CN107819674A - 一种嵌入式工业物联网网关采集系统及其操作方式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种嵌入式工业物联网网关采集系统的操作方式，包括采集数据、读写操作、和热替换驱动，本发明还公开了嵌入式工业物联网网关采集系统，包括用于采集物理数据的传感器及职能仪表，及数据通道，同时还包括嵌入式Linux系统、NodeJS模块和热替换驱动，驱动在线生成发起请求至热替换驱动部分，然后将该请求提交给通道适配，再由通道适配实现系统在运行阶段动态切换通道；本发明的系统采用目前较为流行的NodeJs平台开发，支持模块动态加载替换，故而可最大限度的支持驱动在线编写、测试及动态替换的功能，并可将采集到的数据转换为物联网协议形式（如CoAp、MQTT等）发布，最终实现将工业数据无缝对接到云端管理平台的功能。

Description

一种嵌入式工业物联网网关采集系统及其操作方式
技术领域
本发明涉及基于物联网的工业控制系统领域，尤其涉及一种嵌入式工业物联网网关采集系统及其操作方式。
背景技术
数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足的发展。其次，总线兼容型数据采集插件的数量不断增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国内外各种数据采集机先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。而工业数据采集是数据采集当中的一个板块。
目前传统工业数据采集协议纷繁杂芜，很难适配物联网数据接入的业务要求，且传统的嵌入式采集网关常常采用C/C++语言开发，因其静态编译特性，采集驱动程序往往难以动态更新、替换。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提出嵌入式工业物联网网关采集系统及其操作方式，该系统可将采集到的数据转换为物联网协议形式（如CoAp、MQTT等）发布，最终实现将工业数据无缝对接到云端管理平台的功能。
为达到上述技术目的，本发明采用了一种嵌入式工业物联网网关采集系统的操作方式，包括如下步骤：
（1）首先，各类传感器及职能仪表采集物理数据，并将采集到的物理数据转换成电信号，各类数据信号通过网关的各类数据通道，实现上传和交互。交互过程中，针对不同的接口形式，在编程方面要体现不同的中断处理函数；
（2）然后，在网关的嵌入式Linux系统中，将接口的数据操作描述为多个文件的读写操作，将C/C++编写的各类接口操作程序编译成NodeJS模块。（3）若有新的接口要接入时，可由驱动在线生成发起请求至热替换驱动部分，然后将该请求提交给通道适配（工厂模式），再由通道适配（工厂模式）实现系统在运行阶段动态切换通道。如此，便实现了动态添加并更改通道驱动配置信息及驱动规则的效果，即为热替换驱动。
作为本发明之优选，所述步骤（1）中的数据通道为UART（串口）、ETH（网口）、SPI、I2C、ADC (模数转换)、GPIO（通用IO）、ZigBee、IPv6。
作为本发明之另一优选，所述步骤（2）中的读写操作端口为NodeJS，该操作端口能够支持ARM Linux嵌入式平台，而且可以作为胶水语言。
作为本发明之另一优选，所述步骤（3）中的新的接口为Modbus或者DLT645。
在上述基础上，本发明还公开了一种嵌入式工业物联网网关采集系统，包括各类用于采集物理数据的传感器及职能仪表，以及数据通道，所述传感器及职能仪表将采集到的物理数据转换成电信号，各类数据信号通过网关的数据通道，实现上传和交互；同时还包括一嵌入式Linux系统、NodeJS模块、和一热替换驱动，Linux系统将接口的数据操作描述为多个文件的读写操作，将C/C++编写的各类接口操作程序编译成NodeJS模块；在有新的接口接入时，由驱动在线生成发起请求至热替换驱动部分，然后将该请求提交给通道适配（工厂模式），再由通道适配（工厂模式）实现系统在运行阶段动态切换通道。
作为本发明之优选，所述数据通道包括数值量通道、模拟量量通道、串行通道，以太网通道。
作为本发明之优选，所述网关包括zigbee无线通讯技术、ipv6、以及WiFi。
