CN207490989U - 一种用于多机器人的分布式数据采集*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及多机器人通信领域，公开了一种用于多机器人的分布式数据采集***。包括传感器节点单元根据测得电量或非电量信号，获取至少一个机器人实时工作数据信息；数据采集单元用于接收传感器节点单元获取的数据信息；无限扩展网关单元获取经数据采集单元分析处理后的实时数据信息，实时、高速、独立透传至远程PC机单元；远程PC机单元，用于实时监控传感器节点单元获取的数据信息。提供一种传感器数量可无限扩展的以太网网关解决方案，解决现阶段中数据采集通道受限的问题，自主设计研发一种分布式传感器网络通信接口单元，该单元可实现异质多传感器数据的稳定、高效透传，保证数据获取的实时性。

Description

一种用于多机器人的分布式数据采集***

技术领域

本实用新型涉及多机器人通信领域，具体涉及一种用于多机器人的分布式数据采集***。

背景技术

数据采集，是指从传感器单元测得电量或非电量信号送至上位机进行分析、处理等过程。数据采集网络是结合现有的测试平台的软硬件产品实现灵活的用户自定义的测量***。数据采集网络的任务是将多种异质传感器的数据进行处理并得出特定的数据结果。在当前工业生产中，为节约人力成本及提高生产质量，自动化产线通常配备多机器人以通过协同工作完成生产工序。多路异质传感器可采集多机器人现场工作参数并对其进行实时监测，以便观察者针对多机器人的操作工况及时做出合理安排，避免意外状况发生。因此多机器人数据的实时采集及稳定获取在自动化产线故障检测中是必不可少的一环。

传统的数据采集***，大多是一对一的串口通信或总线通信(例如RS232、RS485、CAN总线)采集***，即采集的所有信号需通过数据采集单元上传至对应的PC机上，这样的数据采集***造成串口或总线通道无法扩充，传感器挂载数量受到限制且数据采集实时性不高、抗干扰能力不强等问题；同时多机器人的位置相对分散，传输距离过长势必造成通信质量不佳、数据采集不稳定等问题；异质传感器的分类数据采集及信号处理也为数据的实时性造成很大障碍；另外，一对一的PC采集***在一定程度上造成资源的浪费，增加不必要的生产成本。

实用新型内容

为克服上述现有技术存在的不足，有必要实用新型一种用于多机器人工况检测、性能可靠、实时性强且可以无限扩展的异质多传感器分布式数据采集网络来解决现阶段多机器人数据采集***面临的诸多问题。

为达上述及其它目的，本实用新型提出一种用于多机器人的分布式数据采集***，包括远程PC机单元、无限扩展网关单元、数据采集单元、传感器节点单元；

传感器节点单元，根据测得电量或非电量信号，获取至少一个机器人实时工作数据信息，实时上传至上一数据采集单元；

数据采集单元，用于接收传感器节点单元获取的数据信息，对数据信息实时分析处理并上传至上一单元；

无限扩展网关单元，获取经数据采集单元分析处理后的实时数据信息，实时、高速、独立透传至远程PC机单元；

远程PC机单元，用于实时监控传感器节点单元获取的数据信息，根据分析传感器节点单元的数据信息及时做出调整方案。

进一步地，所述数据采集单元还用于根据上位机发送的数据指令，指导底层传感器网络完成数据采集及相应的执行指令；

所述无限扩展网关单元还用于获取上位机发送的数据指令，实时、高速、独立透传至下一数据采集单元。

进一步地，所述***还包括：

上位机软件模块，用于实时透传上位机及传感器节点单元、数据采集单元的数据信息及预警发布，用于管理人员获取远程设备的实时监控及数据信息；

供电***模块，用于对传感器节点单元和数据采集单元供电。

进一步地，所述传感器节点单元包含至少三个传感器节点；

相应地，所述传感器节点采用分布式分布和树形拓扑结构；

所述传感器节点用高速百兆以太网交换机无限扩展。

进一步地，所述***包含至少一个数据采集单元，分布式分布。

进一步地，所述数据采集单元包括一个微处理器STM32F103C8T6、一个以太网芯片ENC28J60、一个高速以太网接口及三个USART异步串行通信接口；

STM32F103C8T6通过SPI与ENC28J60进行通信，STM32F103C8T6自带三个USART异步串行通信接口获取底层传感器网络的数据并通过SPI送至网络芯片ENC28J60对数据进行处理，STM32F103C8T6与以太网接口连接，实时传送处理后的数据信息。

进一步地，所述数据采集单元有固定且唯一的MAC地址及IP地址；

相应地，所述数据采集单元用高速百兆以太网交换机无限扩展。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

