CN111224868A - 一种物联网网关的控制系统和控制方法 - Google Patents

一种物联网网关的控制系统和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物联网网关的控制系统和控制方法，属于无线通讯技术领域。本发明的物联网网关的控制系统包括：紫蜂通信模块，其与采集器进行通信；数据存储模块，其采集器的相关信息存储；数据处理模块，其对振动数据进行去噪声处理；消息队列遥测传输模块，其将网关发布的数据转换成第一数据包；外网通信模块，其实现与云平台的通信；以及消息队列遥测传输模块，其将配置信息转换成第二数据包；紫蜂通信模块，其将第二数据包发送给相应的采集器；进程调度模块，其调度各模块和/或网关之间数据的传输或发送；状态管理模块，其监测各模块和/或网关的状态。本发明中通过简单的模块设置解决了网关系统在云平台与采集器之间的传递作用，经济实用，适合推广应用。

Description

一种物联网网关的控制系统和控制方法
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，特别涉及一种物联网网关的控制系统和控制方法。
背景技术
网关又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。使用在不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。
Cassandra系统是工业物联网的预测性维护系统。维护系统由采集器和网关硬件设备，以及云管理平台，人工智能引擎和用户端APP等软件系统组成。网关一端连接着采集器，另一端连接着云平台，两端之间的信息交互均需要网关实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种物联网网关的控制系统和控制方法，实现网关与采集器，网关与云平台之间的联系。
为了实现上述目的，本发明采用的第一个技术方案是：提供一种物联网网关的控制系统，在预测性维护系统中实现采集器、网关和云平台之间的通信，其中，采集器包括振动传感器和温度传感器，采集数据包括待测设备的振动数据和温度数据，其特征在于，包括：紫蜂通信模块，其与采集器进行通信，紫蜂通信模块将采集器的采集器地址、采集数据、运行状态和配置信息传输给网关，其中，配置信息包括采集器的电池电压、温度和采样率；数据存储模块，其将网关中的采集器列表、采集数据、采集器与网关的连接信息和绑定信息、采集器的配置信息一一对应的存储到缓存中，其中，采集器列表包括采集器地址和采集器的运行状态；数据处理模块，其调取数据存储模块采集数据中的振动数据，对振动数据进行去噪声处理，然后将去噪声处理后的振动数据存储在消息队列缓存中，等待传输；消息队列遥测传输模块，其将去噪声处理后的振动数据和温度数据、网关的工作状态和采集器列表打包成符合消息队列遥测传输协议的第一数据包，并将第一数据包进行发送；外网通信模块，其与外部网络进行连接，外网通信模块将接收的第一数据包传输给云平台，和传输云平台发送的配置信息；其中，消息队列遥测传输模块，其接收配置信息，并将配置信息打包成符合消息队列遥测传输协议的第二数据包，并将第二数据包发送给网关；紫蜂通信模块，其将网关接收的第二数据包传输给相应的采集器；进程调度模块，其对控制系统和/或网关进行进程调度；以及状态管理模块，其监测控制系统和/或网关是否处于正常状态。
本发明采用的第二个技术方案是：提供一种物联网网关的控制方法，在预测性维护系统中实现采集器、网关和云平台之间的通信，其中，采集器包括振动传感器和温度传感器，采集数据包括待测设备的振动数据和温度数据，其特征在于，包括：传输采集器数据步骤，通过紫蜂通信模块与采集器进行通信，紫蜂通信模块将采集器的采集器地址、采集数据、运行状态和配置信息发送给网关，其中，配置信息包括采集器的电池电压、温度和采样率；数据存储步骤，利用数据存储模块将网关中的采集器列表、采集数据、采集器与网关的连接信息和绑定信息、采集器的配置信息一一对应的存储到缓存中，其中，采集器列表包括采集器地址和采集器的运行状态；数据处理步骤，通过数据处理模块调取数据存储模块采集数