CN103152190A - 一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统及实现方法，它是一种可远程操作的物联网网络管理系统，主要应用于工业物联网以及其它工业无线网络，它包括物联网接入模块、网络模块两大部分，其中物联网接入模块采用WIA工业协议与物联网交换数据；网络模块将接收到的物联网中的数据输出到远程的以太网；本发明提供三种接口有：传统的RJ-45、RS-232经调制解调器、USB无线网卡接入以太网，使本发明可以适应不同的环境，使用户在安装、使用过程中更加便捷；本发明实现方法：通过射频数据收发模块和软件网络模块，同时向用户提供嵌入式WEB服务，依靠WEB浏览器便可以实现实时监测、控制功能，其实时性能、网络性能、可靠性能是其它系统难以比拟的。

Description

一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统及实现方法

技术领域

本发明涉及工业物联网领域，具体涉及是一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统及实现方法。

背景技术

随着以太网迅猛发展，以太网应用早已深入人们的生活生产中，尤其是在工业生产中的应用，大大的提高了生产、管理效率。与此同时，“物联网”也同样飞速发展，物联在工业领域中的应用，使得工业生产能大大的降低设备安装成本，人力成本，同时又能大大提高效率与可靠性。而物联网的关键技术之一就是要实现物联网中的嵌入式设备连入以太网，其难点在于：单片机既要处理大量的IP数据包；由于应用在工业物联网中，这些数据包同时还注重“实时性”，因此单片机还要运行实时内核，而单片机自身的资源有限。

目前比较成熟的嵌入式设备连入以太网的方法很多，比较成熟的技术有以下两种方案：

1、PC机+专用网络：采用PC机作为物联网的网关设备，利用专用网络如RS-232把一小批嵌入式设备连接在一起，首先让嵌入式设备通过专用网把数据传递给PC，然后PC作为网关将专用网络上的信息转换为TCP/IP协议数据包，然后发到网上实现信息共享。该方案可以连接多种单片机。缺点：

a.需要依赖PC机作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的情况下，专用网络布线极为不便；

b.需要在PC机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的第三方软件商提供，费用较高。

2、Scenix MCU+虚拟软件包(网络单片机)：采用Scenix公司提供的8位单片机即可实现以太网接入功能。由于该单片机是迄今世界上最快的单片机(每秒1亿条指令)，可以实现实时多任务操作(时间片轮询)。在MCU执行数据采集和控制功能的同时把数据打包，发送到以太网上。该方案优点：a.不依赖PC机或高档单片机，真正实现8位单片机系统直接接入以太网，整个系统完全自给自足；b.使用外围器件少，系统成本低；c.由于Scenix公司免费提供用于以太网处理的软件模块，使开发周期大大缩短，开发成本大大降低。

缺点：外围资源少，不是占先式的实时操作系统，无法应用在对实时性要求严格的环境下。

发明内容

为了克服PC机的高费用、8位或16位机外围资源少，运行实时内核上的困难，本发明的目的是提供一种不依赖PC机、费用低、易推广、使用灵活、易于维护、外围资源丰富，采用占先式实时操作系统的用于工业物联网与以太网互联的管理系统及实现方法。

为了实现上述的发明目的，本发明的具体技术方案如下：

总体构思：通过32位单片机外连一款物理层网络芯片实现与以太网网络互联；并对外提供WEB浏览器，管理员可以通过任何一台在线的PC机，通过WEB浏览器远程登陆完成网络的配置、管理以及对在网设备的监测、监控、诊断、维护和升级，并借助计算机网络技术，最终实现对设备的维修和故障排除。

一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统，其特征在于：包括物联网接入模块和网络模块两部分，其中：

物联网接入模块采用独立的兼容IEEE 802.15.4协议的物理层射频芯片，一端与各物联网设备为外部设备无线连接，完成数据交互，其另一端与网络模块互连接，该网络模块采用独立的物理层网卡，提供三种接口有：RJ-45接口、RS-232接口经调制解调器和USB接口经无线网卡分别接以太网，所述网络模块负责数据的协议转换，将接收到的物联网中的数据经其输出到远程的以太网。

