CN108494887A - 一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法 - Google Patents

一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，包括程序控制系统、仿真物联网模块、实时时钟模块、通讯模块以及存储模块；所述程序控制系统通过所述通讯模块与所述仿真物联网模块通讯，所述仿真物联网模块连接所述存储模块与所述实时时钟模块；控制方法包括如下步骤：步骤10、重载阶段：仿真物联网模块接收程序控制系统发送的重载代码并重载设备；步骤20、预置数据序列阶段：预置数据序列由程序控制系统发送给仿真物联网模块保存在存储模块中；步骤30、仿真阶段：仿真物联网模块重载成功后，仿真物联网模块内的控制器从存储模块内读出预置数据序列，并按照预置数据序列以及对应的通信协议，通过相适应的通讯方式输出。

Description

一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法
技术领域
本发明涉及一种物联网领域，特别涉及物联网教学或物联网系统设计调试的一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法。
背景技术
在工业物联网工程中，需要用到大量的传感器设备。目前，多数工业物联网设备，如温湿度传感器，会将测量到的温湿度数据，转换为数字信号，并以一定的通讯协议、一定的时间间隔，如MODBUS、MQTT等，通过RS232或RS485或WIFI的通信方式，将数据送出。物联网系统需要接收并分析协议中的数据，从而取得传感器的实时值，并进行显示、分析、控制和存储等。
在物联网系统的设计过程，物联网系统是通过解释传感器的输出数据，来获得实际传感器的值。在这一过程中，工业物联网传感器，所输出的数据是否与实际数据相符，是由传感器厂商提供的指标决定。在物联网工程的调试阶段，和物联网工程的教学过程中，工业物联网传感器设备是否有真实的传感器，和传感器值是否准确，并不重要。
目前，在物联网工程的教学过程中，需要使用大量的工业物联网传感器，用于系统集成和测试。在教学上使用时，存在的问题有：
(1)针对不同的物联网系统，需要购买不同的物联网传感器，成本较高。
(2)有些物联网传感器并不能或不方便在实验室内进行调试，如风速传感器、一氧化碳传感器、紫外线传感器等。以风速传感器为例，在测试过程中，通过希望能够得到从最小到最大风速的情况进行测试，但在实验室内较难实现，成本较高。对于一氧化碳传感器而言，为测试一氧化碳传感器的测量范围，需要在实验室输出不同的一氧化碳浓度，既不安全，且成本成高。
(3)真实物联网传感器不易控制其输出，不利于调试。如，当需要测试一个游泳池的温度监控系统时，改变游泳池的温度的过程十分缓慢，不利于物联网系统的调试。
(4)有些真实的物联网传感器价格较高，且不易维护。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法。
本发明是这样实现的：
一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，包括程序控制系统、仿真物联网模块、实时时钟模块、通讯模块以及存储模块；所述程序控制系统通过所述通讯模块与所述仿真物联网模块通讯，所述仿真物联网模块连接所述存储模块与所述实时时钟模块；
控制方法包括如下步骤：
步骤10、重载阶段：程序控制系统根据需要仿真的传感器发送对应的重载代码给仿真物联网模块，仿真物联网模块接收重载代码并重载设备；
步骤20、预置数据序列阶段：程序控制系统将预置数据序列由程序控制系统发送给仿真物联网模块，仿真物联网模块内的控制器将上述预置数据序列保存在存储模块中；仿真物联网模块与程序控制系统通过实时时钟模块同步时间；
步骤30、仿真阶段：仿真物联网模块重载成功后，仿真物联网模块内的控制器从存储模块内读出预置数据序列，并按照数据字节数、仿真开始时间、数据的时间间隔、数据的先后顺序，以及对应的通信协议，通过相适应的通讯接口输出。
