CN107832247B - 自适应通讯的数据集中器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应通讯的数据集中器，包括主控模块、端口检测模块、多通道通讯模块；主控模块以设定的协议实现与UART总线之间的数据传输；多通道通讯模块具有多条通讯链路，每条通讯链路适于一种通讯规约，多通道通讯模块用于建立外设和UART总线之间的通信链路；端口检测模块用于探测多通道通讯模块每条通讯链路上的电压幅值，并将探测结果反馈至主控模块；主控模块根据探测结果以判断连接至多通道通讯模块的外设类型，调用对应的通讯规约与该外设进行数据交互。本发明能够自动识别外设类型，自适应其通讯特征和规约，由单个主芯片扩展出大量通讯接口，实现多通道数据采集，实现断点续传，在通讯中断恢复后自动上传丢失的数据。

Description

自适应通讯的数据集中器

技术领域

本发明涉及数据集中采集领域，具体而言涉及一种自适应通讯的数据集中器。

背景技术

在数据采集分析系统中，数据集中器设备是非常重要的一个环节，是整个系统的数据交互枢纽。担负着数据集中、分析转换、信息保存、各种下行控制命令的下发等任务。

随着技术的发展，数据集中器设备也经历了由单片机、工控机到嵌入式通信管理机的变革。嵌入式数据集中器由于其高可靠性、稳定性，丰富的通讯介质资源以及高效的软、硬件架构，越来越多的被使用在各种监控系统中。

原有的数据集中器，沿用了电力监控的方案和思路，采用x86/ARM架构，基于Linux系统实现，性能强；主要接口为网口、RS-485；但是组网方式单一，成本也较高。在用能计费、能耗监测、能源管理系统中，对于数据集中器的需求跟电力监控有较大的差异，需要一款功能简单、接口丰富、成本较低的设备，提供低成本、多样化的组网方案。

市场上已有的远程数据集中器存在的主要缺陷为：1)需要根据不同的信号适用不同的接插件接口，在因使用需求更改对外接插件接口类型及数量时，必须重新画核心板，使用灵活性较差，开发周期长；2)并且该种数据集中器需要调试人员进行配置后才能工作后，对设备端口和协议进行转换，往往存在工作量大、不可靠的因素，且通讯管理机损坏后，更换新的通讯管理机依然需要专业人员配置才能工作。

发明内容

本发明目的在于提供一种自适应通讯的数据集中器，能够自动识别外设类型，自适应其通讯特征和规约，并且能够由单个主芯片扩展出大量通讯接口，实现多通道数据采集，另外，能够实现断点续传，在通讯中断恢复后自动上传丢失的数据。

为达成上述目的，本发明提及一种自适应通讯的数据集中器，适于实现外设和后台服务器之间的数据交互，所述数据集中器包括主控模块、端口检测模块、多通道通讯模块；

所述主控模块电连接至一UART总线上，以设定的协议实现与UART总线之间的数据传输；

所述多通道通讯模块具有多条通讯链路，每条通讯链路适于一种通讯规约，多通道通讯模块用于电连接一外设和UART总线，以建立外设和UART总线之间的通信链路；

所述端口检测模块电连接主控模块和多通道通讯模块，用于探测多通道通讯模块每条通讯链路上的电压幅值，并将探测结果反馈至主控模块；

所述主控模块接收端口检测模块反馈的探测结果，根据探测结果以判断连接至多通道通讯模块的外设类型，调用对应的通讯规约与该外设进行数据交互。

由以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

1)能够自动识别外设类型，自适应其通讯特征和规约。

2)由单个主芯片扩展出大量通讯接口，实现多通道数据采集。

3)自适应外部设备特征，自动配置参数进行通讯。

4)能够实现断点续传，在通讯中断恢复后自动上传丢失的数据。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的自适应通讯的数据集中器的结构示意图图。

图2是本发明的串口扩展模块的结构示意图。

图3是本发明的轮询报文格式。

图4是本发明的断电续传的软件算法流程图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

对于一个远程抄表系统来讲，总线上传输的数据就是终端用户所消费的水、电、气等重要数据，这涉及到多种类型的水表、电表、气表等，它们的板件类型不同，对应的通讯规约也不同，另外，随着城市的规模不断扩大，同一个远程抄表系统中涉及到的仪表数量也变得越来越可观。