所述物联网接入模块还包括：与物理层射频芯片连接的外围驱动电路，所述射频芯片采用TI公司生产的CC2420。

所述网络模块还包括：

MCU采用AT91RM9200芯片或32位ARM MCU；

动态数据存储器SDRAM，采用大于8MB的SDRAM，用来存储MCU运行的控制程序，还存储所述物联网接入模块接收到的数据；

非易失性数据存储器NVRAM，采用大于1MB的NVRAM，主要存放为网络模块与物联网接入模块设定的参数信息；

程序存储器FLASH，采用大于4MB的FLASH，用来存放操作系统内核程序、网络协议TCP/IP和各功能控制程序，

时钟，为所述网络模块提供时间信息；

所述独立的物理层网卡采用KS8721BL芯片，其引脚TX+、TX-、RX+、RX-接MUC的对应端；所述各存储器和时钟分别接MUC对应端。

一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统的实现方法，其特征在于包括如下步骤：

建立射频数据收发模块，为整个系统提供与物联网进行数据交换的接口；

建立软件网络模块包括自行裁剪的TCP/IP网络协议栈和管理模块，由射频数据收发模块采集物联网设备的数据，经该网络协议栈模块，将物联网中的数据转换成符合在以太网上传送的TCP/IP数据包，同时又将以太网上的数据转换成符合WIA协议的数据；

管理模块为整个系统提供网络管理和设备管理的控制信息并对其控制，用户使用标准的浏览器就可以访问物联网中各设备的实时/历史数据及查询设备的报警信息，同时通过该模块采用嵌入式WEB服务器方式与用户进行交互。

该方法实现的具体步骤如下：

A步骤：

利用射频数据收发模块，接收来自物联网设备的数据；

将接收到的数据传入软件网络模块；

软件网络模块依据WIA标准将接收到的数据进行解包处理；

对解包处理后的数据进行判断，是否需要存储，若不存储，将该数据转换为符合TCP/IP协议的数据，即IP数据包；

将IP数据包通过RJ-45接口、RS-232接口或USB接口发送到以太网；

B步骤：

当接收到来自以太网的数据，将接收到的数据传入软件网络模块；

软件网络模块依据TCP/IP协议将接收到的数据进行解包处理；

对解包处理后的数据进行判断，是否为管理信息，若是管理信息，依据得到的管理信息调用管理模块对设备进行配置控制或对网络进行管理，将经其处理后，获得新的配置控制信息或管理信息，然后则接续执行将解包处理后的数据或处理后的配置控制信息或管理信息转换成符合WIA标准的数据包步骤，利用射频数据收发模块将转换后数据包发送给物联网设备。

射频数据收发模块采用中断方式接收数据，其实现步骤如下：

进入中断入口，MCU开始接收数据；

接完数据后，首先对数据的有效性进行判断，若有效，将数据存储非易失性数据存储器NVRAM中，然后将该数据发送给软件网络模块，最后中断返回。

A步骤中的解包处理过程：

数据首先传入MAC层，经过校验、解包处理，得到数据链路层帧；

数据链路层帧经过数据链路层处理后，将有效的网络层数据包传给网络层；

网络层根据网络数据包中的源地址对应得到源设备，即物联网设备；判断源设备是否有效，若有效，解包后将数据传给应用层；

应用层根据包头判断工业现场设备数据类型包括温度、湿度、压力或流量；解包后得到所需的源设备数据。

B步骤中调用管理模块对设备或网络进行管理，其包括处理步骤如下：

采用嵌入式WEB服务器方式与用户进行交互；

接收用户登陆信息；

验证权限是否成功，如是成功，则判断是否进行网络管理，如选择否，继续判断是否对设备进行配制，如果是，则调用管理模块配置程序，对该设备进行访问权限配置、IP地址配置、信道配置，使该设备按新配置参数进行工作；如选择结束，返回接续执行将获的管理信息转换为符合WIA标准的数据程序步骤。

