CN107065668A - 基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控系统及方法；它依次连接的智能传感器装置、工业智能网关、制造执行系统MES和用户监控终端；所述智能传感器装置包括依次连接的传感器、信号调理电路和微处理器，所述智能传感器装置采集、传输并处理数据，将处理后的数据通过工业智能网关发送给制造执行系统MES，用户监控终端从制造执行系统MES下载数据并进行监控；智能传感器装置的微处理器为多处理器架构，包括FPGA处理器以及与FPGA处理器连接的第一ARM处理器。本发明使工业控制系统中的传感器也能在工业数据采集中得到应用，且智能传感器装置适用于绝大多数的传感器，具有一定的通用性。

Description

基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控系统及方法

技术领域

本发明涉及工业数据采集监控领域，具体地说，涉及一种基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控系统及方法。

背景技术

随着计算机网络、通信与控制技术的发展，工业控制系统由原来单一、独立的控制系统发展到复杂、集成的工业控制网，从集散控制系统发展到现场总线控制系统。现场总线控制系统以其灵活的控制方式、信息共享、低成本等特点，已被广泛的应用于复杂的控制系统中。现场总线控制系统对网络节点设备的基本要求是要具有计算和通信能力，由此对控制网络的重要节点——传感器提出了智能化要求，即具有计算功能和通信功能。

目前，针对控制网络的传感器应用一般以控制器和传感器作为解决方案，缺点是控制器负载过重，而且由于传感信号处理没有分开的缘故，这种架构的容错性不强。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控系统及方法，使工业控制系统中的传感器也能在工业数据采集中得到应用，且智能传感器装置适用于绝大多数的传感器，具有一定的通用性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于智能传感器装置的工业网关数据采集监控系统，包括：依次连接的智能传感器装置、工业智能网关、制造执行系统MES和用户监控终端；所述智能传感器装置是包括依次连接的传感器、信号调理电路和微处理器，所述智能传感器装置采集、传输并处理数据，将处理后的数据通过工业智能网关发送给制造执行系统MES，用户监控终端从制造执行系统MES下载数据并进行监控；智能传感器装置的微处理器为多处理器架构，包括FPGA处理器以及与FPGA处理器连接的第一ARM处理器。

所述工业智能网关与用户监控终端连接。

所述智能传感器装置的FPGA处理器还分别与传感器、第一DDR/SDRAM存储器、第一LCD显示器、第一监测报警模块、第一LED指示灯和第一电源模块连接。

所述智能传感器装置的第一ARM处理器还分别与传感器、第一DDR/SDRAM存储器、第一LCD显示器、第一监测报警模块、第一LED指示灯和第一电源模块连接。

所述第一DDR/SDRAM存储器用于存储由传感器传送进来的模拟信号。

所述第一LCD显示器用于显示数据处理进度和状况。

所述第一监测报警模块，当数据处理出现错误或数据传输出现拥堵时，发出警报，通知工作人员进行及时处理。

所述第一LED指示灯，便于对FPGA处理器的工作状态进行表示，可以通过不同的颜色进行表示。

所述第一电源模块，为FPGA处理器和第一ARM处理器工作提供稳定的工作电源。

所述工业智能网关为多处理器架构，包括：彼此连接的第二ARM处理器和DSP处理器，接收和处理由智能传感器装置通过通讯接口传送的采集数据，并将数据上传至MES。

所述工业智能网关的第二ARM处理器分别与第二LCD显示器、无线通讯模块、第二DDR/SDRAM存储器、第二监测报警模块、第二电源模块、第二LED指示灯和用户认证模块连接；

所述工业智能网关的DSP处理器分别与第二LCD显示器、无线通讯模块、第二DDR/SDRAM存储器、第二监测报警模块、第二电源模块、第二LED指示灯和用户认证模块连接。

所述第二LCD显示器显示数据的传送状况。

所述无线通讯模块为工业智能网关和MES之间以及工业智能网关和用户监控终端之间的通信途径。

所述第二DDR/SDRAM存储器用于缓存由智能传感器装置传送的数据。

所述第二监测报警模块监测数据的传送和处理情况，当发生中断时，发出警报，以及接收由用户监控终端发送的指令和信息，通知现场工作人员及时处理。

所述第二电源模块，为DSP处理器和ARM处理器工作提供稳定的工作电源。

所述第二LED指示灯，便于对DSP处理器的工作状态进行表示，通过不同的颜色进行表示，同时监测报警模块发出警报时，LED指示灯通过颜色同时通知现场工作人员。

所述用户认证模块用于根据认证请求携带的账户和密码对用户监测终端进行认证；若用户终端通过认证，建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接，若用户终端没有通过认证，向用户终端发送认证失败消息。

