CN106713411A - 一种基于以太网虚拟串口技术和lte无线网的通信装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信装置和方法，其通信装置包括近端无线模块、数据中心主机模块、LTE终端模块及LTE终端模块参数配置模块，其通信方法包括数据中心主机模块接入Internet生成虚拟串口；LTE终端模块接入LTE无线网络；LTE终端模块与数据中心主机模块建立TCP/IP通信连接以及LTE终端模块对接收到的数据包进行解析处理后输出到模块串口。本发明数据中心主机直接访问串口即可实现无线远程访问，使用方便，可靠，本发明依托低时延LTE网络，使得通信时延迟更低，可以满足很多高实时性的应用场景，如通过编程软件对PLC进行无线远程程序升级、参数监控及修改，适用范围更广，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及工业无线通信技术和工业自动化技术领域，具体的说涉及一种基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信装置和方法。
背景技术
在工业应用中，有大量的无线组网需求，包括短距离和广域的无线组网。特别是随着工业4.0的推进和物联网的兴起，这方面的应用更多。Zigbee和Lora技术在工业应用中已经有了非常广泛的应用，针对广域无线通信，目前用的比较多的解决方案是采用GPRS网络，GPRS网络覆盖范围广，对一些数据实时性不高，数据量小的应用场景是一种比较好的解决方法，但是不能满足一些大数据和实时性要求相对高的应用。
随着移动通信技术的发展，LTE网络已经大范围广泛部署，其用户面时延已经缩减到了6.5~20ms，本发明依托低时延的运营商LTE网络和虚拟串口技术，提出了一种使用简便，低时延的广域组网通信解决方案。
发明内容
为了克服现有的技术的不足, 本发明提供一种基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信装置和方法。
本发明技术方案如下所述：
一种基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信装置，其特征在于，包括近端无线模块、数据中心主机模块、LTE终端模块及LTE终端模块参数配置模块；
所述近端无线模块、所述数据中心主机模块、所述LTE终端模块及所述LTE终端模块参数配置模块依次连接，所述近端无线模块与所述LTE终端模块连接，所述LTE终端模块为远程多点分布。
进一步的，所述LTE终端模块通过RS485通信口或RS232通信口或RS422通信口连接无线远程操作监控设备，所述LTE终端模块通过串口或RJ45接口连接所述LTE终端模块参数配置模块，所述LTE终端模块通过天线接入LTE无线网络。
进一步的，所述LTE终端模块包括MCU主控模块、LTE无线模块及flash模块，所述MCU主控模块分别与所述LTE无线模块及flash模块相连，所述MCU主控模块包括MCU中心模块、LTE控制模块及上位机通信模块，所述LTE控制模块通过UART接口或USB接口对所述LTE无线模块连接，所述MCU中心模块通过共享内存方式与所述LTE控制模块交互数据，所述上位机通信模块分别与所述MCU中心模块及所述LTE终端模块参数配置模块连接，所述上位机通信模块通过FSMC接口或SPI接口与所述flash模块连接。
进一步的，所述LTE终端模块参数配置模块的配置参数包括RS485通信口或RS232通信口或RS422通信口串口参数、域名地址、数据中心IP地址、心跳周期及数据中心端控制端号码。
一种基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）数据中心主机模块接入Internet，在数据中心主机模块生成虚拟串口。
2）LTE终端模块接入LTE无线网络，通过参数配置、访问域名或通信方式获取所述数据中心主机模块IP地址和通信端口。
3）LTE终端模块与数据中心主机模块通过客户端服务器模式建立TCP/IP通信连接。
4）LTE终端模块对串口接收到的数据帧按照协议封装成以太网数据包，通过TCP/IP将数据包发送到数据中心主机模块。
