CN105046922A - 一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，其特征在于，包括微处理器、无线采集模块、存储模块、隔离模块和通讯模块；所述微处理器的采集端连接所述无线采集模块，其通讯端通过通讯模块连接服务器端中间件，所述微处理器的控制端通过所述隔离模块与PLC相连，其存储端通过SPI接口连接所述存储模块；所述微处理器含有：信息分配写入装置，子任务创建装置，感知数据采集处理传输装置，中间件端PLC控制指令监听装置，PLC反馈状态上传装置。该装置可以在农业领域中进行环境变量的全面感知、所遇问题的科学决策和相关设备的精准控制，并最终实现三位一体的应用模式。

Description

一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种汇聚传输装置及其方法，尤其是一种用于农业信息化感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，属于农业信息化技术领域。

背景技术

据申请人了解，随着信息科学技术不断发展以及在农业领域的广泛应用，农业信息化在现代农业发展进程中的作用日益凸显，已经成为融入农业产业中最活跃的生产力要素，现代农业发展迫切需要信息技术武装，农业发展方式转变也需要应用信息技术来做有力支撑。然而，由于农业信息化应用不断深入，迫切需要发展农业领域中全面感知、科学决策、精准控制三位一体应用模式，进而形成知识库加推理机模式的现代农业专家系统，最终实现智慧农业，来促进现代农业可持续发展。现有技术尚未全面涉及现代农业三位一体应用模式，如专利“一种农田作物生长信息网络化采集系统及其构建方法”（CN103024939A）和“用于温室环境信息远程监测的无线传感器网络汇聚节点”（CN203675334U）利用无线传感网络将感知层数据进行汇聚传输；而有的在ZigBee网络中进行感知数据和控制指令的汇聚传输，如专利“一种葡萄园智控装置”（CN203520151U），上述方法及设备均未全面涉及农业三位一体应用模式。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，可以在农业领域中进行环境变量的全面感知、所遇问题的科学决策和相关设备的精准控制，并最终实现三位一体的应用模式。

为了达到以上目的，本发明的一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置，包括微处理器、无线采集模块、存储模块、隔离模块和通讯模块；微处理器的采集端连接无线采集模块，其通讯端通过通讯模块连接服务器端中间件，微处理器的控制端通过隔离模块与PLC相连，其存储端通过SPI接口连接存储模块；微处理器含有：

信息分配写入装置，用以对无线采集模块的各集成传感器进行ZigBee地址分配，并写入连接的服务器端中间件的IP和端口号、连接的PLC的数量和相应的modbus地址；

子任务创建装置，用以对汇聚传输装置进行初始化并创建子任务，子任务包括：感知数据采集处理传输子任务、中间件端PLC控制指令监听子任务和PLC反馈状态上传子任务；

感知数据采集处理传输装置，用以通过信息写入分配装置中分配的ZigBee网络以采集各集成传感器获取的的感知数据，再通过通讯模块以16进制格式将采集的感知数据上传至服务器端中间件，最后，将感知数据与存储设备中设定好的阀值进行对比，若超出阀值范围，则发送控制指令至PLC控制机启动相关电机，若没有超出阀值范围，则保持与PLC相连设备的现有情况；

中间件端PLC控制指令监听装置，用以建立微处理器与服务器端中间件之间指定IP和端口连接，且每隔一分钟发送心跳包数据以维持连接，当服务器端中间件发送十六进制控制指令时，对十六进制控制命令进行解析，若指令正确则将该指令转换成modbus-rtu协议下的指令格式，发送到相应modbus地址下的PLC控制机以执行相关线圈的开关操作；

PLC反馈状态上传装置，用以在每隔30秒，利用modbus-rtu协议下的0x10指令获取PLC实时状态反馈量，并将状态反馈量转换为微处理器和服务器中间件的十六进制通信协议格式。

本发明的优选方案是：无线采集模块通过串口连接微处理器的采集端，并通过ZigBee网络采集感知数据和数据传输，用以采集感知数据。

优选地，隔离模块采用485/232隔离模块，485/232隔离模块通过485总线接口和485-232转换接口分别与PLC控制模块相连，用以将微处理器处理的数据发送至PLC控制模块，并将PLC控制模块的指令执行反馈信息和工作状态信息传输至微处理器上。