在这一前提下，原有的数据集中器的缺陷也越发暴露出来，即：

第一，原有的数据集中器能够携带的负载数量较少，少量的数据集中器根本不足以支撑如此庞大的仪表群，而使用较多数量的数据集中器又不可避免的增加了网络的复杂性。

第二，仪表的生产厂家众多，仪表板卡类型繁杂，其中不乏很多仍在使用的旧仪表，通讯规约无法统一，通常需要设置多种数据集中器以解决这一问题。

结合图1，本发明提及一种自适应通讯的数据集中器，适于实现外设和后台服务器之间的数据交互，所述数据集中器包括主控模块、端口检测模块、多通道通讯模块和电源模块。

所述主控模块电连接至一UART总线上，以设定的协议实现与UART总线之间的数据传输。

主控模块以一款频率高达454MHz的ARM9处理器为核心，并包含128MB的内存DDR2、128MB的NAND Flash以及硬件看门狗电路。运行Linux-2.6.35内核、文件系统、各个通用接口驱动程序和应用程序。

所述多通道通讯模块具有多条通讯链路，每条通讯链路适于一种通讯规约，多通道通讯模块用于电连接一外设和UART总线，以建立外设和UART总线之间的通信链路。

所述多通道通讯模块包括串口通讯链路、M-Bus通讯链路、无线通讯链路、载波通讯链路中的多种或者全部。

所述端口检测模块电连接主控模块和多通道通讯模块，用于探测多通道通讯模块每条通讯链路上的电压幅值，并将探测结果反馈至主控模块。

所述主控模块接收端口检测模块反馈的探测结果，根据探测结果以判断连接至多通道通讯模块的外设类型，调用对应的通讯规约与该外设进行数据交互。

所述端口检测模块采用A/D转换模块，当插接不同类型板件的外设时，因多通道通讯模块会通过电阻分压出不同的直流电压幅值，端口检测模块检测到这一电压幅值，将检测结果反馈至主控模块，主控模块中具有一端口识别单元和一协议转换单元，由主控模块判断出当前外设的板件类型，为当前外设配置对应的接口操作和规约应用。

通过以上结构，本发明利用端口检测模块识别插入的串口设备的检测管脚电压，从而识别到该板件的特征，主控模块通过设备类型自适应其通讯规约与外部设备进行数据交互，实现了不同接口的水、电、暖、气等仪表公共事业数据一体化远程抄收模式。

数据集中器可以对集中到的数据进行分析、转换、保存等处理，也可以对下行设备发送各种控制命令。

所述电源模块分别与主控模块、串口扩展模块、端口检测模块、多通道通讯模块电连接，用于提供前述各模块工作时需要的电压。

电源模块通过外接引入的88V～264V的交直流电源，经开关电源和DC-DC转化电路、线性稳压电路转化出主控模块和其它外设模块需要的直流电源，具有与其它弱电接口尺寸的差异性从而达到防呆设计和前端复合型热敏电阻实现的接地故障保护。

所述电源模块采用市电和/或纽扣电池。

所述数据集中器还包括一串口扩展模块。

所述主控模块具有复数个第一数据通讯接口，复数个数据通讯接口分别电连接至串口扩展模块，经串口扩展模块扩展成N倍数的第二数据通讯接口，第二数据通讯接口电连接至UART总线上。

所述N为大于等于4的正整数。

串口扩展模块通过SPI总线对串口扩展芯片的控制实现了扩展多路UART功能，相比较并口、I2C等其他总线扩展方式，SPI接口方式简单，需要的管脚少，速度可以达到10Mbit/s，可以满足复用扩展多个串口的需求。

若干个串口通讯模块，分别实现了调试信息打印、与其它通讯接口模块的数据交互、和具有光电隔离RS485模块的转化，实现不同接口的水、电、暖、气等仪表公共事业数据统一采集和控制命令的下发。

本数据集中器支持2路以太网，将主控模块的两路以太网的RMII总线接口引出，自主设计的底板需要外接以太网PHY芯片和RJ45的接口电路。通过配置既可以采集下行设备的数据，也可以上送集中、转化、保存的数据给后台。