据中的振动数据，对振动数据进行去噪声处理，然后将去噪声处理后的振动数据存储在消息队列缓存中，等待传输；第一数据包打包步骤，通过消息队列遥测传输模块将去噪声处理后的振动数据和温度数据、网关的工作状态和采集器列表打包成符合消息队列遥测传输协议的第一数据包，并将第一数据包进行发送；与云平台通信步骤，通过外网通信模块与外部网络进行连接，外网通信模块将接收的第一数据包传输给云平台，和传输云平台发送的配置信息；以及第二数据包打包步骤，通过消息队列遥测传输模块接收配置信息，并将配置信息打包成符合消息队列遥测传输协议的第二数据包，并将第二数据包发送给网关；传输配置信息步骤，通过紫蜂通信模块将网关接收的第二数据包传输给相应的采集器；进程调度步骤，通过进程调度模块对控制系统和/或网关进行进程调度；状态管理步骤，通过状态管理模块监测控制系统和/或网关是否处于正常状态。
本发明的有益效果在于：本发明通过队列轮询的方式实现紫蜂通讯模块对多个采集器的通信和利用消息队列遥测传输模块与云平台进行通讯，具有低功耗和低宽带等优点。而且通过简单的模块设置解决了网关系统在云平台与采集器之间的传递作用，经济实用，适合推广应用。
附图说明
图1为本发明物联网网关的控制系统和控制方法中控制系统各模块示意图；
图2为本发明物联网网关的控制系统和控制方法中状态管理模块流程的示意图；
图3为本发明物联网网关的控制系统控制和控制方法中控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述特征和优点更加易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。该详细说明仅仅是为了帮助理解本发明，本发明的保护范围不仅仅限于具体实施方式中的具体说明。
需要说明的是，本申请权利要求书、说明书和说明书摘要中的术语“第一”、“第二”是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1示出了本发明一种物联网网关的控制系统的具体实施方式，在预测性维护系统中实现采集器、网关和云平台之间的通信，其中，采集器包括振动传感器和温度传感器，采集数据包括待测设备的振动数据和温度数据，在该具体实施方式中，主要包括：
紫蜂Zigbee通信模块，该模块与至少一个采集器进行通信，一个Zigbee通信模块可以传输多个采集器上报的数据，其中上报的数据主要包括每个采集器的采集器地址、采集数据、运行状态和配置信息，其中，每个采集器有一个配置信息，配置信息包括采集器的电池电压、温度和采样率。
网关通过Zigbee通信模块获取与其连接的采集器上报的数据，然后网关判断每一个采集器地址是否在采集器列表中，若每一个采集器地址在采集器列表中，则更新采集器列表中该采集器对应的运行状态，若有采集器地址不在采集器列表中，则将不在采集器列表中的采集器地址和相对应的运行状态添加到采集器列表中。
在本发明的一个具体实施例中，上报的数据转换成RxData格式。
在该具体实施方式中，还包括，数据存储模块，其实现网关中核心数据的存储。
数据存储模块将网关中的采集器列表保存在缓存中，并将每个采集器与网关的连接信息和绑定信息写入到缓存中，同时将所有采集器的采集数据、采集器的配置信息进行存储，保证在断网的情况下，能够不丢失数据。
在该具体实施方式中，还包括，数据处理模块，其对采集数据进行处理。
数据处理模块首先调取数据存储模块采集数据中的振动数据，然后将振动数据进行简单的噪声数据处理，最后将去噪声处理后的振动数据存储在消息队列缓存中，等待传输。
在该具体实施方式中，还包括，消息队列遥测传输MQTT模块，其实现打包数据的过程。
消息队列遥测传输MQTT协议首先与MQTT模块建立联系。然后网关发起连接并将去噪声处理后的振动数据和温度数据、网关的工作状态和更新后的采集器列表等消息发送给MQTT模块。MQTT模块将接收的数据转换成mqttSensorListTypeDef格式的第一数据包。云平台订阅第一数据包后，即可收到网关的信息，掌握网关的工作状态和采集器的运行状态。
在该具体实施方式中，还包括，外网通信模块，其实现与外部网络的通信。