本发明的系统采用目前较为流行的NodeJs平台开发，支持模块动态加载替换，故而可最大限度的支持驱动在线编写、测试及动态替换的功能，并可将采集到的数据转换为物联网协议形式（如CoAp、MQTT等）发布，最终实现将工业数据无缝对接到云端管理平台的功能。
附图说明
图1所示的是本发明的系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
由图1可知，一种嵌入式工业物联网网关采集系统的操作方式，包括如下步骤：
（1）首先，各类传感器及职能仪表采集物理数据，并将采集到的物理数据转换成电信号，各类数据信号通过网关的各类数据通道，实现上传和交互。交互过程中，针对不同的接口形式，在编程方面要体现不同的中断处理函数；
（2）然后，在网关的嵌入式Linux系统中，将接口的数据操作描述为多个文件的读写操作，将C/C++编写的各类接口操作程序编译成NodeJS模块。（3）若有新的接口要接入时，可由驱动在线生成发起请求至热替换驱动部分，然后将该请求提交给通道适配（工厂模式），再由通道适配（工厂模式）实现系统在运行阶段动态切换通道。如此，便实现了动态添加并更改通道驱动配置信息及驱动规则的效果，即为热替换驱动。
作为本发明之优选，所述步骤（1）中的数据通道为UART（串口）、ETH（网口）、SPI、I2C、ADC (模数转换)、GPIO（通用IO）、ZigBee、IPv6。
作为本发明之另一优选，所述步骤（2）中的读写操作端口为NodeJS，该操作端口能够支持ARM Linux嵌入式平台，而且可以作为胶水语言。
作为本发明之另一优选，所述步骤（3）中的新的接口为Modbus或者DLT645。
在上述基础上，本发明还公开了一种嵌入式工业物联网网关采集系统，包括各类用于采集物理数据的传感器及职能仪表，以及数据通道，所述传感器及职能仪表将采集到的物理数据转换成电信号，各类数据信号通过网关的数据通道，实现上传和交互；同时还包括一嵌入式Linux系统、NodeJS模块、和一热替换驱动，Linux系统将接口的数据操作描述为多个文件的读写操作，将C/C++编写的各类接口操作程序编译成NodeJS模块；在有新的接口接入时，由驱动在线生成发起请求至热替换驱动部分，然后将该请求提交给通道适配（工厂模式），再由通道适配（工厂模式）实现系统在运行阶段动态切换通道。
关于上述提到的传感器及工业仪表，主要是这样操作的：传感器将工业采集到各类敏感量，转换成一定变化规律的电信号或其他形式的信息输出。工业领域中，传感器接入控制系统通常加装变送器或智能化仪表，将传感量转换成4-20mA模拟量或各类开放协议（如MODBUS、PROFIBUS、DLT645等）的数字量，方便后端采集系统（如DCS、PLC）集约统一处理。
关于上述所提到的采集通道，具体是指：传感器与嵌入式MCU信息交互，接口有多种形式。比较常见的有UART（串口）、ETH（网口）、SPI、I2C、ADC (模数转换)、GPIO（通用IO）等，不同的接口形式，在编程方面体现在不同的中断处理机函数，在嵌入式Linux系统中，可以将接口的数据操纵描述为各类文件的读写操作，更高级的软件层面上，可通过面向对象思想将各类接口抽象成通道的概念。可以定义接口，将各类通道描述成统一契约形式，然后通过工厂设计模式，根据具体硬件连接接口，实例化不同形式的各类接口。
关于上述所提到的NodeJS热替换驱动，具体是指：NodeJS完美支持ARM Linux嵌入式平台，NodeJS可以作为胶水语言，将C/C++编写的各类接口操作程序编译成NodeJS模块，NodeJS平台下CommonJS框架可以动态require加载机制，保证了程序在运行阶段动态更换模块地目的。这样便实现了动态添加更改通道驱动配置信息及驱动规则的效果，即是热替换驱动模块。由于NodeJS原生支持Http协议，加之Express（或KOA）框架社区的丰富生态系统，可非常方便、快捷地构建Web系统。本Web系统中，前后通信采用开源的Socket.io框架作为WebSocket通信协议技术支撑，可以实时配置通道信息及驱动信息，并可实时、动态地追加驱动脚步，在后台生成js脚本文件，在运行阶段自举执行，并可在采集到数据时候，通过Websocket协议实时展示在Web前台。
关于本系统中，各个系统间的关联关系及功能实现，具体是这样的：首先，各类传感器及职能仪表采集物理数据，并将采集到的物理数据转换成电信号。各类数据信号通过网关的各类数据通道，例如，UART（串口）、ETH（网口）、SPI、I2C、ADC (模数转换)、GPIO（通用IO）、ZigBee、IPv6等，实现上传和交互。交互过程中，针对不同的接口形式，在编程方面要体现不同的中断处理函数。