如选择进行网络管理，则调用管理模块管理程序为物联网的网络设备分配通信资源，控制物联网设备加入或离开网络的操作，同时对该设备还可进行停机、重启控制。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

1.本发明具有使用的灵活性。本发明对外接口齐全，提供RS-232、RJ-45，同时物联网接入模块兼容IEEE 802.15.4，除上述WIA协议外，用户还可根据需要扩展成ZIGBEE、WirelessHart、SP100等多种现有无线通信协议，或进行二次开发。

2.可靠性高，实时性好。本发明基于WIA协议，可靠性可达到99％以上，由于采用抢占式的实时操作系统，端到端的数据传输延时小于30ms。

3.具有良好的可移动性。由于采用网络技术，用户可以在任何地点通过以太网网络，浏览该设备的状态，并发出控制命令。

4.本系统为嵌入式设备，可以代替传统的PC机。另外，外围资源丰富，如程序存储器4M，可扩展至8M，数据存储器8M，可扩展到32M，40个通用输入/输出端口GPIO，1个RS-232接口，1个RS-485接口，1个网络接口，32K非易失性数据存储器NVRAM，可扩展到256K，PCF8563时钟一片，串行EEPROM可连接256K。

5.应用广泛。该系统可以通过简单的移植应用于其它工业网络管理设备；也可以应用于机械制造、石油、化工、石化、制药、冶金、采矿、电力、食品加工、能源、消防等行业的自动化控制领域。

由于本发明有以上特点，使其从安装到正常运行及其检修、维护，都体现出它的优越性。其效果：

1.节省硬件数量与投资。由于内嵌网络协议栈与WEB服务器，因此不依赖于PC机

2.节省安装费用。由于采用多种接口方式连入以太网，使本发明的连接变得大为简化，减少了设计、安装的工作量，节省了投资，同时适应多环境。

3.节省维护开销。由于用户可以远程查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间；同时由于系统结构简化，减少连线和维护工作量。

4.提高了系统的准确性与可靠性。由于本发明采用WIA无线协议，同时由于系统的结构简化和网络技术的使用，设备间连线减少，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

5.易于管理、监控。由于本发明采用以太网，现场数据可以无障碍的直接传送到管理层，便于企业管理人员检索数据，监控设备运行状况。

附图说明

图1是本发明的硬件结构框图。

图2是本发明整体结构原理框图。

图3是物联网接入模块电路原理图。

图4是硬件网络模块原理图。

图5-1是本发明接收来自物联网设备数据流程框图。

图5-2是本发明接收来自以太网数据流程框图。

图6-1是射频数据收发模块程序流程图。

图6-2是射频数据收发模块中断程序流程图。

图7是管理模块程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方案作进一步详细说明。

如图1所示，是本发明的硬件结构框图。一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统，其特征在于：包括物联网接入模块和网络模块两部分，其中，物联网接入模块采用独立的兼容IEEE 802.15.4协议的物理层射频芯片U1，一端与各物联网设备为外部设备无线连接，完成数据交互，其另一端与网络模块互连接，该网络模块采用独立的物理层网卡U2，提供三种接口有：RJ-45接口、RS-232接口经调制解调器和USB接口经无线网卡分别接以太网，所述网络模块负责数据的协议转换，将接收到的物联网中的数据经其输出到远程的以太网。

所述网络模块还包括：

单片机MCU采用AT91RM9200芯片或32位ARM MCU；

动态数据存储器SDRAM，采用大于8MB的SDRAM，用来存储MCU运行的控制程序，还存储所述物联网接入模块接收到的数据；

非易失性数据存储器NVRAM，采用大于1MB的NVRAM，主要存放为网络模块与物联网接还入模块设定的信息参数；

程序存储器FLASH，采用大于4MB的FLASH，用来存放操作系统内核程序、网络协议TCP/IP和各功能控制程序，

时钟，为所述网络模块提供时间信息；

所述独立的物理层网卡U2的引脚TX+、TX-、RX+、RX-引脚接MUC的对应端，所述各存储器和时钟分别接MUC对应端。

如图2、3所示，图2为本发明整体电路框图，图3物联网接入模块原理图。该模块采用TI公司生产的CC2420射频芯片U1，兼容IEEE 802.15.4标准，操作简单，可靠性。