所述用户监控终端为远程监控现场数据采集情况，可以实现多用户的同时监控，但当用户对远程监控现场进行发送配置指令时，仅允许一个用户，不能多个用户同时进行。

所述用户监控终端，包括：智能移动终端、掌上电脑或一体机。

基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控方法，包括步骤：

步骤(1)：智能传感器装置的传感器采集被测的物理量；

步骤(2)：智能传感器装置的传感器将被测物理量转换成电信号，电信号经过信号调理电路滤波、放大和模数转换处理后，送入智能传感器装置的微处理器中，微处理器包括FPGA处理器和第一ARM处理器；第一ARM处理器将采集的数据通过AXI总线传输给FPGA处理器，FPGA处理器对数据进行并行处理和分析；FPGA处理器将处理后的数据通过总线反馈给第一ARM处理器，第一ARM处理器将处理后的数据通过通讯接口发送给工业智能网关；

步骤(3)：工业智能网关接收数据后，利用第二ARM处理器对数据进行处理，第二ARM处理器将数据通过总线发送给DSP处理器，DSP处理器对数据进行并行处理和分析；DSP处理器将处理后的数据通过高速总线反馈给第二ARM处理器，第二ARM处理器将处理后的数据通过无线通讯模块发送给用户监控终端，或者通过无线通讯模块上传MES，用户可在MES上下载数据，用于后续的数据应用分析。

所述步骤(2)中，第一DDR/SDRAM存储器存储由传感器传送进来的模拟信号；第一LCD显示器显示数据处理进度和状况；第一监测报警模块，当数据处理出现错误或数据传输出现拥堵时，发出警报，通知工作人员进行及时处理；第一LED指示灯，对FPGA处理器的工作状态进行表示，通过不同的颜色进行表示；第一电源模块，为FPGA处理器和第一ARM处理器工作提供稳定的工作电源。

所述步骤(3)中，第二LCD显示器显示数据的传送状况；所述无线通讯模块为工业智能网关和MES之间以及工业智能网关和用户监控终端之间的通信途径；所述第二DDR/SDRAM存储器用于缓存由智能传感器装置传送的数据；第二监测报警模块监测数据的传送和处理情况，当发生中断时，发出警报，以及接收由用户监控终端发送的指令和信息，通知现场工作人员及时处理；第二电源模块，为DSP处理器和ARM处理器工作提供稳定的工作电源；第二LED指示灯，便于对DSP处理器的工作状态进行表示，通过不同的颜色进行表示，同时监测报警模块发出警报时，LED指示灯通过颜色同时通知现场工作人员；所述用户认证模块用于根据认证请求携带的账户和密码对用户监测终端进行认证；若用户终端通过认证，建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接，若用户终端没有通过认证，向用户终端发送认证失败消息。

基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控方法，包括步骤：

步骤(4)：用户通过所述用户监控终端对数据采集状况进行监控，当数据处理或数据传输出现问题时，用户监控终端接收用户的操作指令，将操作指令发送给工业智能网关，工业智能网关通过第二LED指示灯和第二监测报警模块发出报警信号，通知现场工作人员及时处理。

所述FPGA处理器利用查找表来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个到D触发器的输入端，D触发器再来驱动逻辑电路或驱动I/O，由此构成既可实现组合逻辑功能又能实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，基本逻辑单元模块之间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。

模拟信号通过可编程通用模拟前段电路，形成适于模数转换的电压信号，由所述FPGA处理器采集并进行数字信号处理形成采集结果，利用硬件并行的优势，打破了顺序执行的模式，利用多通道并行处理，形成的采集结果一方面存储在DDR/SDRAM中，另一方面通过AXI总线传输到第一ARM处理器。

所述第一ARM处理器通过AXI总线与所述FPGA处理器进行数据交互；第一ARM处理器芯片决定采集动作的开始执行，传感器采集开始后，FPGA处理器将一次传感信号进行采集和处理，形成数字信号，并通过AXI总线传输给第一ARM处理器芯片；第一ARM处理器芯片将监测信号数据显示在第一LCD显示器上，并通过通讯接口将数据传送给工业智能网关。

