CN102946447B

CN102946447B - 一种工业设备远程数据传输系统及方法

Info

Publication number: CN102946447B
Application number: CN201210533333.1A
Authority: CN
Inventors: 张渝
Original assignee: Southwest University
Current assignee: Southwest University
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: CN102946447A

Abstract

本发明公开了一种工业设备远程数据传输系统及方法，所述系统包括移动终端和工业适配器，工业适配器包括CPU、以太网模块、蓝牙模块、WIFI模块和工业控制网络通信协议模块；所述方法包括将工业适配器连接到工业端路由器上，工业端路由器连接到ADSL调制解调器并接入互联网。配置静态的工业适配器内网IP地址。通过端口映射和动态域名，使得通过域名能在互联网范围内访问工业端路由器。本发明将移动终端融入到工业系统中，使移动终端和工业设备连接起来，进行远程的数据监视和控制，增强系统的灵活性，提高操作的方便性。

Description

一种工业设备远程数据传输系统及方法

技术领域

本发明涉及一种通过网络在移动终端和工业设备之间的数据传输方法及系统。

背景技术

工业自动化、计算机网络、移动通信等技术的逐渐发展，使得传统上独立运行的工业设备能够接入到网络中，进行远程的数据通信。传统的工业控制系统基于本地网络控制，监视和控制都在本地完成。现场设备的数据只能传送到控制室，而不能在更大的范围内传递。同样，在控制室之外也很难将控制命令送到现场设备。

移动通信技术的发展，促进了智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动终端的广泛应用。工业控制系统也应用了越来越多的移动终端，用以增强系统的灵活性和方便性。移动终端的通信方式不同于传统的计算机，①移动终端多采用无线通信，而不是有线通信；②移动终端的位置变化的，而不是固定的；③移动终端的范围更广，可能分布在全球范围上，而不局限于工厂范围内；④移动终端一般只用于非实时的监控应用，而不进行实时控制，对网络的迟延容忍度强；⑤移动终端的应用不受时间和地点的限制，而传统计算机控制应用局限于控制室内，操作人员在离开控制室后难以获得设备信息。因为以上的特点，移动终端在工业中的应用需要有相应的通信方法。以太网、3G、LTE、GPRS、蓝牙、WIFI等技术为建立这种通信方法提供了基础。

发明内容

本发明提供一种工业设备远程数据传输系统及方法，目的是将移动终端引入到工业系统的监控应用中，使移动终端和工业设备连接起来，进行远程的数据传输。本发明有利于在工业控制系统中集成移动终端，建立远程的监控系统。从而增强系统的灵活性，提高操作的方便性。

本发明的系统框图如图1所示。移动终端不是专门为工业应用设计的，所以一般没有带有能直接连接工业设备的接口。为此，本发明中的工业适配器来为移动终端和工业设备提供中转功能。工业设备与移动终端的远程数据传输通过两个步骤来完成。（1）工业适配器接收来自移动终端的命令，并将其转换为工业设备能识别的信号，再转发给工业设备。（2）工业设备收到来自移动终端的命令后，按照命令进行执行，若需要响应，则将响应数据发送给工业适配器。工业适配器再选择与命令相同的路径，将响应数据转发给移动终端。

工业适配器是一种嵌入式设备，其组成如图2所示。工业适配器包括中央处理单元，可以选择常用的单片机或嵌入式微处理器。协议转换应用软件运行在中央处理单元之上，并与TCP/IP协议软件、工业控制网络通信协议软件、近距离无线通信协议软件等进行交互。为了为工业设备提供远程通信能力，工业适配器提供两种数据传输能力。（1）采用TCP/IP协议，提供互联网数据传输能力；（2）通过蓝牙、WIFI等协议，提供本地无线数据传输能力。为了支持这两种数据传输方式，需要提供以太网模块、蓝牙模块和WIFI模块。TCP/IP协议软件运行在以太网模块之上，可以采用以硬件实现TCP/IP协议的以太网模块，也可以采用单独的以太网协议模块再加上用软件实现的TCP/IP协议软件。蓝牙模块提供蓝牙协议支持，提供与移动终端对接的蓝牙无线传输接口。WIFI模块提供与移动终端之间的点对点WIFI无线传输接口。