如图4所示，为硬件网络模块电路原理图，物理层网卡芯片U2选择KS8721BL，它是10BASE-T，100BASE-TX，100BASE-FX物理层，完全兼容IEEE802.3u，采用低功耗的CMOS设计。单片机MCU芯片选择ATMEL公司的AT91RM9200，该单片机是32位机，RISC结构，集成有10/100BaseT以太网介质访问控制器MAC、10MB ENDEC接口、10通道DMA控制器、2个独立的串行口、总线接口、定时器、通用I/O等等。

一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统的实现方法，包括如下处理步骤：

建立射频数据收发模块，为整个系统提供与物联网进行数据交换的接口；

建立软件网络模块包括自行裁剪的TCP/IP网络协议栈和管理模块，由射频数据收发模块采集物联网设备的数据，经该网络协议栈模块，将物联网中的数据转换成符合在以太网上传送的TCP/IP数据包，同时又将以太网上的数据转换成符合WIA协议的数据；

管理模块为整个系统提供网络管理和设备管理的控制信息并对其控制，用户使用标准的浏览器就可以访问物联网中各设备的实时/历史数据及查询设备的报警信息，同时通过该模块采用嵌入式WEB服务器方式与用户进行交互。

如图5-1所示，本发明接收来自物联网设备数据流程框图。本发明方法实现的具体步骤如下：A步骤：

利用射频数据收发模块，接收来自物联网设备的数据；

将接收到的数据传入软件网络模块；

软件网络模块依据WIA标准将接收到的数据进行解包处理；

对解包处理后的数据进行判断，是否需要存储，若不存储，将解包处理后的数据转换为符合TCP/IP协议的数据，即IP数据包；将IP数据包通过RJ-45接口、RS-232接口或USB接口发送到以太网；

如是需要存储，则将解包处理后数据存储到NVRAM中，然后再接续执行将解包处理后的数据转换为符合TCP/IP协议的数据步骤；

如图5-2所示，是本发明接收来自以太网数据流程框图。

B步骤：

当接收到来自以太网的数据，将接收到的数据传入软件网络模块；

软件网络模块依据TCP/IP协议将接收到的数据进行解包处理；

对解包处理后的数据进行判断，是否为管理信息，若不是，则将该数据转换成符合WIA标准的数据包；利用射频数据收发模块将数据包发送给各物联网设备。

若是管理信息，则调用管理模块程序对设备或网络进行处理，将处理后管理信息接续执行数据或管理信息转换步骤。

A步骤中的解包处理过程：

数据首先传入MAC层，经过校验、解包处理，得到数据链路层帧；

数据链路层帧经过数据链路层处理后，将有效的网络层数据包传给网络层；

网络层根据网络数据包中的源地址对应得到源设备，即物联网设备；判断源设备是否有效，若有效，解包后将数据传给应用层；

应用层根据包头判断工业现场设备数据类型包括温度、湿度、压力或流量；解包后得到所需的源设备数据。

B步骤中的WIA数据转换过程：

数据首先传入应用层，应用层根据数据的类型，首先将数据封装成应用层数据包，然后传给网络层；

网络层根据源设备的地址与目的设备的地址封入网络层包头，然后将网络层包传入数据链路层；

数据链路层根据网络层包的类型，判断此包是数据包还是管理信息包，然后根据判断后的结果将包类型封入数据链路层包头，然后将数据链路层帧传入MAC层；

MAC层进行校验计算，将计算的结果封入MAC层帧头，最后得到符合WIA协议的数据。

开发环境及选用的软件开发包括如下：

Green HillsMulti 2000 IDE；

建立射频数据收发模块，选用Nuclues抢占式实时操作系统，构建自行裁剪的TCP/IP网络协议栈和管理模块包括管理程序和参数配置程序，采用嵌入式WEB服务器方式与用户进行交互；其中，TCP/IP协议栈、WEB服务器与管理模块构成软件网络模块。