然后，考虑到在网关的嵌入式Linux系统中，可以将接口的数据操作描述为各类文件的读写操作。这里选择NodeJS，它能够完美支持ARM Linux嵌入式平台，而且可以作为胶水语言，将C/C++编写的各类接口操作程序编译成NodeJS模块。因此，在通道适配（工厂模式）中，将各类通道描述成统一契约形式，再通过面向对象设计并根据具体硬件连接接口，实例化不同形式的各类接口，将各类接口抽象成通道的概念。这样，通道参数配置可以非常方便地定义各类接口通道。
与此同时，由于NodeJS平台下的CommonJS框架，具有可动态require加载的机制，所以当有新的接口，例如Modbus、DLT645等，要接入时，可由驱动在线生成发起请求至热替换驱动部分，然后将该请求提交给通道适配（工厂模式），再由通道适配（工厂模式）实现系统在运行阶段动态切换通道。如此，便实现了动态添加并更改通道驱动配置信息及驱动规则的效果，我们称之为热替换驱动。
最后，采集到的数据经过处理后，可通过通道适配（工厂模式）中的配置，利用物联网协议MQTT或CoAP等发送到云端，也可实时本地Web发布。
作为本发明之优选，所述数据通道包括数值量通道、模拟量量通道、串行通道，以太网通道。
作为本发明之优选，所述网关包括zigbee无线通讯技术、ipv6、以及WiFi。
总的来说，本发明的系统采用目前较为流行的NodeJs平台开发，支持模块动态加载替换，故而可最大限度的支持驱动在线编写、测试及动态替换的功能，并可将采集到的数据转换为物联网协议形式（如CoAp、MQTT等）发布，最终实现将工业数据无缝对接到云端管理平台的功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种嵌入式工业物联网网关采集系统的操作方式，其特征在于，包括如下步骤：
（1）首先，各类传感器及职能仪表采集物理数据，并将采集到的物理数据转换成电信号，各类数据信号通过网关的各类数据通道，实现上传和交互，交互过程中，针对不同的接口形式，在编程方面要体现不同的中断处理函数；
（2）然后，在网关的嵌入式Linux系统中，将接口的数据操作描述为多个文件的读写操作，将C/C++编写的各类接口操作程序编译成NodeJS模块；（3）若有新的接口要接入时，可由驱动在线生成发起请求至热替换驱动部分，然后将该请求提交给通道适配（工厂模式），再由通道适配（工厂模式）实现系统在运行阶段动态切换通道，如此，便实现了动态添加并更改通道驱动配置信息及驱动规则的效果，即为热替换驱动。
2.如权利要求1所述的一种嵌入式工业物联网网关采集系统的操作方式，其特征在于，所述步骤（1）中的数据通道为UART（串口）、ETH（网口）、SPI、I2C、ADC (模数转换)、GPIO（通用IO）、ZigBee、IPv6。
3.如权利要求1所述的一种嵌入式工业物联网网关采集系统的操作方式，其特征在于，所述步骤（2）中的读写操作端口为NodeJS，该操作端口能够支持ARM Linux嵌入式平台，而且可以作为胶水语言。
4.如权利要求1所述的一种嵌入式工业物联网网关采集系统的操作方式，其特征在于，所述步骤（3）中的新的接口为Modbus或者DLT645。
5.一种嵌入式工业物联网网关采集系统，其特征在于，包括各类用于采集物理数据的传感器及职能仪表，以及数据通道，所述传感器及职能仪表将采集到的物理数据转换成电信号，各类数据信号通过网关的数据通道，实现上传和交互；同时还包括一嵌入式Linux系统、NodeJS模块、和一热替换驱动，Linux系统将接口的数据操作描述为多个文件的读写操作，将C/C++编写的各类接口操作程序编译成NodeJS模块；在有新的接口接入时，由驱动在线生成发起请求至热替换驱动部分，然后将该请求提交给通道适配（工厂模式），再由通道适配（工厂模式）实现系统在运行阶段动态切换通道。
6.如权利要求1所述的一种嵌入式工业物联网网关采集系统，其特征在于，所述数据通道包括数值量通道、模拟量量通道、串行通道，以太网通道。
7.如权利要求1所述的一种嵌入式工业物联网网关采集系统，其特征在于，所述网关包括zigbee无线通讯技术、ipv6、以及WiFi。
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