CN110417649A - 一种多接口智能物联网数据网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多接口智能物联网数据网关的设计与实现，整个网关可分为电源模块，主控芯片，传感器接口模块，通信模块，单片机数据预处理模块，显示接口模块。所述电源模块为整个智能物联网数据网关供电；所述主控芯片负责后端云平台对网关的数据、命令的收发和网关对前端传感器的数据、命令收发以及控制各个子模块；所述传感器接口模块接入四种最常见的传感器信号，网关对这四种信号进行处理；所述通信模块可分为有线通信和无线通信，完成网关与前端传感器和后端云平台之间的数据通信；所述单片机数据预处理模块为接收传感器信号，完成模数转换等预处理工作，通信格式规定工作；所述显示接口模块为HDMI接口，为调试本设备提供方便。本发明有效解决了传统单一接口类型的数据网关的应用局限，也通过自定义数据帧格式的方法，解决了传感器数据多源异构问题，可应用于复杂的物联网环境。

Description

一种多接口智能物联网数据网关

技术领域

本发明属于数据网关设备领域，具体涉及一种多接口智能物联网数据网关设计实现。

背景技术

数据网关是各种传感器的数据采集控制中心，也是传感器与监控中心平台之间的中间节点设备。在传感器密集的工业监控场景中，为减少通信线路，通常先将传感器数据通过有线或无线方式接到数据网关，然后再经过公网或专网连接到监控中心平台，因此，数据网关是共享传输线路，提高线路利用率的一种有效设备。

从目前工业界的情况来看，传感器数据的多源异构现象将是未来长期存在的问题。在装备多种不同类型传感器的应用场景，行业标准、数据格式和传输协议都存在差异。通常传感器厂家会提供适用于该传感器的变送器，大量不同类型的传感器数据通过各自具有单一接口的变送器传给远程监控中心，若采用有线方式，不能共用的传输线缆会增加用户成本，且不便于安装检修；若采用无线方式，多条无线传输线路之间的相互干扰将会降低传输的可靠性。

因此，需要一种多接口智能物联网数据网关，能够兼容不同传输标准、不同数据格式和接口的各种传感器，在数据网关的输出端，彻底屏蔽底层传感器的差异，解决数据采集过程中的多源异构问题，满足复杂环境下的数据采集和传输需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多接口、基于多源异构数据整合技术的智能物联网数据网关的设计与实现，以克服上述缺陷。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多接口智能物联网数据网关，包括壳体，所述壳体内包括有智能物联网数据网关板，所述智能物联网数据网关板包括电源模块、主控芯片、通信模块、单片机数据采集预处理模块、显示接口模块、传感器接口模块。

所述电源模块为整个智能物联网数据网关板提供工作电压；所述主控芯片负责与传感器前端和后端云平台进行数据通信，并控制整个数据网关板的各个子模块；所述通信模块提供有线传输和无线传输方式，主要负责智能物联网数据网关的数据、命令上传下发等功能；所述单片机数据采集预处理模块负责传感器数据的前级处理，并制定通信帧格式；所述显示接口模块主要用于HDMI显示，用于对网关进行调试；所述传感器接口模块，主要负责将四类传感器信号接入本网关内部。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关中，电源模块为24V电源，并有24V转4.6V，24V转3.3V，24V转5V的子模块，分别为主控板、单片机、USB端口等供电。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关中，主控芯片采用基于嵌入式ARM处理器的主板。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关中，通信模块可分为有线传输模块和无线传输模块，有线传输模块包括以太网卡芯片、网络控制器、RJ45接口，以太网卡芯片连接网络控制器和RJ45接口。无线传输模块包括4G模块、NB-IoT模块、LoRa模块、ZigBee模块和WiFi模块。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关的无线传输模块中，4G模块包括Me909s-821模块，以及与之配套的SIM卡电路。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关的无线传输模块中，NB-IoT模块包括NB73模块及其外围电路。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关的无线传输模块中，LoRa模块包括RFM98芯片及其外围电路。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关的无线传输模块中，ZigBee模块包括Z150PA芯片及其外围电路。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关的无线传输模块中，WiFi模块包括AP6212芯片及其外围电路。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关中，单片机数据采集预处理模块采用STM32F103C单片机芯片作为核心，并有TL431模数转换电源基准芯片外围电路。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关中，显示接口模块为HDMI接口及其外围电路。

在上述的一种多接口智能物联网数据网关中，传感器接口模块为电流、电压、RS232信号、RS485差分信号输入及其外围电路设计。

与现有技术相比，本发明至少有以下改进：

本发明设计一种多接口智能物联网数据网关的输入方式，针对目前主流的工业传感器普遍采用的有线输入接口，设计了兼容4～20mA电流传感器信号、0～5V电压信号、RS232信号，RS485差分信号等四种输入信号，通过在单片机部分制定统一的通信帧格式，解决传感器节点数据多源异构问题，以应对复杂物联网环境。

进一步的，本发明设计一种多接口智能物联网数据网关的输出方式，针对目前主流的网关与监控中心平台之间的连接方式，设计了包括RJ45网口有线传输方式，4G模块、LoRa模块、NB-IoT模块、ZigBee模块和WiFi模块等无线传输方式，以适应不同场景下的数据回传要求。

综上所述，本发明打破了传感器信息孤岛现象，提供多接口接入，提升了物联网数据网管的系统兼容性，能够满足市面上绝大多数的传感器接入要求。本发明能够胜任在复杂环境下的数据监测、遥控等功能，为管理各类设备提供了高效的解决方案，解决了现有技术面对多接口、多类型传感器数据无能为力的困境。