如图6-1所示，是射频数据收发模块软件流程图。B步骤中的调用射频数据收发模块，其数据发送包括处理步骤如下：

系统上电后，首先对MCU进行初始化，初始化过程主要包括：MCU首先从非易失性存储器中读出配置参数，配置RF射频芯片的地址、信道、工作模式；

完成初始化后，此模块处于查询等待状态，实时查询是否有数据要传入物联网中，如果有，则将数据按物联网协议输出，再返回查询步骤；若无数据，则继续等待。

如图6-2所示，是射频数据收发模块的中断服务流程图。本发明采用中断方式接收数据，可以提高单片机效率，并能提高实时性与可靠性。

当有中断到来时，MCU开始接收数据；接完数据后，首先对数据的有效性就行判断，如无效，则直接丢弃；若有效，则直接发给软件网络模块，然后中断返回。

B步骤中调用管理模块对设备或网络进行管理，其包括处理步骤如下：

采用嵌入式WEB服务器方式与用户进行交互；

接收用户登陆信息；

验证权限是否成功，如是成功，则判断是否进行网络管理，如选择否，继续判断是否对设备进行配制，如果是，则调用管理模块配置程序，对该设备进行访问权限配置、IP地址配置、信道配置，使该设备按新配置参数进行工作；如选择结束，返回接续执行将获的管理信息转换为符合WIA标准的数据程序步骤。

如选择进行网络管理，则调用管理模块管理程序为物联网的网络设备分配通信资源，控制物联网设备加入或离开网络的操作，同时对该设备还可进行停机、重启控制。

访问权限配置包括：

普通用户权限：通WEB服务器提供的网页可以显示及查询全部信息；

管理员权限：通WEB服务器提供的网页可以显示及查询全部信息，同时还可以根据需要对本系统的系统参数进行更改配置；

系统管理员权限：通WEB服务器提供的网页可以显示及查询全部信息，可以根据需要对本系统的系统参数进行更改配置，同时还可以根据需要对本系统进行操作控制。

如图7所示，为管理模块软件流程图。当用户从网页进入管理页面后，首先要求用户进行登陆，单片机此时接收用户输入的信息，然后在非易失存储器的数据库中搜索用户登陆信息进行验证，如果不成功，则直接返回登陆界面重新登陆；如验证成功后，选择是否进行网络管理，如果是，调用管理模块的管理程序处理；如果不进行网络管理，则选择是否进行配置，如果选择是，调用配置程序进行以太网、设备参数的配置处理，程序结束返回执行程序步骤。

Claims (9)

1.一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统，其特征在于：包括物联网接入模块和网络模块两部分，其中：

物联网接入模块采用独立的兼容IEEE 802.15.4协议的物理层射频芯片(U1)，一端与各物联网设备为外部设备无线连接，完成数据交互，其另一端与网络模块互连接，该网络模块采用独立的物理层网卡(U2)，提供三种接口有：RJ-45接口、RS-232接口经调制解调器和USB接口经无线网卡分别接以太网，所述网络模块负责数据的协议转换，将接收到的物联网中的数据经其输出到远程的以太网。

2.按照权利要求1所述一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统，其特征在于：所述物联网接入模块还包括：与物理层射频芯片(U1)连接的外围驱动电路，所述射频芯片(U1)采用TI公司生产的CC2420。

3.按照权利要求1所述一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统，其特征在于：所述网络模块还包括：