移动终端上需要运行控制应用软件，通过它发出控制命令，并对设备返回的响应数据进行解析和呈现。移动终端和工业适配器之间可以通过三种方式进行通信。①工业适配器连接工业端路由器，工业端路由器通过ADSL调制解调器接入互联网。通过设置动态域名使得在互联网范围内能够方便的访问到工业端路由器。在路由器上作端口映射，使得该端口的数据帧能够直接转发到工业适配器。移动终端启用WIFI无线功能，连接到移动端路由器，再经过ADSL调制解调器连接到互联网。移动终端控制应用使用工业端路由器的动态域名和映射的端口与工业适配器进行数据通信；②工业适配器的配置同第1种方式。移动终端通过3G、LTE、GPRS等移动网络接入互联网。移动终端控制应用使用工业端路由器的动态域名和映射的端口与工业适配器进行数据通信；③工业适配器和移动终端通过蓝牙或WIFIAdhoc等近距离无线通信，进行直接连接的数据通信。

为了能够在互联网上访问工业适配器，需要通过ADSL接入互联网中。因为在ADSL拨号上网时，获取的IP地址是动态的，移动终端不容易获知。所以需要应用动态域名来解决寻址的问题。同时，为了让数据帧能够通过工业端路由器，需要在工业端路由器作端口映射。

远程数据传输的步骤如下：

1）使用动态域名服务，将工业适配器所在工业端路由器的动态IP地址映射为域名；

2）初始化工业适配器。工业适配器通过以太网连接工业端路由器，工业端路由器连接ADSL调制解调器，并连接到互联网。每次重新获取IP地址后,更新动态域名。为了能够将外网数据帧转发给内网的工业适配器，工业端路由器需要做端口的映射。将一个固定端口号，映射到工业适配器的内网IP地址上；

3）移动终端运行远程监控应用，作为主设备发起数据的传输；操作人员通过移动终端建立到工业适配器的连接，可以采用三种方式进行连接：

a)移动终端通过WIFI连接到互联网：首先启用WIFI无线功能，连接到移动端路由器。移动端路由器连接ADSL调制解调器，并接入互联网。将工业适配器所连接的工业端路由器的动态域名以及为工业适配器配置的映射端口设置到控制应用中，以便能够将数据帧传递到工业适配器；

b)移动终端通过3G、LTE、GPRS等移动网络接入互联网。控制应用使用工业端路由器的动态域名和映射的端口与工业适配器进行数据通信；

c)移动终端通过蓝牙或WIFI寻找工业适配器，进行配对并建立连接。进行近距离的无线数据通信。

4）操作人员操作控制应用软件，通过移动终端发出控制命令，按照图4封装为工业适配器通信协议数据帧。移动终端根据与工业适配器的连接方式，通过已建立的连接，将数据帧发送给工业适配器；

5）工业适配器收到数据帧后，对数据帧进行解包、重新封转。并通过工业控制网络传输给指定的工业设备；

6）工业设备解析数据帧得到控制命令，并执行命令指定的操作；

7）若有数据返回，则工业设备形成响应数据。将响应数据传输给工业适配器。工业适配器再利用相同的网络连接，将数据发送给移动终端。移动终端收到响应数据后进行解析并呈现给操作人员。

附图说明

图1本发明的传输方法中采用三种连接方法的示意图；

图2工业适配器结构图；

图3移动终端结构图；

图4移动终端-工业适配器通信帧结构图；

图5工业适配器实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，这些描述不应理解为对本发明的任何限定。

1、工业适配器的实现

工业适配器负责将工业设备与移动终端连接起来。在实施时需要先实现工业适配器。图5给出了工业适配器的一种实现方法。

工业适配器的处理器采用89C52单片机。89C52采用可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

TCP/IP通信模块选择了W5100芯片。W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用W5100可以实现没有操作系统的互联网连接。W5100与IEEE802.310BASE-T和802.3u100BASE-TX兼容。W5100内部集成了全硬件的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。硬件TCP/IP协议栈支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE。W5100内部还集成有16KB存储器用于数据传输。W5100与MCU接口简单，易于访问。

