CN108092884A - 一种无线接入网关系统及应用方法 - Google Patents

一种无线接入网关系统及应用方法 Download PDF

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朱晓荣
许冬燕
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    • H04W88/16Gateway arrangements

Abstract

本发明公开了一种无线接入网关系统及应用方法,该网关集成了蓝牙、WIFI、Ethernet、OPC、Modbus等多种异构网络通信协议,可以与使用不同协议的工业设备进行通信。网关将接收到的数据进行协议适配和协议转换,然后集中汇合、分类和预处理,再通过标准化的API连接到互联网发送至远程网络控制平台服务系统进行数据管理,分析和共享,实现了数据的智能处理。同时本网关系统可对工业设备进行集中管理,实现通信‑计算‑存储(3C)融合的物端智能管控。本发明集成了现有的多种无线通信接入技术,实现泛在接入的功能,提高了资源利用率、服务质量和用户体验,对工业制造领域的研究有很大价值。

Description

一种无线接入网关系统及应用方法
技术领域
[0001] 本发明设计的一种无线接入网关系统及应用方法,属于无线通信技术领域。
背景技术
[0002] 近年来,从全球产业发展大趋势来看,发达国家正利用在信息技术领域的领先优 势,加快制造工业智能化的进程,比如美国提出的“工业互联网”策略,德国“工业4.0”计划, 英国的“英国工业2050战略”等等。与此同时,我国制造业持续快速发展,总体规模大幅提 升,综合实力不断增强。面对第四次工业革命带来的全球产业竞争格局的新调整,为抢占未 来产业竞争制高点,我国宣布实施“中国制造2025”。可见,工业制造己成为公认的提升制造 业整体竞争力的核心高技术。而工业制造环境下多设备多终端的管理,海量数据的传输和 处理也成为亟待解决的问题,只有借助新一代的通信技术才能实现多设备的信息感知,通 过宽带网络对数据进行精确控制和远程协作。
[0003] 本发明提出了一种新型无线接入网关,设备终端产生的数据能通过网关间的各模 块协同工作进行处理并转发,用户也可通过网关向设备发送指令从而管理设备。与传统的 网关只能简单转发数据相比,新型无线接入网关实现了对终端设备的管理和控制,响应了 目前物联网领域提出的计算-通信-控制(3C)融合,即将通信与计算和控制功能融合在一个 系统中共同实现。新型无线接入网关面向内网,实现异种控制及数据采集设备和各信息化 系统的互联,而面向外网,通过4G专线连接业务平台和其他内网,实现跨越公网的智能专 网。新型无线接入网关将更好的实现管理设备,传输数据的功能。
发明内容
[0004] 技术问题:本发明针对工业制造中设备数量众多难以管理,数据形式多样处理复 杂的问题,设计了一种新型无线接入网关,集成了现有的多种无线通信接入技术,能够完成 各种协议的适配和转化,是一个通用的接入网关,实现泛在接入的功能。设备终端产生的数 据能通过网关间的各模块协同工作进行处理并转发,实现了过滤本地数据并选择性的转发 到云的功能。
[0005]技术方案:1 •本发明设计的新型无线接入网关,以ARM核的嵌入式微处理器为硬件 平台,包括通信接口模块,通信适配模块,控制模块,管理模块,存储模块,各模块间协同工 作提供网关功能。新型接入网关将环境中分立的感知节点和各种智能终端设备进行统一管 理,除了转发和短时存储数据之外,实现了控制终端设备的功能,最终通过API接口实现与 云平台的交互。
[0006]各模块的技术原理以及实现功能主要为:
[0007]通信接口模块:支持多种硬件接口,如:蓝牙接口、WIFI接口、3G/4G接口、LoRa接 口、NB-I0T接口、Ethernet 接口、RS-232接口、RS-485接口等。基于 ARM-Linux 架构的网关集 成了通用程度较高的协议之外,还支持各种第三方设备的通讯协议。只需根据设备的通讯 协议撰写XML文件,描述其协议特性,并将XML文件复制到网关制定目录中,智能网关即可与 第三方设备正常通讯。通信接口模块支持各种硬件通讯接口,通过这些硬件接口可连接各 种各样不同的工业设备。
[0008] 通信适配模块:支持多种工业设备协议,如:0PC、Modbus、IEC61850、IEC60870、 DNP3、BACnet、PLC等。通信适配模块包括协议适配模块和数据解析模块,实现协议转换与解 析数据格式的标准化。通信适配模块将从设备终端获取的数据进行解析,判断数据的来源 以及属性,根据数据的属性进行协议转换和数据封装。