附图说明

图1为本发明的实物结构图；

图2为本发明外壳结构图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种多接口智能物联网数据网关的设计与实现，根据市场上需求，设计本网关的接口类型，包括在仪器仪表中最常见的4～20mA模拟电流信号，电压传感器信号、RS232信号、RS485差分信号作为信号输入端。选取STM32单片机作为数据采集的核心，搭载Linux操作系统的嵌入式ARM处理器为核心板，整个数据网关由这两部分组成。解决传统数据网关的接口单一、数据多源异构问题。

上述传感器接口模块，针对可能出现的微小信号，对电压、电流信号设计相应的运放电路，放大倍数可根据运放电路中的电阻进行调整，提升系统兼容性。运放部分采用LM358运算放大器，根据其自身特性，可实现两路信号的放大。电流、电压传感器信号经过前级电路预处理后，交给STM32单片机进行下一级处理。RS232、RS485电路部分负责对RS232、RS485信号进行处理，该部分包括SP3232、SP3485芯片及其外围电路，实现智能数据网关与该类传感器的通信。进一步地，电压/电流传感器接口为四线制，RS485电路采用软件控制转换方向的方式，利用匹配电阻增加通信距离，完成RS485半双工通信。

上述单片机数据预处理模块以STM32作为数据采集的核心，主要负责传感器前端的数据采集、处理、发送至核心板、接收核心板命令、命令下发给传感器前端等功能。该部分外接TL431电压基准电路，为其内部A/D转换模块提供准确的电压参考值。并在单片机内制定了通信格式，规定了数据帧结构，用不同的数据格式区分各个命令，在每组数据帧尾加入CRC循环冗余校验码，确保通信数据正确收发。制定通信协议的目的是便于单片机高效管理前端传感器，便于传感器接收单片机命令，包括更改子节点地址、更改传输波特率等。

上述主控芯片为搭载Linux操作系统的嵌入式ARM处理器。主控芯片具有大小为2GB的RAM，16GB的ROM。本网关采用的Linux操作系统的安全性高于Windows操作系统。

上述通信模块针对智能物联网数据网关可能应用的环境，本发明在数据传输环节设计了无线传输和有线传输两种方式以供选择。包括网卡模块、NB-IoT模块、WiFi模块、ZigBee模块、4G模块、LoRa模块。

上述显示接口为HDMI口，可直接对核心板进行调试维护，方便操作。云平台显示前端传感器网络的实时数据，完成智能物联网数据网关的各项功能。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，给出了本发明提出的示意图。电源模块包括24V供电，系统复位按钮，系统工作指示灯。系统卡机时，通过复位按钮可重启核心板，进而使系统复位。设计工作指示灯是为了让使用者更直观的观察网关的工作状态而设置。

进一步地，电压/电流传感器接口为四线制分别是供电、信号+、信号-、地。RS232、RS485传感器电路模块，分别采用SP3232、SP3485芯片，将该类型的传感器信号接入到系统。RS485电路采用软件控制转换方向的方式，利用匹配电阻增加通信距离，完成RS485半双工通信。

进一步地，单片机采用STM32F103C，主要完成电压/电流传感器信号接收、传感器数据预处理、与后端云平台和前端传感器网络通信、制定帧格式结构、接收LoRa信号等工作。TL431为稳压源，其作用是获得更稳定的电压，给单片机内的AD提供稳定的2.5V参考电压，提高AD转换精度。

进一步地，本数据网关的通信部分包括：LoRa模块配合天线，进行无线数据传输。4G模块部分采用华为Me909s-821模块，包括SIM卡部分，完成无线通信功能；网卡部分由三部分组成，即RTL8211E网卡芯片、网络控制器、RJ45接口，实现数据有线传输；NB-IoT部分采用NB73模块，实现数据无线传输；ZigBee模块采用Z150PA芯片，实现短距离无线通信；WiFi部分采用AP6212芯片，实现无线通信。

进一步地，核心板是整个网关板的核心，它上面有HDMI显示接口、SPI通信、UART通信、I2C通信、MAC层相应引脚、PHY层相应引脚、WiFi信号引脚等，共204个引脚。控制网关上网功能、各类通信协议等。

请参阅图2，给出了本发明整体外观示意图。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.本发明设计一种多接口智能物联网数据网关，能够接入不同传输标准、不同数据格式和接口的传感器，解决数据采集过程中的多源异构问题，彻底屏蔽底层传感器的差异；在数据网关到监控中心平台的传输过程中，同时提供多种有线和无线传输方式，满足复杂环境下的数据采集和传输需求。

2.根据权利要求1所述的一种多接口智能物联网数据网关的数据采集方法，其特征在于，针对目前主流的工业传感器普遍采用的有线输出接口，设计了4～20mA电流传感器信号、0～5V电压信号、RS232信号，RS485差分信号的四种接入电路，通过在单片机部分制定统一的通信帧格式，解决传感器节点数据的多源异构问题，以应对复杂物联网环境。

3.根据权利要求1所述的一种多接口智能物联网数据网关的数据上传方法，其特征在于，针对目前主流的网关与监控中心平台之间的连接方式，设计了包括RJ45网口有线传输方式，4G模块、LoRa模块、NB-IoT模块、ZigBee模块和WiFi模块等无线传输方式，以适应不同场景下的数据回传要求。