优选地，所述步骤30、或，仿真物联网模块重载成功后，仿真物联网模块内的控制器与仿真物联网模块对应的真实传感器通过相适应的通信协议与通讯接口进行通讯。
优选地，所述步骤20、程序控制系统预置数据序列的过程包括如下步骤：
步骤21、程序控制系统将仿真的传感器类型、仿真数据总条数、每数据字节数、仿真开始时间以及数据时间间隔发送给仿真物联网模块；
步骤22、仿真物联网模块的控制器接收程序控制系统发送的上述预置数据序列，并按照仿真传感器数据的输出时间顺序保存到存储模块中；
步骤23、程序控制系统设置对应的传感器通讯地址或服务器IP地址及端口与仿真物联网模块通讯，并通过实时时钟模块与仿真物联网模块同步时间；
优选地，实时时钟模块由程序控制系统发送设定的命令，通过仿真物联网模块，读取和设置实时时钟模块的时间，实时时钟模块同步程序控制系统与仿真物联网模块的时间。
优选地，还包括显示屏，所示显示屏用于显示当前仿真传感器的类型、实时时钟模块、预置数据序列总数量、仿真开始时间、当前输出数据序号、当前输出数据值。
优选地，所述仿真物联网模块的控制器为单片机或嵌入式控制器。
优选地，所述存储模块为非易失存储器。
优选地，所述通信协议为MODBUS、CoAP、MQTT、HTTP、XMPP或AMQP。
优选地，所述通讯方式为RS232、RS485、LAN或WIFI。
本发明具有如下优点：
1、通过重载不同程序的方式仿真多种类型、多种协议、多种数据的仿真物联网模块，无需针对不同传感器准备各式各样的物联网设备，减少物联网设备投入成本、降低设备占用实验室的使用面积、减免物联网设备维修成本，大大减少了实验资金的投入。
2、本发明的仿真物联网模块既可与仿真传感器通讯，也可以直接与真实传感器通讯，因为同一类型的仿真传感器和真实传感器的协议以及通信接口是完全一致的，避免重复调试，在减轻工作量的同时使仿真物联网模块的使用范围更加广泛。
3、通过仿真传感器，无需使用真实传感器进行实验，不仅减免了传感器的投入成本，而且也避免了传感器失效情况下传感器作废的资源浪费。而且通过仿真传感器能在实验室环境中测试学习一些特殊传感器数据，如：风速传感器、一氧化碳传感器、紫外线传感器等，通过仿真传感器使实验更加方便、简单以及安全。通过仿真传感器能够控制传感器输出数值，利于物联网系统设计时的调试，对于物联网系统设计有长足的改善。
4、本发明通过设置显示屏，显示当前仿真传感器的类型、实时时钟模块、预置数据序列总数量、仿真开始时间、当前输出数据序号、当前输出数据值，方便学生了解实验过程，使实验过程更具可视性。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明方法的仿真阶段执行流程图。
图2为本发明方法的通信阶段一实施例的执行流程图。
图3为本发明方法的通信阶段另一实施例的执行流程图。
具体实施方式
如图1和图3所示，一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，包括程序控制系统、仿真物联网模块、实时时钟模块、通讯模块以及存储模块；程序控制系统通过通讯模块与仿真物联网模块通讯，仿真物联网模块连接存储模块与实时时钟模块；显示屏用于显示当前仿真传感器的类型、实时时钟模块、预置数据序列总数量、仿真开始时间、当前输出数据序号、当前输出数据值。
程序控制系统用于发送重载代码和预置数据序列；这里选用PC机作为程序控制系统，控制方法包括如下步骤：
步骤10、重载阶段：PC机根据需要仿真的传感器发送对应的重载代码给仿真物联网模块，仿真物联网模块接收重载代码并重载设备；
步骤20、预置数据序列阶段：
步骤21、PC机将仿真的传感器类型、仿真数据总条数、每数据字节数、仿真开始时间以及数据时间间隔发送给仿真物联网模块；
步骤22、仿真物联网模块的控制器接收PC机发送的上述预置数据序列，并按照仿真传感器数据的输出时间顺序保存到存储模块中；