[0009] 控制模块:包括输入模块,访问控制模块,液晶显示模块。输入模块供用户输入相 关操作指令,比如控制网关程序的运行和中止,对程序进行修改,对底层设备发布控制命令 等。访问控制模块对登录用户进行身份验证,权限分配,并记录访问日志,保证网关系统的 安全性。液晶显示模块展现网关的运行状态,包括终端数据是否正常传输,连接是否断开。 控制模块对整个网关系统进行操作控制,保证网关系统的正常运行。
[0010] 管理模块:包括节点管理器和服务管理器和安全管理模块。节点管理器处理工业 设备发来的请求。当设备发出指令请求时,由节点管理器决定是否接受请求(这个决定是基 于新型网关是否有空闲资源,以及请求任务的优先级是否高于或等于网关上执行任务的优 先级)。响应被发送回终端设备,一旦请求被接受,服务管理器进行初始化设置,为任务分配 资源,更新防火墙设置。安全管理模块负责对设备的安全访问控制,以及根据实际业务的安 全需求,实现数据包的加密处理。
[0011] 存储模块:包括FLASH和SDRAM芯片,FLASH芯片用于存储网关的嵌入式操作系统, 应用程序,网络服务器以及支持各种服务所需要的文件系统。又由于嵌入式操作系统的存 在需要动态RAM,而提供的动态RAM远远不能满足要求,因而需要在外部总线上扩展SDRAM。 同时存储模块支持工业设备数据的短时存储,可根据服务器的需要按需转发。
[0012] 2 •业务到来时,具体通信流程为:
[0013] 1)通信接口模块根据业务传输所使用网络的不同形式驱动相应的蓝牙接口、WIFI 接口、X/4G接口、LoRa接口、NB-1OT接口、Ethernet接口、RS-232接口、RS-485接口等,使相 应设备连接入网关。
[00M] 2)接着通信适配模块根据设备不同的协议进行协议的适配与转换,使不同网络进 行融合,并且将采集到的终端设备数据根据数据的属性进行数据解析与封装。
[0015] 3)然后控制模块和管理模块进行高级管理和控制,侦听来自终端设备的请求,为 其分配资源。对终端设备发布指令,实现终端设备与网关的交互。
[0016] 4)最后网关系统通过标准化的他〗接口实现与云服务器的数据和控制信息的交 互。接受来自云服务器的请求,网关会发布一个操作系统容器,给其分配一定的资源,在容 器中执行应用程序,方便被云服务器管理,从而实现在平台侧管理底层设备。
[0017] 5)云服务器接收网关传来的数据和信息存入数据库,云平台显示网络终端设备的 状态,方便用户查看。
[0018]有益效果:本发明与现有技术相比,有如下优点:
[0019] ⑴本发明设计的新型无线接入网关基于ARM-Linux嵌入式平台,ARM-Linux网关 集成了通用程度比较高的协议接口以外,对于第三方设备的支持非常便捷和容易,只要能 获得第三方设备的通讯协议就可以实现。该网关集成了蓝牙、WIFI、Ethernet、3G/4G、LoRa、 NB_I0T、RS-232、RS-485等多种异构网络通讯协议,能够同时与使用不同协议的设备或子系 犹进仃通1目,功耗小,可靠性高。
[0020] (2)本发明设计的新型无线接入网关与传统的网关只能简单转发数据到服务器相 bb,实现了对设备的管理控制,可通过管理和控制模块对设备发布指令,执行操作,同时接 受来自底层设备的任务请求,实现网关系统与终端设备的交互,真正做到智能管理工业设 备。最后网关系统通过标准化的API接口实现与云服务器的数据和控制信息的交互。
[0021] (3)新型无线接入网关采用高性能的嵌入式计算平台,服务内核软件可运行于嵌 入式操作系统中,是一个脱离于具体硬件设备接口的通讯服务平台。系统包括高性能的实 时数据库系统,具有多种通讯采集和转发规约库,可以实现采集多个不同子系统的数据,进 行数据集中汇总、分类和预处理,可以实现采集多个不同子系统的数据,进行数据集中汇 总、分类和预处理,可以简化系统中异种协议的转换和系统联网过程,并可通过标准协议接 口与业务系统对接,提高了资源利用率,服务质量和用户体验。
附图说明
[0022]图1工业制造中一种新型无线接入网关系统结构框图;
[0023]图2工业制造中一种新型无线接入网关通信流程图;
[0024]图3工业制造中一种新型无线接入网关系统分层图。
具体实施方式
[0025]以下结合实施例和附图,对本发明作进一步说明。
[0026] 1 •如图1所示,本发明的网关系统结构框图,基于ARM-Linux平台的新型无线接入 网关,包括通信接口模块,通信适配模块,控制模块,管理模块,存储模块。新型网关集成了 现有的多种无线通信接入技术,能够完成各种协议的适配和转化,是一个通用的接入网关, 实现泛在接入的功能。
[0027] 新型网关的技术原理以及关键技术主要包括:
