CN107171916A - 工业计量泵远程监控专用4g无线智能网桥 - Google Patents

工业计量泵远程监控专用4g无线智能网桥 Download PDF

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Abstract

本发明为满足对工业计量泵进行远程集群控制的工业需求，发明了一种4G无线智能网桥，由微控制器、外围电路、CAN模块和4G模块组成，所述微控制器分别与外围电路、CAN模块、4G模块相连，所设计4G无线智能网桥能够实现从CAN协议数据到无线帧的转换，同时可实现从无线帧数据到CAN协议数据的转换。本发明解决了CAN协议数据和无线帧数据这两种格式数据间的相互转化问题。针对实时性不够好、数据安全难以保证、泵组现场效率不够高等问题，本发明制定了优先级算法，对计量泵控制中的高、中、低优先级数据进行有效处理，可以提高实时性。同时基于DES制定了加密算法，泵组协调控制算法。

Description

工业计量泵远程监控专用4G无线智能网桥
技术领域
本发明涉及流程工业中计量泵的集群控制领域，特别是一种使用基于ARM微控制器的微型无线网关进行远程无线控制。
背景技术
工业计量泵广泛应用于石油、化工、污水处理、热电厂、环保及制药等流程工业领域，但实际的工业现场往往存在强碱、强酸和有毒气体，不便人工操作，迫切需要采用工业现场总线（例如CAN）和以太网技术实现网络化的远程集群控制。
在计量泵的集群控制中，需要区分数据的优先级，对其进行不同的处理，例如对于驱动电机故障信息、控制器故障信息以及液位上、下限报警信息等应作为高优先级数据，保证无延时的传输；对于驱动电机转速、流量等信息应作为中优级周期信息处理，在规定的最大采样周期（例如200ms）内完成传输；对累积量作为低优先级数据处理，超过最大允许的时延(例如500ms)完成传输。
CAN总线是当今现场总线的典型代表。但CAN总线技术只有物理层和数据链路层，应用层是用户自定义的，而国外公司开发的CAN总线装置出于技术保密的原因其应用层协议对外不公开，这就使得国内新开发的产品无法与其对接。
4G通信可称为广带接入和分布网络，它包括广带无线固定接入、广带无线局域网(WLAN)、移动广带系统和互操作的广播网络。是集多种无线技术和无线LAN 系统为一体的综合系统，也是宽带IP 接入系统(基于地面和卫星系统)。在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4G可提供无线服务，并在任何地方宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信),提供信息通信以外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。由于4G通信的覆盖范围广且可以向下兼容3G、2G通信，我们采用4G网络的模式作为无线通信的基本方式。
为了通过无线技术对工业计量泵进行集中控制，研究一种专用的4G无线网桥是非常必要的，它是对接计量泵现场数字控制器与Internet的通信装置。
由于CAN总线具有高实时性和高可靠性，其数据结构为短帧数据报(通常为1-4字节)，非常适合计量泵数字控制器的实时通信。但大量短帧数据报在无线信道中传输，自然会产生网络安全等问题。
数据加密标准，即DES，是20世纪70年代由IBM公司开发的，并作为美国联邦信息处理标准被采用。在它的基本形式中，由于密钥长度较短，因此不再是那么安全。但是它的加强形式3DES等在今天仍然被广泛使用。本发明拟采用3DES加密技术对工业计量泵的监控参数实施加密技术，以提高网络的安全性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种体积小、成本低廉、可靠性高、能够满足工业现场计量泵实时控制需求的4G无线智能网桥。
4G无线智能网桥由ARM微控制器、4G模块、CAN通信模块和外围电路组成。该网桥能够满足从CAN协议数据到无线帧数据的转换，同时实现无线帧数据与CAN协议数据的转换。
4G模块具有网络透传模式。网络透传模式是将本地异步串口通信转换成基于TCP/IP的网络通信，其目的主要是实现无线网桥的网络通信，而无线网桥本身不需做出额外的改变。当4G模块设置为网络透传模式，并且设定好网络连接所需要的参数后，它在协议转化器与网络之间的工作方式如同路由器的路由过程。
在4G无线网桥的应用层使用自定义协议，所述自定义协议的格式包括：字节数、命令码、代表CAN节点ID的CAN_ID字段和代表数据的CAN_DATA字段。
无线网桥对CAN数据分时采集，重要数据的采集频率要高于次要数据。
从CAN协议数据到无线帧的转换过程为：
①CAN模块采集数据；
②如果采集到数据，保存到应用层缓冲区待处理，并返回应答；否则返回①；
③对缓冲区的数据按照自定义协议进行处理，等待来自无线帧的数据。若无线帧的数据有请求，则立即封装缓冲区的数据并发送；否则先保存缓冲区中的数据，达到一定上限自动清空上一次的数据帧，并返回①。
从无线帧数据到CAN协议数据帧的转换过程为：
①4G模块等待接收数据；
②如果接收到数据，无线网桥将产生中断，并返回应答；否则返回①；
③对接收到的数据按照自定义协议处理、封装，并发送给CAN，等待应答。
本发明所取得的成果是实现了CAN总线和无线网络之间的通信，减少了网络层、传输层的处理，更加注重应用层。为保证数据的完整性，无线网桥对CAN进行间断采集和保存，并等待无线帧；无线网桥对无线帧进行中断处理，及时响应并向CAN发送指令。
附图说明
图1为4G无线网桥实施方式示意图。
图2为4G无线智能网桥结构框图。