5）数据中心主机模块对接收到的数据包进行解析处理后输出到虚拟串口驱动，数据中心主机上的应用软件通过访问本机虚拟串口即可实现对数据帧的读取。
6）通过数据中心主机模块上的应用软件向虚拟串口发送数据帧，数据帧按照协议封装成以太网数据包通过TCP/IP发送到LTE终端模块。
7）LTE终端模块对接收到的数据包进行解析处理后输出到模块串口，即可实现数据中心主机模块上的应用软件向虚拟串口发送的数据帧在远程LTE终端模块串口输出。
进一步的，所述数据中心主机模块包括数据中心主机前台客户端及数据中心主机后台服务，所述LTE终端模块通过所述数据中心主机前台客户端建立TCP/IP连接。
进一步的，所述数据中心主机前台客户端可以生成多个虚拟串口，多个所述虚拟串口与所述LTE终端模块一一相对应，所述数据中心主机前台客户端通过所述虚拟串口对所述LTE终端模块的在线、离线、串口参数、流量、信号质量状态进行监控，并给出报警信息。
进一步的，所述LTE终端模块对模块串口采集到的数据帧进行压缩加密后，按照自定义协议通过所述TCP/IP传输到所述数据中心主机模块，所述数据中心主机后台服务对接收到的数据帧进行解析还原后将数据帧发送到所述虚拟串口。
进一步的，所述LTE终端模块通过所述指定虚拟串口获取数据帧，并将数据帧进行解析还原后输出到所述模块串口。
进一步的，所述数据中心主机模块与所述LTE终端模块间数据传输信道包括业务数据信道、心跳数据信道及管理数据报文信道，所述业务数据信道、所述心跳数据信道及所述管理数据报文信道分时复用信道带宽。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明数据中心主机直接访问串口即可实现无线远程访问，使用方便，可靠，本发明依托低时延LTE网络，使得通信时延迟更低，可以满足很多高实时性的应用场景，如通过编程软件对PLC进行无线远程程序升级、参数监控及修改，适用范围更广，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的具体实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
如图1-2所示，一种基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信装置，其特征在于，包括近端无线模块、数据中心主机模块、LTE终端模块及LTE终端模块参数配置模块；
所述近端无线模块、所述数据中心主机模块、LTE终端模块及所述LTE终端模块参数配置模块依次连接，所述近端无线模块与所述LTE终端模块连接，所述LTE终端模块为远程多点分布。。
所述LTE终端模块通过RS485通信口或RS232通信口或RS422通信口连接无线远程操作监控设备，所述LTE终端模块通过串口或RJ45接口连接所述LTE终端模块参数配置模块，所述LTE终端模块通过天线接入LTE无线网络。
所述LTE终端模块包括MCU主控模块、LTE无线模块及flash模块，所述MCU主控模块分别与所述LTE无线模块及flash模块相连，所述MCU主控模块包括MCU中心模块、LTE控制模块及上位机通信模块，所述LTE控制模块通过UART接口或USB接口对所述LTE无线模块连接，所述MCU中心模块通过共享内存方式与所述LTE控制模块交互数据，所述上位机通信模块分别与所述MCU中心模块及所述LTE终端模块参数配置模块连接，所述上位机通信模块通过FSMC接口或SPI接口与所述flash模块连接。
所述LTE终端模块参数配置模块的配置参数包括RS485通信口或RS232通信口或RS422通信口串口参数、域名地址、数据中心IP地址、心跳周期及数据中心端控制端号码。
一种基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）数据中心主机模块接入Internet，在数据中心主机模块生成虚拟串口。
2）LTE终端模块接入LTE无线网络，通过参数配置、访问域名或通信方式获取所述数据中心主机模块IP地址和通信端口。
3）LTE终端模块与数据中心主机模块通过客户端服务器模式建立TCP/IP通信连接。
4）LTE终端模块对串口接收到的数据帧按照协议封装成以太网数据包，通过TCP/IP将数据包发送到数据中心主机模块。
