再根据配置的寄存器与传感器、执行器的关联，更新传感器和执行器的值，并显示或保存。
网关内核或应用端还可以设置在指定的时间，自动写某些寄存器的值来执行周期性的动作，如定时开关灯等等。
S4：应用端读寄存器
由于网关不配置寄存器与传感器和执行器的关联，因此，在应用端以读写寄存器的方式，通过网关来访问感知层的传感器和执行器。
应用端读寄存器值的具体步骤包括：
S41：应用端发布读寄存器消息。应用端先从配置信息里查询某传感器或执行器对应的从机地址、寄存器地址、数量，再发布读寄存器消息，消息中包含从机地址、寄存器地址、数量等信息。
S42：物联网云平台转发读寄存器消息。由于网关内核订阅了读寄存器消息，物联网云平台将转发此消息。
S43：网关内核更新寄存器数据。网关内核收到消息后，截取消息中的从机地址、寄存器地址、数量等信息，启动上一个“网关自动更新寄存器数据”流程，更新对应寄存器数据。
S5：应用端写寄存器
如图3所示，应用端写寄存器值的具体步骤包括：
S51：应用端发布写寄存器消息。应用端先从配置信息里查询某传感器或执行器对应的从机地址、寄存器地址、数量，再发布写寄存器消息，消息中包含从机地址、寄存器地址、数量等信息。
S52：物联网云平台转发写寄存器消息。由于网关内核订阅了读寄存器消息，物联网云平台将转发此消息。
S53：网关内核写寄存器数据。网关内核作为Modbus主机，向作为Modbus从机的智能终端发送对应的写寄存器指令。
S54：智能终端写传感器数据。作为Modbus从机，智能终端识别到Modbus主机，即网关内核的写指令后，设置寄存器对应的数据缓存的值，并根据传感器、执行器和寄存器的对应关系，来设置传感器的值，或向执行器发送对应的指令来执行对应的动作。
S55：感知层返回写传感器或执行器的结果。
S56：智能终端返回写寄存器的结果。
S57：网关内核发更新寄存器数据。启动上面的“网关自动更新寄存器数据”流程，更新对应寄存器数据。
需要特别说明的是，为了方便，网关双向传输的是寄存器的值，在智能终端和应用层配置寄存器和传感器、执行器的对应关系，这样设计的目的是为应用的二次开发提供极大的方便。
S6：网关配置传感器或执行器
本实施例描述的传感器或执行器与智能终端和寄存器的对应关系全部交由应用端和智能终端来定义，该方案只能查看或控制寄存器的实时数据，看不到寄存器与传感器或执行器之间的关联；为了方便应用，网关也可以预先定义好一些传感器或执行器，并在物联网云平台预先设置好对应的标识符名称，应用端可以通过MQTT协议直接读取到这些预先定义好的配置信息，在物联网云平台也可以直接查看或控制实际的传感器或执行器的实时数据。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种支持多种传感网的物联网网关，其特征在于，包括：网关内核和多个智能终端；
所述网关内核与各个智能终端采用RS485总线连接，网关内核作为Modbus主机，各智能终端作为Modbus从机；
所述智能终端连接对应传感网类型的传感器，所述传感网类型包括有线传感网与无线传感网；
所述智能终端配置有寄存器地址和寄存器数量参数；
所述网关内核采用Modbus协议轮询各智能终端，轮询寄存器数据并发送至物联网云平台，接收物联网云平台发布的执行器的操作控制信号或者设置模拟量的值并传输至智能终端；
所述智能终端用于响应网关内核的轮询，根据轮询的寄存器范围，以及智能终端所配置的寄存器对应的传感器，读取对应的传感器数据，并发送执行器的操作控制信号或者设置模拟量的值至执行器执行动作。
2.根据权利要求1所述支持多种传感网的物联网网关，其特征在于，物联网网关采用无线方式或者以太网方式连接到物联网云平台，采用MQTT协议发布和接收数据。
3.根据权利要求1或2所述支持多种传感网的物联网网关的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：
对网关、智能终端及应用端进行参数配置；
按照Modbus从机地址、寄存器地址在物联网云平台设置对应的标识符，根据标识符生成MQTT话题，网关内核向MQTT话题发布消息，应用端进行订阅；
网关轮询各智能终端，轮询寄存器数据并发送至物联网云平台，网关内核发布更新寄存器消息，物联网云平台转发更新寄存器消息；
应用端读寄存器，应用端写寄存器，通过网关双向传输寄存器的值访问感知层的传感器和执行器；
网关配置传感器或执行器。
4.根据权利要求3所述的支持多种传感网的物联网网关的实现方法，其特征在于，所述网关的参数配置内容包括智能终端的数量及运行参数，所述运行参数包括轮询范围、轮询周期、定时写寄存器的值；
所述智能终端的参数配置内容包括从机地址、寄存器地址、寄存器数量，以及传感器和执行器之间的对应关系；
所述应用端的参数配置包括传感器和执行器的配置，配置对应的从机地址、寄存器地址范围和数据类型。
5.根据权利要求3所述的支持多种传感网的物联网网关的实现方法，其特征在于，所述网关采用Web方式进行参数配置，网关部署嵌入式Web Server，所述智能终端采用串口方式进行参数配置，串口将配置数据下载到智能终端，智能终端保存在自身的FLASH中。
6.根据权利要求3所述的支持多种传感网的物联网网关的实现方法，其特征在于，所述按照Modbus从机地址、寄存器地址在物联网云平台设置对应的标识符，所述标识符的定义表示为：
数字量/模拟量+从机地址+寄存器地址，其中，从机地址采用2位16进制数据表示，寄存器地址采用4位16进制数据表示。
7.根据权利要求3所述的支持多种传感网的物联网网关的实现方法，其特征在于，所述网关轮询各智能终端，轮询寄存器数据并发送至物联网云平台，具体步骤包括：
网关内核轮询寄存器数据，智能终端响应网关内核的轮询，判断是否为对应的从机地址，若是对应的从机地址，则根据轮询的寄存器范围以及智能终端所配置的寄存器对应的传感器，读取对应的传感器数据；
感知层返回传感器数据，智能终端返回寄存器数据；
网关内核发布更新寄存器消息，根据轮询的从机地址、寄存器地址得到对应的标识符，发布对应标识符的消息，将传感器数据上传至物联网云平台；
物联网云平台转发更新寄存器消息，应用端订阅寄存器消息，根据配置的寄存器与传感器、执行器的关联，更新传感器和执行器的值，并显示或保存。
8.根据权利要求3所述的支持多种传感网的物联网网关的实现方法，其特征在于，所述应用端读寄存器，具体步骤包括：
应用端发布读寄存器消息，物联网云平台转发读寄存器消息，网关内核更新对应寄存器数据。
9.根据权利要求3所述的支持多种传感网的物联网网关的实现方法，其特征在于，所述应用端写寄存器的具体步骤包括：
应用端发布写寄存器消息，物联网云平台转发写寄存器消息，网关内核向智能终端发送对应的写寄存器指令；
智能终端识别到网关内核的写指令后，设置寄存器对应的数据缓存的值，并根据传感器、执行器和寄存器的对应关系，设置传感器的值，或向执行器发送对应的指令来执行对应的动作；
感知层返回写传感器或执行器的结果；
智能终端返回写寄存器的结果；
网关内核发更新对应寄存器数据。
10.根据权利要求3所述的支持多种传感网的物联网网关的实现方法，其特征在于，所述网关内核或应用端设置指定的时间，自动写寄存器的值执行周期性的动作。
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