步骤23、PC机设置对应的传感器通讯地址或服务器IP地址及端口与仿真物联网模块通讯，并通过实时时钟模块与仿真物联网模块同步时间；
步骤30、仿真阶段：仿真物联网模块重载成功后，仿真物联网模块内的控制器从存储模块内读出预置数据序列，并按照数据字节数、仿真开始时间、数据的时间间隔、数据的先后顺序，以及对应的通信协议，通过相适应的通讯接口输出；或，仿真物联网模块重载成功后，仿真物联网模块内的控制器与仿真物联网模块对应的真实传感器通过相适应的通信协议与通讯接口进行通讯。
仿真物联网模块的控制器为单片机或嵌入式控制器。实时时钟模块由PC机发送设定的命令，通过仿真物联网模块，读取和设置实时时钟模块的时间，实时时钟模块同步PC机与仿真物联网模块的时间，实时时钟模块实际上是一个集成芯片如DS1302加锂电池作为备用电源，由单片机或者嵌入式控制器通过IIC、SPI或并口等，与实时时钟芯片连接完成通讯。存储模块为非易失存储器。通信协议为MODBUS、CoAP、MQTT、HTTP、XMPP或AMQP等。通讯方式为RS232、RS485、LAN或WIFI等。
仿真温湿度传感器步骤如下：
步骤10、重载阶段
PC机根据需要发送不同的重载代码给单片机或嵌入式控制器，单片机或嵌入式控制器接收重载代码并根据重载代码进行重载：
如果仿真物联网模块的控制器为单片机，可以选择具有IAP(在应用可编程)功能的单片机，利用IAP功能写入新代码。如果物联网设备的控制器为嵌入式控制器，如采用具有WIFI联网功能的NODEMCU模组，则可以通过修改该模组的Init.LUA启动文件实现代码重载。
PC机在设置程序上选择MODBUS温湿度传感器，通信方式选择RS485，通讯协议选择MODBUS，并分别设置温度与湿度的MODBUS地址；PC机将温湿度传感器对应的BIN文件发送给单片机，单片机利用IAP功能更新程序区内容。
假设采用具有WIFI联网功能的NODEMCU模组作为嵌入式控制器：
PC机在设置程序上选择MQTT温湿度传感器，通信方式选择WIFI，通讯协议选择MQTT，并设置MQTT服务器IP地址、端口、温度所对应的发布主题，湿度所对应的发布主题；PC机将对应的INIT.LUA文件发送给NODEMCU，NODEMCU运行INIT.LUA文件。
步骤20、预置数据序列阶段
PC机在程序上设置需要仿真的温湿度传感器的数据总条数、每条数据字节数、仿真开始时间、数据时间间隔以及数据序列，仿真物联网模块接收数据并保存到存储模块中；
PC机通过发送命令，实时时钟模块使得仿真物联网模块与PC机的时间同步。
步骤30、仿真输出阶段
物联网重载和预置数据序列成功后，进入仿真输出阶段。
假设以单片机为仿真物联网模块的控制器，则单片机根据实时时钟模块，以及预置阶段设置的仿真开始时间，以及每条数据的字节数，从存储模块中根据数据时间间隔定时取出一组数据，放入MODBUS输出缓冲区的对应地址，作为这个时刻传感器的输出值。当单片机接收符合MODBUS协议的读取命令时，则从输出缓冲区取出数据，并以MODBUS协议的格式送出，作为该时间仿真物联网传感器的输出数据。
假设以NODEMCU为控制器，则NODEMCU根据实时时钟模块，以及预置阶段设置的仿真开始时间，以及每条数据的字节数，从存储模块中根据数据时间间隔定时取出一组数据，并将数据发布到已设定好的MQTT服务器对应的发布主题，作为该时间仿真物联网传感器的输出数据。
本发明的通讯方式涉及RS232、RS485、WIFI、LAN等工业物联网常用的通讯方式，涉及的通讯协议包含MODBUS、MQTT、UDP、TCP/IP、CoAP、XMPP等工业物联网常用的通讯协议。当选择不同的传感器类型进行仿真时需要选用不同的通讯方式与通讯协议进行配合使用。
本发明通过重载不同的仿真代码可以仿真实现不同的传感器，改变相应的通讯方式以及相应的通讯协议即可，无需针对不同传感器准备各式各样的物联网设备，减少物联网设备投入成本，而且在实验室环境中可以测试学习一些特殊传感器数据，如：风速传感器、一氧化碳传感器、紫外线传感器等，学习范围更加广阔而且高效。本发明同样适用于物联网系统设计时的调试，使物联网系统设计更加高效。