优选地，存储模块包括大容量存储器和外部总线读写存储器，大容量存储器用以感知数据、阀值和用户配置数据的存储，外部总线读写存储器用以协议转换关系和相关算法的存储。

优选地，通讯模块包括GPRS-DTU通讯模块和以太网通讯模块，GPRS-DTU模块和以太网通讯模块分别与微处理器相连；

GPRS-DTU通讯模块用以建立汇聚终端和服务器端的无线网络连接，实现基于TCP/IP协议下感知数据和控制信息的汇聚传输处理，可以使用3G-DTU/4G-DTU模块进行无缝替换；

以太网通讯模块用以建立汇聚终端和服务器端的有线网络连接，同理实现基于TCP/IP协议下感知数据和控制信息的汇聚传输处理。

优选地，微处理器上连接USB串口模块，USB串口模块用以处理器程序下载、系统时间的设定、工作状态信息打印。

优选地，微处理器的显示端连接状态指示灯模块，状态指示灯模块包括电源指示灯、系统运行指示灯、数据接收指示灯和数据发送指示灯。

优选地，微处理器采用STM32F103RFT6，无线采集模块的射频收发芯片采用AT86RF212B。

一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置的汇聚传输方法，在微处理器、无线采集模块、存储模块、隔离模块和通讯模块构成的装置中；微处理器的采集端连接无线采集模块，其通讯端通过通讯模块连接服务器端中间件，微处理器的控制端通过隔离模块与PLC相连，其存储端通过SPI接口连接存储模块；微处理器运行如下步骤：

信息分配写入步骤，用以对无线采集模块的各集成传感器进行ZigBee地址分配，并写入连接的服务器端中间件的IP和端口号、连接的PLC的数量和相应的modbus地址；

子任务创建步骤，用以对汇聚传输装置进行初始化并创建子任务，子任务包括：感知数据采集处理传输子任务、中间件端PLC控制指令监听子任务和PLC反馈状态上传子任务；

感知数据采集处理传输步骤，用以通过信息写入分配装置中分配的ZigBee网络以采集各集成传感器获取的的感知数据，再通过通讯模块以16进制格式将采集的感知数据上传至服务器端中间件，最后，将感知数据与存储设备中设定好的阀值进行对比，若超出阀值范围，则发送控制指令至PLC控制机启动相关电机，若没有超出阀值范围，则保持与PLC相连设备的现有情况；

中间件端PLC控制指令监听步骤，用以建立微处理器与服务器端中间件之间指定IP和端口连接，且每隔一分钟发送心跳包数据以维持连接，当服务器端中间件发送十六进制控制指令时，对十六进制控制命令进行解析，若指令正确则将该指令转换成modbus-rtu协议下的指令格式，发送到相应modbus地址下的PLC控制机以执行相关线圈的开关操作；

PLC反馈状态上传步骤，用以在每隔30秒，利用modbus-rtu协议下的0x10指令获取PLC实时状态反馈量，并将状态反馈量转换为微处理器和服务器中间件的十六进制通信协议格式。

本发明有益效果为：该汇聚终端可以通过无线传感网实现农业环境变量的全面感知，也可以根据采集数据信息和阈值信息的比较分析，来实现远端科学决策、智能控制。并且，该装置支持有线/无线两种通信传输方式，可将处理后感知数据和控制信息发送至服务器端中间件。同时，该装置可以将农业环境下各无线集成传感器组网并采集感知数据上传，能在现地端和用户端进行智能控制，从而形成全面感知、科学决策、精准控制三位一体农业物联网应用模式。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的系统结果框图。

图2为本发明方法的工作流程示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置，包括微处理器、无线采集模块、存储模块、隔离模块和通讯模块；微处理器的采集端连接无线采集模块，其通讯端通过通讯模块连接服务器端中间件，微处理器的控制端通过隔离模块与PLC相连，其存储端通过SPI接口连接存储模块；微处理器含有：

信息分配写入装置，用以对无线采集模块的各集成传感器进行ZigBee地址分配，并写入连接的服务器端中间件的IP和端口号、连接的PLC的数量和相应的modbus地址；