本发明的有益效果：

1将传感器在数据采集中得到应用，建立了数据采集监控系统；

2智能传感器装置适用于绝大多数的传感器，具有一定的通用性；

3将传感器与微处理器相结合，充分利用了微处理器的并行计算和存储能力，对传感器的数据进行并行处理，使采集的数据处理速度更快；

4智能传感器装置准确度高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿；

5用户监控终端不再仅限制于一人，允许多人同时监控。

6因此，智能传感器装置能采集传感器的模拟信号，经过数据处理后，将数字信号发送到现场总线，将传感器变为具有计算和通信能力的网络节点，提高了信号传感功能的可靠性。

附图说明

图1为智能传感器装置原理框图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的应用场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1为智能传感器装置的原理框图，如图1所示。传感器将被测的物理量转换成相应的电信号，送到信号调理电路中，进行滤波、放大、模-数转换后，送到微处理器中。微处理器是智能传感器装置的核心，它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。

例如，被测的物理量包括温度、湿度。

图2为本发明提供的一种基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控系统应用场景示意图，如图2所示，本发明提供的一种基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控系统，包括智能传感器装置、工业智能网关和用户监控终端。

如图3所示，本发明提供的一种基于智能传感器装置的工业网关结构示意图，如图3所示，本发明提供的一种基于智能传感器装置的工业网关，包括智能传感器装置和工业智能网关。

所述智能传感器装置是由传感器和微处理器构成，传输并处理数据，智能传感器装置为多处理器架构，包括FPGA处理器以及与FPGA处理器连接的ARM处理器。

所述FPGA处理器利用查找表来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个到D触发器的输入端，D触发器再来驱动逻辑电路或驱动I/O，由此构成既可实现组合逻辑功能又能实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，基本逻辑单元模块之间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。

模拟信号通过可编程通用模拟前段电路，形成适于模数转换的电压信号，由所述FPGA处理器采集并进行数字信号处理形成采集结果，利用硬件并行的优势，打破了顺序执行的模式，利用多通道并行处理，形成的采集结果一方面存储在DDR/SDRAM中，另一方面通过AXI总线传输到第一ARM处理器。

所述第一ARM处理器通过AXI总线与所述FPGA处理器进行数据交互；第一ARM处理器芯片决定采集动作的开始执行，传感器采集开始后，FPGA处理器将一次传感信号进行采集和处理，形成数字信号，并通过AXI总线传输给第一ARM处理器芯片；第一ARM处理器芯片将监测信号数据显示在第一LCD显示器上，并通过通讯接口将数据传送给工业智能网关。

所述通讯接口包括：RS-485通讯接口、RS-232通讯接口、RJ45通讯接口、USB通讯接口、CAN通讯接口。

所述智能传感器装置还包括第一监测报警模块、第一LED指示灯和第一电源模块。

所述第一监测报警模块，当数据处理出现错误或数据传输出现拥堵时，发出警报，通知工作人员进行及时处理。

所述第一LED指示灯，便于对FPGA处理器的工作状态进行表示，可以通过不同的颜色进行表示。

所述第一电源模块，为FPGA处理器和ARM处理器工作提供稳定的工作电源。

所述工业智能网关为多处理器架构，包括第二ARM处理器和DSP处理器，第二ARM处理器通过通讯接口接收由智能传感器装置传送的处理后的数据，第二ARM处理器将监测信号显示在LCD显示器上，并通过高速总线将数据传输给DSP处理器，DSP处理器对数据作进一步处理，一方面传送到DDR/SDRAM存储器，另一方面利用本身的并行优势，通过无线通讯模块将数据上传到MES。

所述通讯接口包括：RS-485通讯接口、RS-232通讯接口、RJ45通讯接口、USB通讯接口、CAN通讯接口。

所述高速总线包括：AHB或PCIE。

所述工业智能网关还包括第二监测报警模块、第二电源模块、第二LED指示灯和用户认证模块。

所述第二监测报警模块主要监测数据的传送和处理情况，当发生中断时，发出警报，以及接收由用户监控终端发送的指令和信息，通知现场工作人员及时处理。

所述第二电源模块，为DSP处理器和ARM处理器工作提供稳定的工作电源。

所述第二LED指示灯，便于对DSP处理器的工作状态进行表示，可以通过不同的颜色进行表示，同时监测报警模块发出警报时，LED指示灯通过颜色同时通知现场工作人员。

所述用户认证模块用于根据认证请求携带的账户和密码对用户监测终端进行认证；若用户终端通过认证，建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接，若用户终端没有通过认证，向用户终端发送认证失败消息。