优选的，在外网通信模块中，通过WiFi和4G，以及太网ETH网口的方式连接外部网络（互联网或本地局域网）。外部网络实现外网通信模块与云平台之间的数据传输。外网通信模块将第一数据包发送给云平台。云平台通过外网通信模块将配置信息发送给MQTT模块。
在外网通信模块中，用户可以通过Web进行WiFi的配置，和插入4G卡进行通信。同时，网关通过串口通信的方式将数据发送给外网通信模块。
在该具体实施方式中，还包括，MQTT模块，其接收配置信息，然后MQTT模块将配置信息转换成mqttGatewayTypeDef格式的第二数据包，网关订阅第二数据包后即可收到云平台的配置信息。
在该具体实施方式中，还包括，Zigbee通信模块，其将网关订阅的第二数据包即配置信息传输给相应的采集器，使采集器进行配置。
在该具体实施方式中，还包括，进程调度模块，其调度紫蜂通信模块、数据存储模块、数据存储模块、数据处理模块、消息队列遥测传输模块、外网通信模块和/或网关之间的数据发送或传输，即分配紫蜂通信模块、数据存储模块、数据存储模块、数据处理模块、消息队列遥测传输模块、外网通信模块各模块之间的进程。
在本发明的一个具体实施例中，采用物联网操作系统中的RT-Thread进行进程调度。RT-Threa不仅仅是一个实时内核，还具备丰富的中间层组件，可以实时对各模块进行调度。
在该具体实施方式中，还包括，状态管理模块，其实时监测紫蜂通信模块、数据存储模块、数据存储模块、数据处理模块、消息队列遥测传输模块、进程调度模块、外网通信模块、状态管理模块和/或网关是否处于正常状态。
在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，利用3色LED灯显示外网连接状态，Zigbee通信模块状态，网关电源状态等不同的状态。通过一个主线进程进行管理，循环查询网关，外网通讯模块和Zigbee通信模块的状态。网关通电情况下，红色LED灯常亮，若数据存储模块异常，红色LED闪烁。当外网通讯模块正常工作，黄色LED灯闪烁，若外网通讯模块异常，则黄色LED灯熄灭。当Zigbee通信模块正常工作，蓝色LED闪烁，若Zigbee通信模块异常，则蓝色LED灯熄灭。
本发明通过队列轮询的方式实现Zigbee通讯模块对多个采集器的通信和利用MQTT模块与云平台进行通讯，具有低功耗和低宽带等优点。而且通过简单的模块设置解决了网关系统在云平台与采集器之间的传递作用，经济实用，适合推广应用。
图3示出了本发明一种物联网网关的控制方法的具体实施方式，在预测性维护系统中实现采集器、网关和云平台之间的通信，其中，采集器包括振动传感器和温度传感器，采集数据包括待测设备的振动数据和温度数据，在该具体实施方式中，主要包括以下步骤：
步骤S301：传输采集器数据步骤。
在本发明的一个具体实施方式中，通过紫蜂通信模块与至少一个采集器进行通信，一个Zigbee通信模块可以传输多个采集器上报的数据，其中上报的数据主要包括采集器地址、采集数据、运行状态和配置信息，其中，配置信息包括采集器的电池电压、温度和采样率。
网关通过Zigbee通信模块获取与其连接的采集器上报的数据，然后网关判断每一个采集器地址是否在采集器列表中，若每一个采集器地址在采集器列表中，则更新采集器列表中该采集器对应的运行状态，若有采集器地址不在采集器列表中，则将该不在采集器列表的采集器地址和相对应的运行状态添加到采集器列表中。
在本发明的一个具体实施例中，上报的数据转换成RxData格式。
步骤S302：数据存储步骤。
在该实施方式中，数据存储模块将网关中的采集器列表保存在缓存中，并将每个采集器与网关的连接信息和绑定信息写入到缓存中，同时将所有采集器的采集数据、采集器的配置信息进行存储，保证在断网的情况下，能够不丢失数据。
步骤S303：数据处理步骤。
在该实施方式中，数据处理模块调取数据存储模块采集数据中的振动数据，然后对采集数据中的振动数据进行去噪声处理，最后将去噪声处理后的振动数据存储在消息队列缓存中，等待传输。
步骤S304：打包第一数据包步骤。
在该实施方式中，消息队列遥测传输MQTT协议首先与MQTT模块建立联系。然后网关发起连接并将去噪声处理后的振动数据和温度数据、网关的工作状态和更新后的采集器列表等消息发送给MQTT模块。MQTT模块将接收的数据转换成mqttSensorListTypeDef格式的第一数据包。云平台订阅第一数据包后，即可收到网关的信息，掌握网关的工作状态和采集器的运行状态。