工业适配器采用CSRBlueCore6蓝牙通信芯片。BlueCore6芯片能够实现蓝牙通信，功耗低、尺寸小、性价比高。利用该芯片组成89C52UART到蓝牙的透明传输模块。

工业适配器支持MODBUS485通信。选用SP490E芯片做电平转换。MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，是一种通用工业标准。使用MODBUS，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。MODBUS协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。

在工业适配器硬件之上，需要开发协议转换应用软件。协议转换应用软件运行在单片机上，负责控制TCP/IP、蓝牙通信模块，将工业适配器通信协议转换为MODBUS协议。同时将MODBUS协议数据转换为工业适配器通信协议帧通过TCP/IP或蓝牙协议发送到移动终端。

2、通信的配置

为了能够正确的通信，需要事先进行通信的配置。工业适配器连接到工业端路由器上。工业端路由器连接到ADSL调制解调器上，并接入互联网。配置静态的工业适配器内网IP地址。在工业端路由器上配置端口映射，将端口5569映射到工业适配器的IP地址上。同时通过动态域名，使得通过域名tx.dtym_xyz.com能够在互联网范围内访问到工业端路由器。

3、移动终端功能的实现

移动终端需要支持工业适配器通信协议，并开发控制应用软件。通过控制应用软件，操作人员能够发出控制命令。若收到工业设备的响应数据，控制应用软件对响应数据进行解析，并显示在软件界面上，供操作人员使用。

4、远程数据通信的实现步骤，如图1至图4所示。

1）使用动态域名服务，将工业适配器所在工业端路由器的动态IP地址映射为域名tx.dtym_xyz.com；

2）初始化工业适配器。工业适配器通过以太网连接工业端路由器，工业端路由器连接ADSL调制解调器，并接入互联网。每次获取IP地址后更新动态域名tx.dtym_xyz.com。配置工业适配器静态内网IP地址。工业端路由器做端口的映射，将固定端口号5569映射到工业适配器的IP地址上；

3）移动终端运行控制应用软件，作为主设备发起数据的传输；操作人员通过移动终端建立到工业适配器的连接，可以采用三种方式进行连接：

a)工业适配器连接工业端路由器，工业端路由器通过ADSL调制解调器接入互联网。通过设置动态域名使得在互联网范围内能够方便的访问到工业端路由器。在路由器上作端口映射，使得该端口的数据帧能够直接转发到工业适配器。移动终端启用WIFI无线功能，连接到移动端路由器，再经过ADSL调制解调器连接到互联网。移动终端控制应用使用工业端路由器的动态域名和映射的端口（tx.dtym_xyz.com:5569）与工业适配器进行数据通信；

b)工业适配器的配置同第1种方式。移动终端通过3G、LTE、GPRS等移动网络接入互联网。移动终端控制应用使用工业端路由器的动态域名和映射的端口（tx.dtym_xyz.com:5569）与工业适配器进行数据通信；

c)工业适配器和移动终端通过蓝牙或WIFI等近距离无线通信，进行直接连接的数据通信。

4）操作人员操作控制应用软件，通过移动终端发出读寄存器命令3，指定工业设备地址为35，读取的变量号为3。生成的控制命令帧为：

0x00

0x29

0x03

0x04

0x0004

0x0000000

0x72a1

5）移动终端根据与工业适配器的连接方式，将封装好的数据帧，通过已建立的连接，发送给工业适配器；

6）工业适配器收到数据帧后，对数据帧进行转发，传输到指定的工业设备；

7）工业设备解析数据帧得到控制命令，并执行命令指定的操作。读取温度变量，形成响应数据。

8）工业设备将响应数据传输给工业适配器。工业适配器按照工业适配器通信协议，生成数据帧。

0xff

0x00

0x29

0x03

0x04

0x0004

0x41d00000

0x36e8

9）工业适配器再利用相同的网络连接，将数据发送给移动终端。

10）移动终端上的控制应用软件在收到响应数据后进行解析，得到当前工业设备采集到的温度值为26℃。将温度值呈现在软件界面上，供操作人员使用。

文中相关技术术语的名词解释

移动终端：具有互联网通信能力或近距离无线通信能力的通信设备，例如，智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。