图2是串口扩展模块的其中一个实施例，在该实施例中，使用一路SPI接口就可以扩展4路以上的UART接口。同时通过中断查询GPIO口和复位GPIO口提高了其工作稳定性和效率。当需要扩展更多的UART串口时，可以通过另外一个GPIO口控制片选CS信号，从而达到复用SPI总线的目的。同时也需要再通过两个GPIO口分别实现另一片串口扩展芯片的中断查询和芯片复位功能。每一片串口扩展芯片可以提供4路扩展出来的UART口进行使用，基于该扩展芯片SPI总线最高10Mbps速率和UART口应用速率来选择最大的扩展数量。

本数据集中器还具有一实时时钟模块，实时时钟模块由一款拥有I2C接口和具有温度补充功能的新型实时时钟芯片实现，当系统有主供电时，由系统电源进行供电；当系统电源断开时，则由纽扣电池进行供电。对整个系统提供高精度时钟，对采集到的数据进行时标记录并保存分析。

本申请提出的数据集中器，一方面，通过串口扩展模块扩展出更多的URAT串口，以增加负载能力，减少同一个网络中所要使用的数据集中器数量，简化网络，另一方面，通过端口检测模块和多通道通讯模块共同作用，以实现自动匹配与连接至该多通道通讯模块相对应的通讯规约。

因此，在上述结构的支撑下，本申请提出的数据集中器适用于一数量和种类均比较多的仪表网络，不需要去鉴别仪表的板卡类型，也不需要区分插接接口，数据集中器能够自适应地为每个接口的外设匹配合适的通讯规约，无需任何人工干涉。

由于同一个数据集中器上可能连接有数量众多的多个仪表，为了数据通讯的准确性和便利性，通常会为每个接口分配一唯一的地址。

由于连接在数据集中器上的外设并非是固定不变的，在某些情况下，其类型和数据还会发生变化，因此，优选的，前述接口地址通过自动分配的模式来实现，以提高数据集中器的智能化，减少人工干涉，提高工作效率。

下面提出其中一种接口地址分配方式，应当理解，地址分配方式不止包含这一种。

所述主控模块具有一巡检设备单元，巡检设备单元响应于数据集中器被重新启动，通过巡检方式重新配置连接至其上的所有外设的地址参数，并形成地址配置表。

结合图3，本申请所提及的数据集中器的项目现场基本采用Modbus规约，地址范围为1～247，上电初始化完成后对地址从1开始按如下固定长度报文进行巡检，确定通讯设备的地址和型号。每帧报文间隔200ms，轮询完成全部地址时间不超过1min。发现首个地址仪表后，由于单个通道最多携带32块设备且地址连续，所以通过二分法可以快速查询到最后一块仪表，再逐个询问各个设备的型号和通讯数据类型(二分法：首地址+32/2，若有则查询首地址+32/2+32/4，若无则查询首地址+32/2-32/4，该方法最多查询5次将找到最后一台设备)。对轮询结果进行存储并形成配置表，后续按其进行通信。若某通信不良的设备隔1小时连续通信三次后均无反馈，则删除配置表中信息。

由于数据集中器在长期运行过程中不会断电，所以每次重新上电都将自动巡检，获取配置表进行通信。这样现场增加、减少仪表无需重新配置信息，减少了调试过程。

数据集中器上连接的外设种类和数量有可能均较多，即，经由数据集中器收集的数据量较大，采集频次较高，而采集到的数据上传后台服务器时难免会发生意外，比如通讯网络拥堵、后台服务器断电等等，一旦出现意外，采集到的数据很容易大量丢失。

为了确保数据传输的准确性和完整性，我们在数据集中器中设置一存储模块，将收集到的数据存储在存储模块中，当数据传输通道发生意外时，数据可以安全地存储在存储模块中，直到数据传输通道恢复，再将存储的数据继续上传，并且在确定数据已经上传后台服务器后，从存储模块中将上传成功的数据删除，减少存储模块空间的占用。