5）数据中心主机模块对接收到的数据包进行解析处理后输出到虚拟串口驱动，数据中心主机上的应用软件通过访问本机虚拟串口即可实现对数据帧的读取。
6）通过数据中心主机模块上的应用软件向虚拟串口发送数据帧，数据帧按照协议封装成以太网数据包通过TCP/IP发送到LTE终端模块。
7）LTE终端模块对接收到的数据包进行解析处理后输出到模块串口，即可实现数据中心主机模块上的应用软件向虚拟串口发送的数据帧在远程LTE终端模块串口输出。
所述数据中心主机模块包括数据中心主机前台客户端及数据中心主机后台服务，所述LTE终端模块通过所述数据中心主机前台客户端建立TCP/IP连接；所述数据中心主机前台客户端可以生成多个虚拟串口，多个所述虚拟串口与特定的所述LTE终端模块一一相对应，所述数据中心主机前台客户端通过所述虚拟串口对LTE终端模块的在线、离线、串口参数、流量、信号质量状态进行监控，并给出报警信息。
所述数据中心主机模块通过静态IP或动态IP接入Internet，当所述数据中心主机模块通过动态IP接入Internet，所述近端无线模块通过RJ45通信口或串口通信口获取所述数据中心主机的动态IP，所述近端无线模块通过短消息方式向所述LTE终端模块发送动态IP。
所述数据中心主机模块与所述LTE终端模块间数据传输信道包括业务数据信道、心跳数据信道及管理数据报文信道，所述业务数据信道、所述心跳数据信道及所述管理数据报文信道分时复用信道带宽。
所述业务数据信道用于传输所述LTE终端模块串口与所述虚拟串口之间的交互数据，所述心跳数据信道用于维持所述数据中心主机与LTE终端模块之间的通信连接，所述管理数据报文信道用于传输LTE终端模块状态信息及用于所述数据中心主机对LTE终端模块的状态监测。
所述LTE终端模块接入LTE无线网络后，所述LTE终端模块与所述数据中心主机模块通过客户端/服务器模式建立TCP/IP连接，所述LTE终端模块对模块串口采集到的数据帧进行压缩加密后，按照自定义协议通过所述TCP/IP传输到所述数据中心主机模块，所述数据中心主机后台服务对接收到的数据帧进行解析还原后将数据帧发送到指定虚拟串口；所述LTE终端模块通过所述指定虚拟串口获取数据帧，并将数据帧进行解析还原后输出到所述模块串口。
本发明采用了先进的数据压缩和数据加密算法对数据中心主机和远程终端模块间的数据报文进行了处理，最大程度降低了数据传输流量，并提高了数据传输的安全性。
本发明将先进的计算机技术和无线通信技术结合，为工业自动化领域的数据远程监测提供了一种实时，稳定，可靠，安全的方法和解决方案。
本发明数据中心主机首先进行串口虚拟，通过Internet实现以太网虚拟串口与LTE的终端模块实际RS485/RS232/RS422通信口的透传，数据中心主机通过串口或RJ45将数据中心主机的动态IP地址发送给近端无线模块，近端无线模块通过短消息形式将IP地址发送给LTE终端模块，LTE终端模块通过Internet及LTE无线网络与数据中心主机建立通信连接，LTE终端模块将接收到的网络数据包，解析后转发给RS485/RS232/RS422通信口，LTE终端模块与无线远程操作监控设备通过RS485/RS232/RS422进行通信连接，根据需要，无线远程操作监控设备可以分别为第一设备、第二设备......第n设备，实现数据中心主机以太网虚拟串口到实际物理串口的映射。
本发明数据中心主机直接访问串口即可实现无线远程访问，使用方便，可靠，本发明依托低时延LTE网络，使得通信时延迟更低，可以满足很多高实时性的应用场景，如通过编程软件对PLC进行无线远程程序升级、参数监控及修改，适用范围更广，具有广阔的市场前景。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信装置，其特征在于，包括近端无线模块、数据中心主机模块、LTE终端模块及LTE终端模块参数配置模块；
所述近端无线模块、所述数据中心主机模块、所述LTE终端模块及所述LTE终端模块参数配置模块依次连接，所述近端无线模块与所述LTE终端模块连接，所述LTE终端模块为远程多点分布。
2.根据权利要求1所述的基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信装置，其特征在于，所述LTE终端模块通过RS485通信口或RS232通信口或RS422通信口连接无线远程操作监控设备，所述LTE终端模块通过串口或RJ45接口连接所述LTE终端模块参数配置模块，所述LTE终端模块通过天线接入LTE无线网络。