多传感器网络采用分布式分布，该分布便于数据采集通道的扩充，同时也可解决数据采集***布置分散、资源浪费、插接不便等问题；分布式数据采集具有适应能力强、可靠性高、实时响应好等特点，即各个节点传感器数据可独立自主处理；各个节点故障不相互串扰，便于故障的排查及替换；多机并行的工作方式使得单个单片机仅完成有限工作即可，对底层硬件要求不高并能构建高性能的***。

提供一种传感器数量可无限扩展的以太网网关解决方案，解决现阶段中数据采集通道受限的问题，以便对异质多传感器海量数据的实时采集及监控。自主设计研发一种分布式传感器网络通信接口单元，该单元可实现异质多传感器数据的稳定、高效透传，保证数据获取的实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本实用新型分布式数据采集网络结构示意图；

图2为本实用新型STM32与ENC28J60连接示意图；

图3为本实用新型通讯模块电路原理图；

图4为本实用新型网关单元无限扩展示意图；

图5为本实用新型分布式传感器网络结构示意图；

图6为本实用新型程序流程图；

图7为本实用新型分布式数据采集单元供电***示意图；

图8为本实用新型供电电源电路图；

图9为本实用新型socket tool数据采集界面图；

附图标记说明：

1-百兆以太网交换机；2-远程PC机；3-处理单元；4-传感器节点；5-簇。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过特定的具体实例并结合附图说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本实用新型的精神下进行各种修饰与变更。

一种用于多机器人的分布式数据采集***，包括远程PC机单元、无限扩展网关单元、数据采集单元、传感器节点单元；

传感器节点单元，根据测得电量或非电量信号，获取至少一个机器人实时工作数据信息，实时上传至上一数据采集单元；

数据采集单元，用于接收传感器节点单元获取的数据信息，对数据信息实时分析处理并上传至上一单元；

无限扩展网关单元，获取经数据采集单元分析处理后的实时数据信息，实时、高速、独立透传至远程PC机2单元；

远程PC机2单元，用于实时监控传感器节点单元获取的数据信息，根据分析传感器节点单元的数据信息及时做出调整方案；

相应地，所述数据采集单元还包括：根据上位机发送的数据指令，指导底层传感器网络完成数据采集及相应的执行指令；

所述无限扩展网关单元还包括：获取上位机发送的数据指令，实时、高速、独立透传至下一数据采集单元；

所述***还包括：

上位机软件模块，用于实时透传上位机及传感器网络的数据信息及预警发布，用于管理人员获取远程设备的实时监控及数据信息；

供电***模块，用于对传感器节点单元和数据采集单元供电；

如图1所示，本实施例采用如下技术方案：包括远程PC机2、无限扩展网关单元、至少一个分布式数据采集单元及至少3个传感器节点4，具体技术方案包括以下部分：

自主研发基于高速以太网接口的分布式数据采集单元，实现上位机与多机器人底层传感器数据的实时、高速、独立透传。上位机的数据经由网关传输至数据采集单元，传感器节点4数据经由IP网络传输至远程PC监控中心，监控中心通过分析传感器数据及时做出调整方案；

分布式数据采集网络可搭载至少一个分布式数据采集单元，每个数据采集单元包括一个微处理器STM32F103C8T6，一个以太网芯片ENC28J60，一个高速以太网接口及三个USART异步串行通信接口，多机器人传感器节点4挂接在数据采集单元上。多机器人分布式数据采集网络的工作流程为：远程PC机2通过无限扩展网关单元与分布式数据采集单元进行数据传输，每个分布式数据采集单元有固定且唯一的MAC地址及IP地址，STM32F103C8T6的三个USART接口接收的串口数据作为以太网协议的应用层数据并用网络协议进行封装，调用ENC28J60网络芯片驱动，以TCP方式通过无线扩展单元传输至上位机；从上位机发送的指令亦可通过网络芯片ENC28J60内部的UIP协议栈解包并通过USART接口以串行通信的方式发出，从而实现传感器节点4与上位机之间数据的透明传输。

如图2和图3所示，分布式数据采集单元主芯片采用Cortex-M3架构的STM32F103C8T6，该处理器以高性能、低成本、低功耗等优点受到青睐。时钟频率可达72Mhz，自带128K flash内存空间，拥有3路异步串行通信接口方便用户进行开发。ENC28J60网络芯片结构较为简单，通过内置MAC+PHY芯片实现简单的以太网物理层连接，需第三方库方能实现应用层的设计；PHY芯片内置一块10M BASE-T芯片，可满足通信需要；采用10M SPI与微处理器连接。价格低廉，可降低成本消耗，方便工厂大规模实现网络化。