子任务创建装置，用以对汇聚传输装置进行初始化并创建子任务，子任务包括：感知数据采集处理传输子任务、中间件端PLC控制指令监听子任务和PLC反馈状态上传子任务；

感知数据采集处理传输装置，用以通过信息写入分配装置中分配的ZigBee网络以采集各集成传感器获取的的感知数据，再通过通讯模块以16进制格式将采集的感知数据上传至服务器端中间件，最后，将感知数据与存储设备中设定好的阀值进行对比，若超出阀值范围，则发送控制指令至PLC控制机启动相关电机，若没有超出阀值范围，则保持与PLC相连设备的现有情况；

中间件端PLC控制指令监听装置，用以建立微处理器与服务器端中间件之间指定IP和端口连接，且每隔一分钟发送心跳包数据以维持连接，当服务器端中间件发送十六进制控制指令时，对十六进制控制命令进行解析，若指令正确则将该指令转换成modbus-rtu协议下的指令格式，发送到相应modbus地址下的PLC控制机以执行相关线圈的开关操作；

PLC反馈状态上传装置，用以在每隔30秒，利用modbus-rtu协议下的0x10指令获取PLC实时状态反馈量，并将状态反馈量转换为微处理器和服务器中间件的十六进制通信协议格式。

无线采集模块通过串口连接微处理器的采集端，并通过ZigBee网络采集感知数据和数据传输，用以采集感知数据。

隔离模块采用485/232隔离模块，485/232隔离模块通过485总线接口和485-232转换接口分别与PLC控制模块相连，a.配置GPRS/3G/4G-DTU模块的数据传输方式为透传方式，建立和服务器中间件无线连接；b.将汇聚终端的以太网接口连接至交换机，建立和服务器中间件的有线连接。a，b步骤至少2选1。用以将微处理器处理的数据发送至PLC控制模块，并将PLC控制模块的指令执行反馈信息和工作状态信息传输至微处理器上。

存储模块包括大容量存储器和外部总线读写存储器，大容量存储器用以感知数据、阀值和用户配置数据的存储，外部总线读写存储器用以协议转换关系和相关算法的存储。

通讯模块包括GPRS-DTU通讯模块和以太网通讯模块，GPRS-DTU模块和以太网通讯模块分别与微处理器相连；

GPRS-DTU通讯模块用以建立汇聚终端和服务器端的无线网络连接，实现基于TCP/IP协议下感知数据和控制信息的汇聚传输处理，可以使用3G-DTU/4G-DTU模块进行无缝替换；

以太网通讯模块用以建立汇聚终端和服务器端的有线网络连接，同理实现基于TCP/IP协议下感知数据和控制信息的汇聚传输处理。

微处理器上连接USB串口模块，USB串口模块用以处理器程序下载、系统时间的设定、工作状态信息打印,系统时间设定完成后，系统将在每天00时00分00秒进行维护，随后进行重启，且系统时间只需设定一次。

微处理器的显示端连接状态指示灯模块，状态指示灯模块包括电源指示灯、系统运行指示灯、数据接收指示灯和数据发送指示灯。

微处理器采用STM32F103RFT6，无线采集模块的射频收发芯片采用AT86RF212B。

汇聚终端和服务器端中间件的通信协议格式如下：

一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置的汇聚传输方法，在微处理器、无线采集模块、存储模块、隔离模块和通讯模块构成的装置中；微处理器的采集端连接无线采集模块，其通讯端通过通讯模块连接服务器端中间件，微处理器的控制端通过隔离模块与PLC相连，其存储端通过SPI接口连接存储模块；微处理器运行如下步骤：

信息分配写入步骤，用以对无线采集模块的各集成传感器进行ZigBee地址分配，并写入连接的服务器端中间件的IP和端口号、连接的PLC的数量和相应的modbus地址；