所述用户监控终端包括智能移动终端、掌上电脑、一体机等。用户通过所述用户监控终端登录，监控远程数据采集状况，当数据处理或传输出现问题时，对工业智能网关发送指令，工业智能网关通过LED指示灯和监测报警模块发出警报，通知现场工作人员进行及时处理。

MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)；

ARM(Advanced RISC Machine，RISC微处理器)；

FPGA(Field Programmable Gate Arrays，现场可编程逻辑门阵列)；

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)指示灯。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于智能传感器装置的工业网关数据采集监控系统，其特征是，包括：依次连接的智能传感器装置、工业智能网关、制造执行系统MES和用户监控终端；所述智能传感器装置包括依次连接的传感器、信号调理电路和微处理器，所述智能传感器装置采集、传输并处理数据，将处理后的数据通过工业智能网关发送给制造执行系统MES，用户监控终端从制造执行系统MES下载数据并进行监控；智能传感器装置的微处理器为多处理器架构，包括FPGA处理器以及与FPGA处理器连接的第一ARM处理器。

2.如权利要求1所述的基于智能传感器装置的工业网关数据采集监控系统，其特征是，

所述智能传感器装置的FPGA处理器还分别与传感器、第一DDR/SDRAM存储器、第一LCD显示器、第一监测报警模块、第一LED指示灯和第一电源模块连接；

所述智能传感器装置的第一ARM处理器还分别与传感器、第一DDR/SDRAM存储器、第一LCD显示器、第一监测报警模块、第一LED指示灯和第一电源模块连接。

3.如权利要求2所述的基于智能传感器装置的工业网关数据采集监控系统，其特征是，

所述第一DDR/SDRAM存储器用于存储由传感器传送进来的模拟信号；

所述第一LCD显示器用于显示数据处理进度和状况；

所述第一监测报警模块，当数据处理出现错误或数据传输出现拥堵时，发出警报，通知工作人员进行及时处理；

所述第一LED指示灯，便于对FPGA处理器的工作状态进行表示，可以通过不同的颜色进行表示；

所述第一电源模块，为FPGA处理器和第一ARM处理器工作提供稳定的工作电源。

4.如权利要求1所述的基于智能传感器装置的工业网关数据采集监控系统，其特征是，

所述工业智能网关为多处理器架构，包括：彼此连接的第二ARM处理器和DSP处理器，接收和处理由智能传感器装置通过通讯接口传送的采集数据，并将数据上传至MES；

所述工业智能网关的第二ARM处理器分别与第二LCD显示器、无线通讯模块、第二DDR/SDRAM存储器、第二监测报警模块、第二电源模块、第二LED指示灯和用户认证模块连接；

所述工业智能网关的DSP处理器分别与第二LCD显示器、无线通讯模块、第二DDR/SDRAM存储器、第二监测报警模块、第二电源模块、第二LED指示灯和用户认证模块连接。

5.如权利要求4所述的基于智能传感器装置的工业网关数据采集监控系统，其特征是，

所述无线通讯模块为工业智能网关和MES之间以及工业智能网关和用户监控终端之间的通信途径；

所述第二DDR/SDRAM存储器用于缓存由智能传感器装置传送的数据；

所述第二监测报警模块监测数据的传送和处理情况，当发生中断时，发出警报，以及接收由用户监控终端发送的指令和信息，通知现场工作人员及时处理；

所述第二电源模块，为DSP处理器和ARM处理器工作提供稳定的工作电源；

所述第二LED指示灯，便于对DSP处理器的工作状态进行表示，通过不同的颜色进行表示，同时监测报警模块发出警报时，LED指示灯通过颜色同时通知现场工作人员；

所述用户认证模块用于根据认证请求携带的账户和密码对用户监测终端进行认证；若用户终端通过认证，建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接，若用户终端没有通过认证，向用户终端发送认证失败消息；