[0028]通信接口模块:支持多种硬件接口,如:蓝牙接口、WIFI接口、3G/4G接口、LoRa接 口、NB-I0T 接口、Ethernet 接口、RS-232接口、RS-485 接口等。基于 ARM-Linux 架构的网关集 成了通用程度较高的协议之外,还支持各种第三方设备的通讯协议。只需根据设备的通讯 协议撰写XML文件,描述其协议特性,并将XML文件复制到网关制定目录中,智能网关即可与 第三方设备正常通讯。通信接口模块支持各种硬件通讯接口,通过这些硬件接口可连接各 种各样不同的工业设备。
[0029] 通信适配模块:支持多种工业设备协议,如:0PC、Modbus、IEC61850、IEC60870、 DNP3、BACnet、PLC等。通信适配模块包括协议适配模块和数据解析模块,实现协议转换与解 析数据格式的标准化。通信适配模块将从设备终端获取的数据进行解析,判断数据的来源 以及属性,根据数据的属性进行协议转换和数据封装。
[0030]控制模块:包括输入模块,访问控制模块,液晶显示模块。输入模块供用户输入相 关操作指令,比如控制网关程序的运行和中止,对程序进行修改等。访问控制模块对登录用 户进行身份验证,权限分配,并记录访问日志,保证网关系统的安全性。液晶显示模块展现 网关的运行状态,包括终端数据是否正常传输,连接是否断开。控制模块对整个网关系统进 行操作控制,保证网关系统的正常运行。
[0031]管理模块:包括节点管理器和服务管理器和安全管理模块。节点管理器处理工业 设备发来的请求。当设备发出指令请求时,由节点管理器决定是否接受请求(这个决定是基 于新型网关是否有空闲资源,以及请求任务的优先级是否高于或等于网关上执行任务的优 先级)。响应被发送回终端设备,一旦请求被接受,服务管理器进行初始化设置,为任务分配 资源,更新防火墙设置。安全管理模块负责对设备的安全访问控制,以及根据实际业务的安 全需求,实现数据包的加密处理。
[0032]存储模块:包括FLASH和SDRAM芯片,FLASH芯片用于存储网关的嵌入式操作系统, 应用程序,网络服务器以及支持各种服务所需要的文件系统。又由于嵌入式操作系统的存 在需要动态RAM,而提供的动态RAM远远不能满足要求,因而需要在外部总线上扩展SDRAM。 同时存储模块支持工业设备数据的短时存储,可根据服务器的需要按需转发。
[0033] 2 •如图2所示,本发明的网关通信流程图
[0034]业务到来时,具体通信流程为:
[0035] 1)通信接口模块根据业务传输所使用网络的不同形式驱动相应的蓝牙接口、WIFi 接口、3G/4G接口、LoRa接口、NB-IOT接口、Ethernet接口、RS-232接口、RS-485接口等,使相 应设备连接入网关。
[0036] 2)接着通信适配模块根据设备不同的协议进行协议的适配与转换,使不同网络进 行融合,并且将采集到的终端设备数据根据数据的属性进行数据解析与封装。
[0037] 3)然后控制模块和管理模块进行高级管理和控制,侦听来自终端设备的请求,为 其分配资源。对终端设备发布指令,实现终端设备与网关的交互。
[0038] 4)最后网关系统通过标准化的API接口实现与云服务器的数据和控制信息的交 互。接受来自云服务器的请求,网关会发布一个操作系统容器,给其分配一定的资源,在容 器中执行应用程序,方便被云服务器管理,从而实现在平台侧管理底层设备。
[0039] 5)云服务器接收网关传来的数据和信息存入数据库,云平台显示网络终端设备的 状态,方便用户查看。 _0] 3•如图3所示,本发明的系统分层图,具有硬件驱动层,协议适配层,控制管理层, 广域接入层。该网关系统包含的功能有:为终端设备提供蓝牙、WIFI、3G/4G、L〇Ra、NB-I0T、 Ethernet、RS_232等多种形式接入网关,实现了终端设备的泛在接入,具有硬件驱动层;终 端轻便接入;支持多种工业设备协议,如:0PC、Modbus、IEC61850、IEC60870、DNP3、BACnet、 PLC等,具有协议适配层;实现对接入终端的自动化管理;具备广域接入能力、协议转换和控 制层。
[0041] 各层具体功能为:
[0042] 硬件驱动层:硬件驱动层为上层程序提供外部设备的操作接口,并且实现设备的 驱动程序。根据设备所使用的接口不同驱动相应的蓝牙接口、WIFI接口、Ethernet接口、3G/ 4G接口、LoRa接口、NB-I0T接口、RS-232接口、RS-485接 口等。
[0043]协议适配层:协议适配层完成协议的适配与转换,使不同网络进行融合,并且将采 集到的终端设备数据根据数据的属性进行数据解析与封装。
[0044]控制管理层:控制管理层控制和管理整个网关系统,包括访问控制、资源映射、安 全管理等,保证整个网关系统的正常运作。同时进一步实现子网内各节点的管理,例如获取 节点的标识、状态、属性等信息,以及节点的远程唤醒、控制、诊断、升级维护等。
[0045] 广域接入层:广域接入层实现与云平台的交互,通过标准化的API如Rest、 Netc〇nf、CLI与业务系统对接,完成网关系统与业务系统的交互,指令传送。