STM32通过SPI与ENC28J60进行通信，由于ENC28J60的工作电压为3.14V-3.45V，TTL输入，因此两者可以直接连接。STM32的14、15、16、17引脚分别复用为CS(从设备选择)、SCK(串口时钟)、MISO(主入从出)、MOSI(主出从入)，这四个引脚分别与ENC28J60的CS、SCK、SI、SO相连。如图2所示，可明显的知主控制器与以太网芯片的连接关系。

因ENC28J60内部稳压器无法直接带动外部负载，故电源引脚必须与同一个外部3.3V电源连接。ENC28J60内部模拟电路需要在RBIAS引脚与地之间外接一个阻值为2K，精度为1％电阻。ENC28J60内部集成的稳压器需要在VCAP引脚与地之间外接一个10uF的电容才能保证其工作稳定。

HR91105A内部集成有LED灯和以太网变压器，因此ENC28J60的TPOUT+/-、TPIN+/-、LEDA及LEDB引脚直接与其TX+/-、RX+/-、LEDA、LEDB连接。LEDA、LEDB用于指示工作状态，在TPIN+/TPIN-上，使用1:1的专用于10BASE-T操作的脉冲变压器。同时在差分发送引脚上再接一个1:1的脉冲变压器，必须带有中心抽头。为了防止静电干扰，变压器要能隔离2千伏的电压，且二者均需要接一个精度为1％，阻值为50Ω的电阻。具体电路原理图如图3通讯模块电路原理图。

提出一种网关单元无限扩展方法，解决传感器接入节点受限的问题；

选用高速百兆以太网交换机1进行网关单元的无限扩展，如图4所示，百兆以太网交换机1采用星型拓扑结构连接，管理方便，组网容易，单一节点出现故障不会干扰其他节点工作，便于故障排查。该网关单元的无限扩展可保证分布式数据采集单元及传感器节点4皆可无限接入，方便多传感器数据采集；

设计异质多传感器分布式数据采集网络的分布式结构，采用树形拓扑结构，方便通道扩展及故障隔离；多机并行的工作方式使得单个单片机仅完成有限工作即可，对底层硬件要求不高并能构建高性能的***，非常适用于高速、大型、动态数据采集***；

如图5所示，该结构采用树形拓扑结构，方便通道扩展及故障隔离。该结构包括一系列传感器节点4和数据采集处理单元3以及联结不同处理单元3的通讯网络，每个处理单元3连接一个或多个传感器，处理单元3及与之相连的传感器称为簇5。数据从传感器传送至与之相连的处理单元3，在处理单元3进行数据集成，处理单元3相互合作以取得对环境的最佳评价，并向高层次处理单元3报告。采用分布式传感器网络的最终目标是在基于分布式传感器信息融合基础上获得知识及做出决策。

根据结构模型编写上位机软件，实现上位机及传感器网络数据的实时透传及预警发布；

为便于管理人员对远程设备的实时监控及数据获取，选用KeilμVision对相应功能的实现进行程序编写，程序流程图，如图6所示：

初始化：设置TCP及ARP的超时时间，并对以太网芯片ENC28J60及STM32F103C8T6定时器进行初始化，设置多分布式数据采集单元的IP地址、网关、子网掩码以区分各传感器单元；

主循环：查询网卡是否有数据包收到，若为IP数据则调用uip_input()将接收到的IP数据包解包提取底层传感器的应用层数据，在app_call()中调用uip_send()向上位机发送已解包的传感器数据；若在主循环超时仍没有接收到IP数据包，则调用uip_periodic()对每个连接进行周期性的维护工作，调用uart_send()将uip_buf()中存储的上位机数据发送至多机器人底层传感器网络，实现双向数据交互。

设计独立的分布式传感器网络供电***；

设计单独用于分布式传感器网络供电***，解决多路分布式采集单元供电不便的问题。

如图7所示，采用LM2596模块为多路分布式数据采集单元供电。数据采集单元接入5V电源，经滤波稳压之后输出标准的3.3V电压为STM32及ENC28J60以太网芯片供电。电路中选用AMS1117作为稳压芯片，对电路进行稳压，使其输出恒定的直流电压。AMS1117是一个正向低压降稳压器，固定输出版本输出电压为1.5V，1.8V，2.5V，3.0V，3.3V和5.0V，具有1％的精度。AMS1117内部集成过热保护和限流电路，以防环境温度造成硬件损坏。根据硬件电路要求，选择AMS1117-3.3，SOP-223封装。如图8所示，AMS1117连接电路，1号引脚接地，2号引脚为输出电压(3.3V)，3号引脚为输入电压(5V)。C1、C2为输入电容，有以下作用：