3.根据权利要求2所述的基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信装置，其特征在于，所述LTE终端模块包括MCU主控模块、LTE无线模块及flash模块，所述MCU主控模块分别与所述LTE无线模块及flash模块相连，所述MCU主控模块包括MCU中心模块、LTE控制模块及上位机通信模块，所述LTE控制模块通过UART接口或USB接口对所述LTE无线模块连接，所述MCU中心模块通过共享内存方式与所述LTE控制模块交互数据，所述上位机通信模块分别与所述MCU中心模块及所述LTE终端模块参数配置模块连接，所述上位机通信模块通过FSMC接口或SPI接口与所述flash模块连接。
4.根据权利要求1所述的基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信装置，其特征在于，所述LTE终端模块参数配置模块的配置参数包括RS485通信口或RS232通信口或RS422通信口串口参数、域名地址、数据中心IP地址、心跳周期及数据中心端控制端号码。
5.一种基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）数据中心主机模块接入Internet，在数据中心主机模块生成虚拟串口；
2）LTE终端模块接入LTE无线网络，通过参数配置、访问域名或通信方式获取所述数据中心主机模块IP地址和通信端口；
3）LTE终端模块与数据中心主机模块通过客户端服务器模式建立TCP/IP通信连接；
4）LTE终端模块对串口接收到的数据帧按照协议封装成以太网数据包，通过TCP/IP将数据包发送到数据中心主机模块；
5）数据中心主机模块对接收到的数据包进行解析处理后输出到虚拟串口驱动，数据中心主机上的应用软件通过访问本机虚拟串口即可实现对数据帧的读取；
6）通过数据中心主机模块上的应用软件向虚拟串口发送数据帧，数据帧按照协议封装成以太网数据包通过TCP/IP发送到LTE终端模块；
7）LTE终端模块对接收到的数据包进行解析处理后输出到模块串口，即可实现数据中心主机模块上的应用软件向虚拟串口发送的数据帧在远程LTE终端模块串口输出。
6.根据权利要求5所述的基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信方法，其特征在于，所述数据中心主机模块包括数据中心主机前台客户端及数据中心主机后台服务，所述LTE终端模块通过所述数据中心主机前台客户端建立TCP/IP连接。
7.根据权利要求6所述的基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信方法，其特征在于，所述数据中心主机前台客户端可以生成多个虚拟串口，多个所述虚拟串口与所述LTE终端模块一一相对应，所述数据中心主机前台客户端通过所述虚拟串口对所述LTE终端模块的在线、离线、串口参数、流量、信号质量状态进行监控，并给出报警信息。
8.根据权利要求6所述的基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信方法，其特征在于，所述LTE终端模块对模块串口采集到的数据帧进行压缩加密后，按照自定义协议通过所述TCP/IP传输到所述数据中心主机模块，所述数据中心主机后台服务对接收到的数据帧进行解析还原后将数据帧发送到所述虚拟串口。
9.根据权利要求8所述的基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信方法，其特征在于，所述LTE终端模块通过所述指定虚拟串口获取数据帧，并将数据帧进行解析还原后输出到所述模块串口。
10.根据权利要求5所述的基于以太网虚拟串口技术和LTE无线网的通信方法，其特征在于，所述数据中心主机模块与所述LTE终端模块间数据传输信道包括业务数据信道、心跳数据信道及管理数据报文信道，所述业务数据信道、所述心跳数据信道及所述管理数据报文信道分时复用信道带宽。
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