子任务创建步骤，用以对汇聚传输装置进行初始化并创建子任务，子任务包括：感知数据采集处理传输子任务、中间件端PLC控制指令监听子任务和PLC反馈状态上传子任务；

感知数据采集处理传输步骤，用以通过信息写入分配装置中分配的ZigBee网络以采集各集成传感器获取的的感知数据，再通过通讯模块以16进制格式将采集的感知数据上传至服务器端中间件，本实施例中上传数据为：CCFF00D886250100010000018625020001000127021400020002140806DD000200020002000200FF019241FFCC，最后，将感知数据与存储设备中设定好的阀值进行对比，若超出阀值范围，则发送控制指令至PLC控制机启动相关电机，若没有超出阀值范围，则保持与PLC相连设备的现有情况；

中间件端PLC控制指令监听步骤，用以建立微处理器与服务器端中间件之间指定IP和端口连接，且每隔一分钟发送心跳包数据以维持连接，当服务器端中间件发送十六进制控制指令时，对十六进制控制命令进行解析，若指令正确则将该指令转换成modbus-rtu协议下的指令格式，发送到相应modbus地址下的PLC控制机以执行相关线圈的开关操作，微处理器接收到控制指令为：FFCC000186250100010000010100000000000005300101EDCCFF，其中862501000100000101为汇聚终端地址，0100000000000005中首字节为PLC控制机地址，末字节为所要控制线圈的编号，其中线圈起始地址为2001，则所要执行线圈地址为2006，消息内容为01，对应的操作就是将地址为862501000100000101汇聚终端下modbus地址为01的PLC控制机输出地址为2086线圈执行闭合操作，若PLC执行正确，则响应：CCFF07958625010001000001010000000000000504010130FFCC；

PLC反馈状态上传步骤，用以在每隔30秒，利用modbus-rtu协议下的0x10指令获取PLC实时状态反馈量，并将状态反馈量转换为微处理器和服务器中间件的十六进制通信协议格式，中间件接收到指令内容为：CCFF0001862501000100000001000000000000EE050300001259FFCC，设定PLC的状态反馈量为连续线圈，假设起始地址为2081，则表示反馈量内容为000012，对应位为1，表示线圈闭合，为0，则线圈断开。

该汇聚终端可以通过无线传感网实现农业环境变量的全面感知，也可以根据采集数据信息和阈值信息的比较分析，来实现远端科学决策、智能控制。并且，该装置支持有线/无线两种通信传输方式，可将处理后感知数据和控制信息发送至服务器端中间件。同时，该装置可以将农业环境下各无线集成传感器组网并采集感知数据上传，能在现地端和用户端进行智能控制，从而形成全面感知、科学决策、精准控制三位一体农业物联网应用模式。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置，其特征在于，包括微处理器、无线采集模块、存储模块、隔离模块和通讯模块；所述微处理器的采集端连接所述无线采集模块，其通讯端通过通讯模块连接服务器端中间件，所述微处理器的控制端通过所述隔离模块与PLC相连，其存储端通过SPI接口连接所述存储模块；所述微处理器含有：

信息分配写入装置，用以对无线采集模块的各集成传感器进行ZigBee地址分配，并写入连接的服务器端中间件的IP和端口号、连接的PLC的数量和相应的modbus地址；

子任务创建装置，用以对汇聚传输装置进行初始化并创建子任务，子任务包括：感知数据采集处理传输子任务、中间件端PLC控制指令监听子任务和PLC反馈状态上传子任务；

感知数据采集处理传输装置，用以通过信息写入分配装置中分配的ZigBee网络以采集各集成传感器获取的的感知数据，再通过通讯模块以16进制格式将采集的感知数据上传至服务器端中间件，最后，将感知数据与存储设备中设定好的阀值进行对比，若超出阀值范围，则发送控制指令至PLC控制机启动相关电机，若没有超出阀值范围，则保持与PLC相连设备的现有情况；

中间件端PLC控制指令监听装置，用以建立微处理器与服务器端中间件之间指定IP和端口连接，且每隔一分钟发送心跳包数据以维持连接，当服务器端中间件发送十六进制控制指令时，对十六进制控制命令进行解析，若指令正确则将该指令转换成modbus-rtu协议下的指令格式，发送到相应modbus地址下的PLC控制机以执行相关线圈的开关操作；