交流电压整流输入，单向脉动电压转化成直流电压，防止断电后电压倒置，抑制干扰，C3、C4为输出电容，有滤波及抑制自激振荡等作用，若不接，则线性稳压器输出是振荡波形。

通过socket tool软件对对机器人分布式多传感器数据采集网络的稳定性及实时性进行实验验证，并对实验数据采集分析，数据采集界面如图7所示。

为验证分布式数据采集单元的稳定性及实用性，使用两组该模块单元对四个超声波传感器进行数据采集并在采样数据之前设置41 41 42 42标志位对超声波传感器加以区分。超声波传感器通信协议不详细赘述，只做简单介绍(本实用新型中使用的超声波传感器仅用作实验验证，不属于本实用新型的一部分)。超声波通信波特率为9600bit/s，数据格式为0xFF、高八位、低八位、数据校验位。

在本实用新型实施例中，如图9所示，通过采集界面可得知：TCP Server为TCP服务端，169.254.226.30即为上位机IP地址；TCP Client为TCP的客户端，169.254.226.123、169.254.226.163分别为两个传感器数据采集单元的IP地址，通过IP地址可分辨各个数据采集单元，保证数据传输的独立性；超声波传感器的数据准确无误，验证了该数据采集单元数据传输的稳定性；若在不受传感器传输波特率的限制下，该数据采集单元的通信速率可达10M/S，验证了该数据采集单元数据传输的实时性。由此可看出，多机器人分布式数据采集单元强大的实时性及较低的丢包率是普通的串行设备不能比拟的。因此，本实用新型提出的多机器人分布式数据采集单元具有采集数据稳定、丢包率低且实时性较好，可用于多传感器海量数据的实时采集与故障监控。

本实用新型的另一目的在于提供一种传感器数量可无限扩展的以太网网关解决方案，解决现阶段中数据采集通道受限的问题，以便对异质多传感器海量数据的实时采集及监控。

本实用新型的还一目的在于自主设计研发一种分布式传感器网络通信接口单元，该单元可实现异质多传感器数据的稳定、高效透传，保证数据获取的实时性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于多机器人的分布式数据采集***，其特征在于，所述***包括：远程PC机单元、无限扩展网关单元、数据采集单元、传感器节点单元；

传感器节点单元，根据测得电量或非电量信号，获取至少一个机器人实时工作数据信息，实时上传至上一数据采集单元；

数据采集单元，用于接收传感器节点单元获取的数据信息，对数据信息实时分析处理并上传至上一单元；

无限扩展网关单元，获取经数据采集单元分析处理后的实时数据信息，实时、高速、独立透传至远程PC机单元；

远程PC机单元，用于实时监控传感器节点单元获取的数据信息，根据分析传感器节点单元的数据信息及时做出调整方案。

2.根据权利要求1所述一种用于多机器人的分布式数据采集***，其特征在于，所述数据采集单元还用于根据上位机发送的数据指令，指导底层传感器网络完成数据采集及相应的执行指令；

所述无限扩展网关单元还用于获取上位机发送的数据指令，实时、高速、独立透传至下一数据采集单元。

3.根据权利要求1所述一种用于多机器人的分布式数据采集***，其特征在于，所述***还包括：

上位机软件模块，用于实时透传上位机及传感器节点单元、数据采集单元的数据信息及预警发布，用于管理人员获取远程设备的实时监控及数据信息；

供电***模块，用于对传感器节点单元和数据采集单元供电。

4.根据权利要求1所述一种用于多机器人的分布式数据采集***，其特征在于，所述传感器节点单元包含至少三个传感器节点；

相应地，所述传感器节点采用分布式分布和树形拓扑结构；

所述传感器节点用高速百兆以太网交换机无限扩展。

5.根据权利要求1所述一种用于多机器人的分布式数据采集***，其特征在于，所述***包含至少一个数据采集单元，分布式分布。

6.根据权利要求5所述一种用于多机器人的分布式数据采集***，其特征在于，所述数据采集单元包括一个微处理器STM32F103C8T6、一个以太网芯片ENC28J60、一个高速以太网接口及三个USART异步串行通信接口；

STM32F103C8T6通过SPI与ENC28J60进行通信，STM32F103C8T6自带三个USART异步串行通信接口获取底层传感器网络的数据并通过SPI送至网络芯片ENC28J60对数据进行处理，STM32F103C8T6与以太网接口连接，实时传送处理后的数据信息。

7.根据权利要求5所述一种用于多机器人的分布式数据采集***，其特征在于，所述数据采集单元有固定且唯一的MAC地址及IP地址；

相应地，所述数据采集单元用高速百兆以太网交换机无限扩展。