步骤S305：与云平台通信步骤。
在该实施方式中，通过WiFi和4G，以及太网ETH网口的方式连接外部网络（互联网或本地局域网）。外部网络实现外网通信模块与云平台之间的数据传输。外网通信模块将第一数据包发送给云平台。云平台通过外网通信模块将配置信息发送给MQTT模块。
在外网通信模块中，用户可以通过Web进行WiFi的配置，和插入4G卡进行通信。同时，网关通过串口通信的方式将数据发送给外网通信模块。
步骤S306：打包第二数据包步骤。
在该实施方式中，云平台将配置信息发布给MQTT模块，然后MQTT模块将配置信息打包成mqttGatewayTypeDef格式的第二数据包，网关订阅第二数据包后即可收到云平台的配置信息，例如配置信息可以为增大某个或某几个采集器的采样率。
步骤S307：传输配置信息步骤。
在该实施方式中，通过Zigbee通信模块将网关订阅的第二数据包即配置信息发送给相应的采集器，使采集器进行配置。
步骤S308：进程调度步骤。
在该实施方式中，进程调度模块调度紫蜂通信模块、数据存储模块、数据存储模块、数据处理模块、消息队列遥测传输模块、外网通信模块和/或网关之间的数据发送或传输，即分配紫蜂通信模块、数据存储模块、数据存储模块、数据处理模块、消息队列遥测传输模块、外网通信模块各模块之间的进程。
在本发明的一个具体实施例中，采用物联网操作系统中的RT-Thread进行进程调度。RT-Threa不仅仅是一个实时内核，还具备丰富的中间层组件，可以实时对各模块进行调度。
步骤S309：状态管理步骤。
在该实施方式中，状态管理模块实时监测监测紫蜂通信模块、数据存储模块、数据存储模块、数据处理模块、消息队列遥测传输模块、进程调度模块、外网通信模块、状态管理模块各模块和/或网关是否处于正常状态。
在本发明的一个具体实施例中，利用3色LED灯显示外网连接状态，Zigbee通信模块状态，网关电源状态等不同的状态。通过一个主线thread进程进行管理，循环查询网关，外网通讯模块和Zigbee通信模块的状态。网关通电情况下，红色LED灯常亮，若数据存储模块异常，红色LED闪烁。当外网通讯模块正常工作，黄色LED灯闪烁，若外网通讯模块异常，则黄色LED灯熄灭。当Zigbee通信模块正常工作，蓝色LED闪烁，若Zigbee通信模块异常，则蓝色LED灯熄灭。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种物联网网关的控制系统，在预测性维护系统中实现采集器、网关和云平台之间的通信，其中，采集器包括振动传感器和温度传感器，采集数据包括待测设备的振动数据和温度数据，其特征在于，包括：
紫蜂通信模块，其与所述采集器进行通信，将所述采集器的采集器地址、所述采集数据、运行状态和配置信息发送给所述网关，其中，所述配置信息包括所述采集器的电池电压、温度和采样率；
数据存储模块，其将所述网关中的所述采集数据、所述采集器与所述网关的连接信息和绑定信息、采集器列表和所述配置信息一一对应的存储到缓存中，其中，所述采集器列表包括所述采集器地址和所述采集器的所述运行状态；
数据处理模块，其调取所述数据存储模块所述采集数据中的所述振动数据，对所述振动数据进行去噪声处理，然后将去噪声处理后的振动数据存储在消息队列缓存中，等待传输；
消息队列遥测传输模块，其将所述去噪声处理后的振动数据和所述温度数据、所述网关的工作状态和所述采集器列表打包成符合消息队列遥测传输协议的第一数据包，并将所述第一数据包进行发送；
外网通信模块，其与外部网络进行连接，所述外网通信模块将接收的所述第一数据包传输给所述云平台，和传输所述云平台发送的所述配置信息；其中，
所述消息队列遥测传输模块，其接收所述配置信息，并将所述配置信息打包成符合所述消息队列遥测传输协议的第二数据包，将所述第二数据包发送给所述网关；
所述紫蜂通信模块，其将所述网关接收的所述第二数据包传输给相应的所述采集器；
进程调度模块，其对所述控制系统和/或所述网关进行进程调度；以及
状态管理模块，其监测所述控制系统和/或所述网关是否处于正常状态。