MCU采用AT91RM9200芯片或32位ARM MCU；

动态数据存储器SDRAM，采用大于8MB的SDRAM，用来存储MCU运行的控制程序，还存储所述物联网接入模块接收到的数据；

非易失性数据存储器NVRAM，采用大于1MB的NVRAM，主要存放为网络模块与物联网接入模块设定的参数信息；

程序存储器FLASH，采用大于4MB的FLASH，用来存放操作系统内核程序、网络协议TCP/IP和各功能控制程序，

时钟，为所述网络模块提供时间信息；

所述独立的物理层网卡(U2)采用KS8721BL芯片，其引脚(TX+、TX-、RX+、RX-)接MUC的对应端；所述各存储器和时钟分别接MUC对应端。

4.利用权利要求1所述一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统的实现方法，其特征在于包括如下步骤：

建立射频数据收发模块，为整个系统提供与物联网进行数据交换的接口；

建立软件网络模块包括自行裁剪的TCP/IP网络协议栈和管理模块，由射频数据收发模块采集物联网设备的数据，经该网络协议栈模块，将物联网中的数据转换成符合在以太网上传送的TCP/IP数据包，同时又将以太网上的数据转换成符合WIA协议的数据；

管理模块为整个系统提供网络管理和设备管理的控制信息并对其控制，用户使用标准的浏览器就可以访问物联网中各设备的实时/历史数据及查询设备的报警信息，同时通过该模块采用嵌入式WEB服务器方式与用户进行交互。

5.按权利要求4所述一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统的实现方法，其特征在于该方法实现的具体步骤如下：

A步骤：

利用射频数据收发模块，接收来自物联网设备的数据；

将接收到的数据传入软件网络模块；

软件网络模块依据WIA标准将接收到的数据进行解包处理；

对解包处理后的数据进行判断，是否需要存储，若不存储，将该数据转换为符合TCP/IP协议的数据，即IP数据包；

将IP数据包通过RJ-45接口、RS-232接口或USB接口发送到以太网；

B步骤：

当接收到来自以太网的数据，将接收到的数据传入软件网络模块；

软件网络模块依据TCP/IP协议将接收到的数据进行解包处理；

对解包处理后的数据进行判断，是否为管理信息，若是管理信息，依据得到的管理信息调用管理模块对设备进行配置控制或对网络进行管理，将经其处理后，获得新的配置控制信息或管理信息，然后则接续执行将解包处理后的数据或处理后的配置控制信息或管理信息转换成符合WIA标准的数据包步骤，利用射频数据收发模块将转换后数据包发送给物联网设备。

6.按照权利要求5所述一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统的实现方法，其特征在于射频数据收发模块采用中断方式接收数据，其实现步骤如下：

进入中断入口，MCU开始接收数据；

接完数据后，首先对数据的有效性进行判断，若有效，将数据存储非易失性数据存储器NVRAM中，然后将该数据发送给软件网络模块，最后中断返回。

7.按照权利要求5所述一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统的实现方法，其特征在于A步骤中的解包处理过程：

数据首先传入MAC层，经过校验、解包处理，得到数据链路层帧；

数据链路层帧经过数据链路层处理后，将有效的网络层数据包传给网络层；

网络层根据网络数据包中的源地址对应得到源设备，即物联网设备；判断源设备是否有效，若有效，解包后将数据传给应用层；

应用层根据包头判断工业现场设备数据类型包括温度、湿度、压力或流量；解包后得到所需的源设备数据。

8.按照权利要求4或5所述一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统的实现方法，其特征在于B步骤中调用管理模块对设备或网络进行管理，其包括处理步骤如下：

采用嵌入式WEB服务器方式与用户进行交互；

接收用户登陆信息；

验证权限是否成功，如是成功，则判断是否进行网络管理，如选择否，继续判断是否对设备进行配制，如果是，则调用管理模块配置程序，对该设备进行访问权限配置、IP地址配置、信道配置，使该设备按新配置参数进行工作；如选择结束，返回接续执行将获的管理信息转换为符合WIA标准的数据程序步骤。

9.按照权利要求8所述一种用于工业物联网与以太网互联的管理系统的实现方法，其特征在于如选择进行网络管理，则调用管理模块管理程序为物联网的网络设备分配通信资源，控制物联网设备加入或离开网络的操作，同时对该设备还可进行停机、重启控制。

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