存储模块为工业级class4的SD卡，支持高达10万次以上的擦写寿命和-40℃～85℃的宽温度范围。

所述存储模块与主控模块电连接，用以存储主控模块接收到的数据，其工作模式被设置如下：

以第一设定存储周期存储主控模块接收到的数据。

响应于主控模块将存储的数据上传后台服务器成功，删除上传成功的数据。

响应于无剩余存储空间，以第二设定存储周期存储主控模块接收到的数据，存储的数据覆盖最初数据。

所述第二设定存储周期大于第一设定存储周期。

所述第一设定存储周期为10min。

所述后台服务器响应于存储单元无剩余存储空间，通过平滑算法补充丢失数据。

图4为其中一种断电续传的实施例，在本实施例中，数据集中器的断点续传功能以10min间隔存储一次数据，当数据被主控模块上传至后台后，将数据从存储模块中删除。

若某一时刻，数据集中器与后台断开连接，主控模块将自动存储未上传数据至存储模块，在通讯恢复后自动传输保存的数据。

当存储模块中的存储空间满后，一方面自动切换拉长存储间隔，另一方面循环存储，最先覆盖最初数据。在与后台的通讯恢复后，由后台通过平滑算法补充丢失数据，做到数据无丢失。

同样的，这一过程是由主控模块自发完成，无需人工删除或者设置，实现了数据集中器数据存储和数据传输的自适应化。

从而，本发明提及一种自适应通讯的数据集中器，能够自动识别外设类型，自适应其通讯特征和规约，并且能够由单个主芯片扩展出大量通讯接口，实现多通道数据采集，另外，能够实现断点续传，在通讯中断恢复后自动上传丢失的数据。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种自适应通讯的数据集中器，适于实现外设和后台服务器之间的数据交互，其特征在于，所述数据集中器包括主控模块、端口检测模块、多通道通讯模块；

所述主控模块电连接至一UART总线上，以设定的协议实现与UART总线之间的数据传输；

所述多通道通讯模块具有多条通讯链路，每条通讯链路适于一种通讯规约，多通道通讯模块用于电连接一外设和UART总线，以建立外设和UART总线之间的通信链路；

所述端口检测模块电连接主控模块和多通道通讯模块，用于探测多通道通讯模块每条通讯链路上的电压幅值，并将探测结果反馈至主控模块；

所述主控模块接收端口检测模块反馈的探测结果，根据探测结果以判断连接至多通道通讯模块的外设类型，调用对应的通讯规约与该外设进行数据交互；

所述数据集中器还包括一串口扩展模块；

所述主控模块具有复数个第一数据通讯接口，复数个第一数据通讯接口分别电连接至串口扩展模块，经串口扩展模块扩展成N倍数的第二数据通讯接口，第二数据通讯接口电连接至UART总线上；

所述N为大于等于4的正整数。

2.根据权利要求1所述的自适应通讯的数据集中器，其特征在于，所述多通道通讯模块包括串口通讯链路、M-Bus通讯链路、无线通讯链路、载波通讯链路中的多种或者全部。

3.根据权利要求1所述的自适应通讯的数据集中器，其特征在于，所述端口检测模块采用A/D转换模块。

4.根据权利要求1所述的自适应通讯的数据集中器，其特征在于，所述数据集中器还包括一存储模块；

所述存储模块与主控模块电连接，用以存储主控模块接收到的数据，其工作模式被设置如下：

以第一设定存储周期存储主控模块接收到的数据；

响应于主控模块将存储的数据上传后台服务器成功，删除上传成功的数据；

响应于无剩余存储空间，以第二设定存储周期存储主控模块接收到的数据，存储的数据覆盖最初数据；

所述第二设定存储周期大于第一设定存储周期。

5.根据权利要求4所述的自适应通讯的数据集中器，其特征在于，所述第一设定存储周期为10min。

6.根据权利要求4所述的自适应通讯的数据集中器，其特征在于，所述后台服务器响应于存储单元无剩余存储空间，通过平滑算法补充丢失数据。

7.根据权利要求1所述的自适应通讯的数据集中器，其特征在于，所述主控模块具有一巡检设备单元，巡检设备单元响应于数据集中器被重新启动，通过巡检方式重新配置连接至其上的所有外设的地址参数，并形成地址配置表。

8.根据权利要求7所述的自适应通讯的数据集中器，其特征在于，所述巡检方式采用二分法。

9.根据权利要求1所述的自适应通讯的数据集中器，其特征在于，所述数据集中器还包括一电源模块，电源模块分别与主控模块、串口扩展模块、端口检测模块、多通道通讯模块电连接，用于提供前述各模块工作时需要的电压。