2.根据权利要求1所述的物联网网关的控制系统，其特征在于，所述采集器列表的更新过程为，所述网关判断所述采集器地址是否在所述采集器列表中，若所述采集器地址在所述采集器列表中，则更新所述采集器列表中所述采集器对应的所述运行状态，若所述采集器地址不在所述采集器列表中，则将所述采集器地址和相对应的所述运行状态添加到所述采集器列表中。
3.根据权利要求1所述的物联网网关的控制系统，其特征在于，在所述消息队列遥测传输模块中，所述第一数据包为mqttSensorListTypeDef格式，所述第二数据包为mqttGatewayTypeDef格式。
4.根据权利要求1所述的物联网网关的控制系统，其特征在于，所述外网通信模块通过WiFi、4G和太网网口的方式与外部网络进行连接。
5.根据权利要求1所述的物联网网关的控制系统，其特征在于，所述状态管理模块通过一个主线进程管理并循环查询所述紫蜂通信模块、所述数据存储模块、所述数据存储模块、所述数据处理模块、所述消息队列遥测传输模块、所述进程调度模块、所述外网通信模块、所述状态管理模块和所述网关的状态。
6.一种物联网网关的控制方法，在预测性维护系统中实现采集器、网关和云平台之间的通信，其中，采集器包括振动传感器和温度传感器，采集数据包括待测设备的振动数据和温度数据，其特征在于，包括：
传输采集器数据步骤，通过紫蜂通信模块将所述采集器的采集器地址、所述采集数据、运行状态和配置信息发送给所述网关，其中，所述配置信息包括所述采集器的电池电压、温度和采样率；
数据存储步骤，利用数据存储模块将网关中的采集器列表、所述采集数据、所述采集器与所述网关的连接信息和绑定信息和所述配置信息一一对应的存储到缓存中，其中，所述采集器列表包括所述采集器地址和所述采集器的所述运行状态；
数据处理步骤，通过数据处理模块调取所述数据存储模块所述采集数据中的所述振动数据，对所述振动数据进行去噪声处理，然后将去噪声处理后的振动数据存储在消息队列缓存中，等待传输；
第一数据包打包步骤，通过消息队列遥测传输模块将所述去噪声处理后的振动数据和所述温度数据、所述网关的工作状态和所述采集器列表打包成符合消息队列遥测传输协议的第一数据包，并将所述第一数据包进行发送；
与云平台通信步骤，通过外网通信模块与外部网络进行连接，所述外网通信模块将接收的所述第一数据包传输给所述云平台，和传输所述云平台发送的配置信息；其中，
第二数据包打包步骤，通过所述消息队列遥测传输模块接收所述配置信息，并将所述配置信息打包成符合所述消息队列遥测传输协议的第二数据包，并将所述第二数据包发送给所述网关；
传输配置信息步骤，通过所述紫蜂通信模块将所述网关接收的所述第二数据包传输给相应的所述采集器；
进程调度步骤，通过进程调度模块对所述控制系统和/或所述网关进行进程调度；以及
状态管理步骤，通过状态管理模块监测所述控制系统和/或所述网关是否处于正常状态。
7.根据权利要求6所述的物联网网关的控制方法，其特征在于，所述采集器列表的更新过程为，所述网关判断所述采集器地址是否在所述采集器列表中，若所述采集器地址在所述采集器列表中，则更新所述采集器列表中所述采集器对应的所述运行状态，若所述采集器地址不在所述采集器列表中，则将所述采集器地址和相对应的所述运行状态添加到所述采集器列表中。
8.根据权利要求6所述的物联网网关的控制方法，其特征在于，在所述发布消息步骤和所述订阅消息步骤中，所述第一数据包为mqttSensorListTypeDef格式，所述第二数据包为mqttGatewayTypeDef格式。
9.根据权利要求6所述的物联网网关的控制方法，其特征在于，在与云平台通信步骤中，外网通信模块通过WiFi、4G和太网网口的方式与外部网络进行连接。
10.根据权利要求6所述的物联网网关的控制方法，其特征在于，在所述状态管理步骤中，所述状态管理模块通过一个主线进程管理并循环查询所述紫蜂通信模块、所述数据存储模块、所述数据存储模块、所述数据处理模块、所述消息队列遥测传输模块、所述进程调度模块、所述外网通信模块、所述状态管理模块和所述网关的状态。
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