所述用户监控终端为远程监控现场数据采集情况，可以实现多用户的同时监控，但当用户对远程监控现场进行发送配置指令时，仅允许一个用户，不能多个用户同时进行；

所述用户监控终端，包括：智能移动终端、掌上电脑或一体机。

6.基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控方法，其特征是，包括步骤：

步骤(1)：智能传感器装置的传感器采集被测的物理量；

步骤(2)：智能传感器装置的传感器将被测物理量转换成电信号，电信号经过信号调理电路滤波、放大和模数转换处理后，送入智能传感器装置的微处理器中，微处理器包括FPGA处理器和第一ARM处理器；第一ARM处理器将采集的数据通过AXI总线传输给FPGA处理器，FPGA处理器对数据进行并行处理和分析；FPGA处理器将处理后的数据通过总线反馈给第一ARM处理器，第一ARM处理器将处理后的数据通过通讯接口发送给工业智能网关；

步骤(3)：工业智能网关接收数据后，利用第二ARM处理器对数据进行处理，第二ARM处理器将数据通过总线发送给DSP处理器，DSP处理器对数据进行并行处理和分析；DSP处理器将处理后的数据通过高速总线反馈给第二ARM处理器，第二ARM处理器将处理后的数据通过无线通讯模块发送给用户监控终端，或者通过无线通讯模块上传MES，用户可在MES上下载数据，用于后续的数据应用分析。

7.如权利要求6所述的基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控方法，其特征是，

所述步骤(2)中，第一DDR/SDRAM存储器存储由传感器传送进来的模拟信号；第一LCD显示器显示数据处理进度和状况；第一监测报警模块，当数据处理出现错误或数据传输出现拥堵时，发出警报，通知工作人员进行及时处理；第一LED指示灯，对FPGA处理器的工作状态进行表示，通过不同的颜色进行表示；第一电源模块，为FPGA处理器和第一ARM处理器工作提供稳定的工作电源。

8.如权利要求6所述的基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控方法，其特征是，

所述步骤(3)中，第二LCD显示器显示数据的传送状况；所述无线通讯模块为工业智能网关和MES之间以及工业智能网关和用户监控终端之间的通信途径；所述第二DDR/SDRAM存储器用于缓存由智能传感器装置传送的数据；第二监测报警模块监测数据的传送和处理情况，当发生中断时，发出警报，以及接收由用户监控终端发送的指令和信息，通知现场工作人员及时处理；第二电源模块，为DSP处理器和ARM处理器工作提供稳定的工作电源；第二LED指示灯，便于对DSP处理器的工作状态进行表示，通过不同的颜色进行表示，同时监测报警模块发出警报时，LED指示灯通过颜色同时通知现场工作人员；所述用户认证模块用于根据认证请求携带的账户和密码对用户监测终端进行认证；若用户终端通过认证，建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接，若用户终端没有通过认证，向用户终端发送认证失败消息。

9.如权利要求6所述的基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控方法，其特征是，

还包括步骤(4)：用户通过所述用户监控终端对数据采集状况进行监控，当数据处理或数据传输出现问题时，用户监控终端接收用户的操作指令，将操作指令发送给工业智能网关，工业智能网关通过第二LED指示灯和第二监测报警模块发出报警信号，通知现场工作人员及时处理。

10.如权利要求6所述的基于智能传感器装置的工业网关数据远程监控方法，其特征是，

所述FPGA处理器利用查找表来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个到D触发器的输入端，D触发器再来驱动逻辑电路或驱动I/O，由此构成既可实现组合逻辑功能又能实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，基本逻辑单元模块之间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；

模拟信号通过可编程通用模拟前段电路，形成适于模数转换的电压信号，由所述FPGA处理器采集并进行数字信号处理形成采集结果，利用硬件并行的优势，打破了顺序执行的模式，利用多通道并行处理，形成的采集结果一方面存储在DDR/SDRAM中，另一方面通过AXI总线传输到第一ARM处理器；

所述第一ARM处理器通过AXI总线与所述FPGA处理器进行数据交互；第一ARM处理器芯片决定采集动作的开始执行，传感器采集开始后，FPGA处理器将一次传感信号进行采集和处理，形成数字信号，并通过AXI总线传输给第一ARM处理器芯片；第一ARM处理器芯片将监测信号数据显示在第一LCD显示器上，并通过通讯接口将数据传送给工业智能网关。