本发明的仿真物联网模块既可与仿真传感器通讯，也可以直接与真实传感器通讯，因为同一类型的仿真传感器和真实传感器的协议以及通信接口是完全一致的，避免重复调试，在减轻工作量的同时使仿真物联网模块的使用范围更加广泛。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，其特征在于：包括程序控制系统、仿真物联网模块、实时时钟模块、通讯模块以及存储模块；所述程序控制系统通过所述通讯模块与所述仿真物联网模块通讯，所述仿真物联网模块连接所述存储模块与所述实时时钟模块；
控制方法包括如下步骤：
步骤10、重载阶段：程序控制系统根据需要仿真的传感器发送对应的重载代码给仿真物联网模块，仿真物联网模块接收重载代码并重载设备；
步骤20、预置数据序列阶段：程序控制系统将预置数据序列由程序控制系统发送给仿真物联网模块，仿真物联网模块内的控制器将上述预置数据序列保存在存储模块中；仿真物联网模块与程序控制系统通过实时时钟模块同步时间；
步骤30、仿真阶段：仿真物联网模块重载成功后，仿真物联网模块内的控制器从存储模块内读出预置数据序列，并按照数据字节数、仿真开始时间、数据的时间间隔、数据的先后顺序，以及对应的通信协议，通过相适应的通讯接口输出。
2.根据权利要求1所述的一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，其特征在于：所述步骤30、或，仿真物联网模块重载成功后，仿真物联网模块内的控制器与仿真物联网模块对应的真实传感器通过相适应的通信协议与通讯接口进行通讯。
3.根据权利要求1所述的一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，其特征在于：所述步骤20、程序控制系统预置数据序列的过程包括如下步骤：
步骤21、程序控制系统将仿真的传感器类型、仿真数据总条数、每数据字节数、仿真开始时间以及数据时间间隔发送给仿真物联网模块；
步骤22、仿真物联网模块的控制器接收程序控制系统发送的上述预置数据序列，并按照仿真传感器数据的输出时间顺序保存到存储模块中；
步骤23、程序控制系统设置对应的传感器通讯地址或服务器IP地址及端口与仿真物联网模块通讯，并通过实时时钟模块与仿真物联网模块同步时间。
4.根据权利要求3所述的一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，其特征在于：实时时钟模块由程序控制系统发送设定的命令，通过仿真物联网模块，读取和设置实时时钟模块的时间，实时时钟模块同步程序控制系统与仿真物联网模块的时间。
5.根据权利要求1所述的一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，其特征在于：还包括显示屏，所示显示屏用于显示当前仿真传感器的类型、实时时钟模块、预置数据序列总数量、仿真开始时间、当前输出数据序号、当前输出数据值。
6.根据权利要求1所述的一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，其特征在于：所述仿真物联网模块的控制器为单片机或嵌入式控制器。
7.根据权利要求1所述的一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，其特征在于：所述存储模块为非易失存储器。
8.根据权利要求1所述的一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，其特征在于：所述通信协议为MODBUS、CoAP、MQTT、HTTP、XMPP或AMQP。
9.根据权利要求1所述的一种可重载并仿真多种工业物联网传感器设备的方法，其特征在于：所述通讯方式为RS232、RS485、LAN或WIFI。
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