Claims (2)

1. 一种无线接入网关系统,其特征在于,包括: 通信接口模块:支持多种硬件接口,包括蓝牙接口、WIFI接口、3G/4G接口、LoRa接口、 NB-I0T接口、Ethernet 接口、RS-232接口、RS-485 接口;基于 ARM-Linux 架构的网关集成了通 用程度较高的协议之外,还支持各种第三方设备的通讯协议;只需根据设备的通讯协议撰 写XML文件,描述其协议特性,并将XML文件复制到网关制定目录中,智能网关即与第三方设 备正常通讯;通信接口模块支持各种硬件通讯接口,通过这些硬件接口可连接各种各样不 同的工业设备; 通信适配模块:支持多种工业设备协议,包括0PC、Modbus、IEC61850、IEC60870、DNP3、 BACnet、PLC;通信适配模块包括协议适配模块和数据解析模块,实现协议转换与解析数据 格式的标准化;通信适配模块将从设备终端获取的数据进行解析,判断数据的来源以及属 性,根据数据的属性进行协议转换和数据封装; 控制模块:包括输入模块,访问控制模块,液晶显示模块;输入模块供用户输入相关操 作指令,控制网关程序的运行和中止,对程序进行修改;访问控制模块对登录用户进行身份 验证,权限分配,并记录访问日志,保证网关系统的安全性;液晶显示模块展现网关的运行 状态,包括终端数据是否正常传输,连接是否断开;控制模块对整个网关系统进行操作控 制,保证网关系统的正常运行; 管理模块:包括节点管理器和服务管理器和安全管理模块;节点管理器处理工业设备 发来的请求;当设备发出指令请求时,由节点管理器决定是否接受请求,这个决定是基于新 型网关是否有空闲资源,以及请求任务的优先级是否高于或等于网关上执行任务的优先 级);响应被发送回终端设备,一旦请求被接受,服务管理器进行初始化设置,为任务分配资 源,更新防火墙设置;安全管理模块负责对设备的安全访问控制,以及根据实际业务的安全 需求,实现数据包的加密处理; 存储模块:包括FLASH和SDRAM芯片,FLASH芯片用于存储网关的嵌入式操作系统,应用 程序,网络服务器以及支持各种服务所需要的文件系统。同时存储模块支持工业设备数据 的短时存储,根据服务器的需要按需转发; 又由于嵌入式操作系统的存在需要动态RAM,而提供的动态RAM远远不能满足要求,因 而需要在外部总线上扩展SDRAM。
2. 如权利要求1所述网关系统的应用方法,包括如下具体通信流程: 1) 通信接口模块根据业务传输所使用网络的不同形式驱动相应的蓝牙接口、WIFI接 口、3G/4G接口、LoRa接口、NB-I0T接口、Ethernet接口、RS-232接口、RS-485接口,使相应设 备连接入网关; 2) 接着通信适配模块根据设备不同的协议进行协议的适配与转换,使不同网络进行融 合,并且将采集到的终端设备数据根据数据的属性进行数据解析与封装; 3) 然后控制模块和管理模块进行高级管理和控制,侦听来自终端设备的请求,为其分 配资源;对终端设备发布指令,实现终端设备与网关的交互; 4) 最后网关系统通过标准化的API接口实现与云服务器的数据和控制信息的交互;接 受来自云服务器的请求,网关会发布一个操作系统容器,给其分配一定的资源,在容器中执 行应用程序,方便被云服务器管理,从而实现在平台侧管理底层设备; 5) 云服务器接收网关传来的数据和信息存入数据库,云平台显示网络终端设备的状 态,方便用户查看。
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