图3为4G模块发送数据流程图。
图4a、4b为4G无线智能网桥软件工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1所示，本发明的4G无线智能网桥作为CAN总线和以太网之间的桥梁网关，实现CAN总线和4G网络之间的相互通信。客户端PC机通过4G无线网络与无线网桥进行通信，计量泵数字控制器通过CAN总线与无线网桥通信。
如图2所示，所述4G-CAN模块组成。图中所述CAN模块3由CAN收发器和CAN接口组成。所述4G通信模块4由异步串行接口UART和4G模块（型号为USR-LTE-7S4）组成。
所述外围电路2为所述ARM微控制器1的最小系统电路，包括时钟电路、复位电路、电源电路和JTAG接口电路。需要说明的是，本发明采用的外部时钟晶振频率为11.0592MHz，采用的电源电路为9V-5V-3.3V直流电源电路。
所述CAN模块3由CAN收发器和CAN接口两部分组成。CAN收发器通过总线CANH和CANL分别发送和接收数据，CAN接口为总线CANH和CANL提供输入输出接口。本发明中采用TJA1040芯片作为CAN收发器。
所述4G通信模块4由异步串行接口UART和4G模块（型号为USR-LTE-7S4）组成。其中，4G通信模块4发送数据流程图如图3所示。
如图4a、4b所示，本发明的无线网桥基于状态机的思想，在五种状态间进行切换，五种状态分别是：初始状态（INIT），IP设置状态（IPSET）、参数设置状态（PARASET）、参数获取状态（CANDATA）和参数请求状态（PARAREQ）。其中在初始状态（INIT）中进行参数初始化；在IP设置状态（IPSET）中对泵节点的IP进行修改；在参数设置状态（PARASET）中对泵节点的参数进行设置，此过程包含泵组协调优化算法；在参数获取状态（CANDATA）下请求泵节点数据；在参数请求状态下获取特定数据并上传，其中上传数据过程中包含对数据进行加密的过程，并且针对具有不同优先级的数据进行相应的处理。
无线网桥对CAN数据分时采集，从CAN协议数据到无线帧的转换过程为：
①CAN模块采集数据；
②如果采集到数据，保存到应用层缓冲区待处理，并返回应答；否则返回①；
③对缓冲区的数据按照自定义协议进行处理，等待来自无线帧的数据。若无线帧的数据有请求，则立即封装缓冲区的数据并发送；否则先保存缓冲区中的数据，达到一定上限自动清空上一次的数据帧，并返回①。
从无线帧数据到CAN协议数据帧的转换过程为：
①4G模块等待接收数据；
②如果接收到数据，无线网桥将产生中断，并返回应答；否则返回①；
③对接收到的数据按照自定义协议处理、封装，并发送给CAN，等待应答。
数据优先级分类以及相应处理方式如表1所示。本发明设置高、中、低三种优先级类型。
表1 高、中、低三种优先级
高优先级数据需具备下列两个条件：①随机信号；②不能容忍500ms的传输时延。本发明对高优先级数据采取立即上传数据的处理方式。即如果控制器接收到高优先级数据，立即将该数据上传，例如低液位错误信息。立即发送高优先级数据而不必等待确认的到来以保证能及时排除故障等。
中优先级数据需具备下列两个条件：①周期性信号；②不能容忍500ms的传输时延。本发明对中优先级数据采取提高采样频率的处理方式。即提高该类数据采样频率，从而保证现场控制的实时性。
对于低优先级数据信号，能容忍由于最大允许时延（例如取1000ms）大于500ms传输时延的信号，由于此类数据信号对实时性没有影响，本发明不做处理。
如前所述的泵组协调优化算法，是在参数设置过程中用到的。在工业现场中，常常遇到需要泵组协调工作的情况，提高工作效率，因为高效率就意味着高经济收益。例如，在本发明中，当需要定量抽取液体100L时，无线网桥便会平均各台泵的负担，比如4台泵抽各取25升，从而提高效率。
如前所述的加密算法，本发明中使用的算法是基于3DES的加密算法。DES是20世纪70年代由IBM开发的数据加密标准，由于密钥长度仅为56比特，因此安全性不高。但如果使用2个或3个密钥对DES进行三重调用，那么此加密算法的安全性将大大提高，这就是3DES的基础。由于本发明中高优先级数据涉及故障信息，中低优先级数据信息如泵工作频率、流量、节点号等也涉及重要的现场状态，如果这些数据信息被攻击将会造成巨大的经济损失，因此本发明仅针对高中低优先级的数据都基于3DES算法进行加密。

Claims (4)

1.一种工业计量泵远程监控专用4G无线智能网桥，实现PC客户端、手机端与计量泵数字控制器之间双向数字通信的微型网关，其特征在于：为满足现场控制的实时性，对计量泵控制中的高、中、低优先级数据进行有效处理；为确保数据的安全性，制定了基于DES的数据加密算法；为了提高生产效率，根据现场情况对计量泵组进行协调优化控制。
2.根据权利要求1所述的工业计量泵远程监控专用4G无线智能网桥，其特征在于：具有满足现场控制的实时性而制定的优先级算法，其中，所述优先级算法，用于优先发送优先级较高的信息，确保现场工作的有序进行。
3.根据权利要求1所述的工业计量泵远程监控专用4G无线智能网桥，其特征在于：基于DES算法，制定从CAN协议转化为无线协议以及无线协议转化为CAN协议的专用加密算法，其中，所述基于DES算法的专用加密算法用于通信数据安全。
4.根据权利要求1所述的工业计量泵远程监控专用4G无线智能网桥，其特征在于：根据现场条件，对计量泵组进行协调优化控制，其中，所述协调优化控制，是指当泵组工作于关联模式时，网关分配各台泵的运转负荷，进而提高工作效率。
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