控制应用软件：运行与移动终端上的软件。其主要功能是发出控制命令到工业设备；接收工业设备的响应数据，并将数据呈现在软件界面上。

工业适配器：工业适配器是一种嵌入式设备，运行协议转换应用软件，并与TCP/IP协议软件、工业控制网络通信协议软件、近距离无线通信协议软件等进行交互。工业适配器负责将工业设备与移动终端连接起来，使两者可以采用工业适配器通信协议，进行数据的远程传输。

工业适配器通信协议：工业适配器通信协议是一种为了实现工业设备的远程数据传输而定义的通信协议。移动终端使用工业适配器通信协议将控制命令发送给工业适配器。工业适配器对收到的数据进行解析，并将数据重新封装为工业设备通信协议的数据，再发送给工业设备。同样，工业适配器对收到的来自于工业设备的响应数据按照工业适配器通信协议进行封装，并发送给移动终端，由移动终端进行解析和呈现。

WIFI：WIFI是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。WIFI是一个无线网路通信技术的品牌，由WIFI联盟(WIFIAlliance)所持有。目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。

蓝牙：蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。

Claims

1.一种使用工业设备远程数据传输系统的工业设备进行的工业设备远程数据传输方法，其中传输系统包括移动终端和工业适配器，其中工业适配器包括中央处理单元、以太网模块、蓝牙模块、WIFI模块和工业控制网络通信协议模块，中央处理单元通过总线与各个模块相连；其特征在于：所述方法包括下列步骤：

初始化工业适配器；工业适配器通过以太网连接工业端路由器，工业端路由器连接ADSL调制解调器，并接入互联网，每次获取IP地址后更新动态域名；配置工业适配器静态内网IP地址，工业端路由器做端口的映射，将固定端口号映射到工业适配器的IP地址上；

移动终端运行控制应用软件，作为主设备发起数据的传输；移动终端建立到工业适配器的连接；

通过移动终端发出读寄存器命令，指定工业设备地址，读取变量号，生成控制命令帧；

移动终端根据与工业适配器的连接方式，将封装好的数据帧，通过已建立的连接，发送给工业适配器；

工业适配器收到数据帧后，对数据帧进行转发，传输到指定的工业设备；

工业设备解析数据帧得到控制命令，并执行命令指定的操作，形成响应数据；

工业设备将响应数据传输给工业适配器，工业适配器按照工业适配器通信协议，生成数据帧；

工业适配器将数据发送给移动终端。

2.如权利要求1所述的使用工业设备远程数据传输系统的工业设备进行的工业设备远程数据传输方法，其特征在于：所述移动终端建立到工业适配器的连接方法为：

工业适配器连接工业端路由器，工业端路由器通过ADSL调制解调器接入互联网,通过设置动态域名使得在互联网范围内能够方便的访问到工业端路由器,在工业端路由器上作端口映射，使得该端口的数据帧能够直接转发到工业适配器,移动终端启用WIFI无线功能，连接到移动端路由器，再经过ADSL调制解调器连接到互联网,移动终端控制应用使用工业端路由器的动态域名和映射的端口与工业适配器进行数据通信。

3.如权利要求1所述的使用工业设备远程数据传输系统的工业设备进行的工业设备远程数据传输方法，其特征在于：所述移动终端建立到工业适配器的连接方法为：

移动终端通过3G、LTE或GPRS移动网络接入互联网，移动终端控制应用使用工业端路由器的动态域名和映射的端口与工业适配器进行数据通信。

4.如权利要求1所述的使用工业设备远程数据传输系统的工业设备进行的工业设备远程数据传输方法，其特征在于：所述移动终端建立到工业适配器的连接方法为：工业适配器和移动终端通过蓝牙或WIFI这种近距离无线通信，进行直接连接的数据通信。