PLC反馈状态上传装置，用以在每隔30秒，利用modbus-rtu协议下的0x10指令获取PLC实时状态反馈量，并将状态反馈量转换为微处理器和服务器中间件的十六进制通信协议格式。

2.根据权利要求1所述的一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，其特征在于，所述无线采集模块通过串口连接所述微处理器的采集端，并通过ZigBee网络采集感知数据和数据传输，用以采集感知数据。

3.根据权利要求1所述的一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，其特征在于，所述隔离模块采用485/232隔离模块，所述485/232隔离模块通过485总线接口和485-232转换接口分别与PLC控制模块相连，用以将所述微处理器处理的数据发送至所述PLC控制模块，并将PLC控制模块的指令执行反馈信息和工作状态信息传输至所述微处理器上。

4.根据权利要求1所述的一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，其特征在于，所述存储模块包括大容量存储器和外部总线读写存储器，所述大容量存储器用以感知数据、阀值和用户配置数据的存储，所述外部总线读写存储器用以协议转换关系和相关算法的存储。

5.根据权利要求1所述的一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，其特征在于，所述通讯模块包括GPRS-DTU通讯模块和以太网通讯模块，所述GPRS-DTU模块和所述以太网通讯模块分别与所述微处理器相连；

所述GPRS-DTU通讯模块用以建立汇聚终端和服务器端的无线网络连接，实现基于TCP/IP协议下感知数据和控制信息的汇聚传输处理，可以使用3G-DTU/4G-DTU模块进行无缝替换；

所述以太网通讯模块用以建立汇聚终端和服务器端的有线网络连接，同理实现基于TCP/IP协议下感知数据和控制信息的汇聚传输处理。

6.根据权利要求1所述的一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，其特征在于，所述微处理器上连接USB串口模块，所述USB串口模块用以处理器程序下载、系统时间的设定、工作状态信息打印。

7.根据权利要求1所述的一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，其特征在于，所述微处理器的显示端连接状态指示灯模块，所述状态指示灯模块包括电源指示灯、系统运行指示灯、数据接收指示灯和数据发送指示灯。

8.根据权利要求1所述的一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置及其方法，其特征在于，所述微处理器采用STM32F103RFT6，所述无线采集模块的射频收发芯片采用AT86RF212B。

9.根据权利要求1所述一种感知数据和控制信息的汇聚传输装置的汇聚传输方法，其特征在于，在微处理器、无线采集模块、存储模块、隔离模块和通讯模块构成的装置中；所述微处理器的采集端连接所述无线采集模块，其通讯端通过通讯模块连接服务器端中间件，所述微处理器的控制端通过所述隔离模块与PLC相连，其存储端通过SPI接口连接所述存储模块；所述微处理器运行如下步骤：

信息分配写入步骤，用以对无线采集模块的各集成传感器进行ZigBee地址分配，并写入连接的服务器端中间件的IP和端口号、连接的PLC的数量和相应的modbus地址；

子任务创建步骤，用以对汇聚传输装置进行初始化并创建子任务，子任务包括：感知数据采集处理传输子任务、中间件端PLC控制指令监听子任务和PLC反馈状态上传子任务；

感知数据采集处理传输步骤，用以通过信息写入分配装置中分配的ZigBee网络以采集各集成传感器获取的的感知数据，再通过通讯模块以16进制格式将采集的感知数据上传至服务器端中间件，最后，将感知数据与存储设备中设定好的阀值进行对比，若超出阀值范围，则发送控制指令至PLC控制机启动相关电机，若没有超出阀值范围，则保持与PLC相连设备的现有情况；

中间件端PLC控制指令监听步骤，用以建立微处理器与服务器端中间件之间指定IP和端口连接，且每隔一分钟发送心跳包数据以维持连接，当服务器端中间件发送十六进制控制指令时，对十六进制控制命令进行解析，若指令正确则将该指令转换成modbus-rtu协议下的指令格式，发送到相应modbus地址下的PLC控制机以执行相关线圈的开关操作；

PLC反馈状态上传步骤，用以在每隔30秒，利用modbus-rtu协议下的0x10指令获取PLC实时状态反馈量，并将状态反馈量转换为微处理器和服务器中间件的十六进制通信协议格式。