CN111225455A - 一种基于4g网络的无线终端设备及无线数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于4G网络无线数据传输技术领域，公开了一种基于4G网络的无线终端设备及无线数据传输方法。该无线终端设备4G DTU内嵌了TCP/UDP/HTTP/MQTT/RNDIS/NTP协议，提供七种工作模式：网络透传模式、HTTP透传模式、MQTT透传模式、阿里云透传模式、百度云透传模式、OneNET透传模式和RNDIS无线网卡模式，远程终端设备可以灵活选择这些工作模式进行设备组网，以满足各种应用场景的需求。

Description

一种基于4G网络的无线终端设备及无线数据传输方法
技术领域
本发明属于4G网络无线数据传输技术领域，具体涉及一种基于4G网络的无线终端设备及无线数据传输方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步与发展，物联网(The Internet of Things，简称IoT)技术的兴起，传统式的工业设备对联网的需求也越来越高，DTU(Data Transferunit，即数据传输单元)是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，而现有的DTU都是基于2G或者3G网络，数据传输延时大、速率慢、数据量小，在目前看来已经跟不上物联网发展的需求。
4G通信技术是第四代移动信息系统，是在3G技术上的一次改良，将WLAN技术和3G通信技术进行较好的结合，使图像的传输速度更快，提升传输图像的质量，使得图像看起来更加清晰，在智能通信设备中应用4G通信技术让用户的上网速度更加迅速，速度可以高达100M。现如今5G技术虽然已经开始商用，但是也只有部分区域才有5G网络，不适合大范围的工业设备使用，而随着5G技术的出现，4G模组和资费的降低，4G网络也更适用于物联网的场景。
因此市场上迫切需要开发一种基于4G网络的DTU，以实现基于4G网络的无线数据传输。
发明内容
为了解决传统的DTU数据传输延时大、速率慢、数据量小的问题，本发明提供了一种基于4G网络的无线终端设备4G DTU，以及利用该无线终端设备4GDTU进行无线数据传输的方法。该方法可以通过4G网络实现远程终端设备与服务器之间的无线数据通讯，可以直接替代传统的2G、3G无线通讯技术，提供高速率、低延时和大数据无线数据传输技术，以实现工业设备快速联网的需求。
相比于2G网络，4G网络现如今已经非常成熟，在短期内不会存在退网的情况，由于移动基站覆盖范围广，4G网络在覆盖面上已经非常普及，使得4GDTU在远距离通讯、稳定性以及组网方面也具有和2G DTU一样的优势，只要有4G网络的的地方都可以使用4G DTU进行无线数据通讯。本发明无线终端设备4G DTU内嵌了TCP/UDP/HTTP/MQTT/RNDIS/NTP协议，支持接入原子云、阿里云、百度云和OneNET云服务器平台，支持自动采集、注册包、心跳包、AT指令配置、短信配置、透传指令配置、上位机配置、基站定位、发送英文短信、自动重连、掉线监测等功能，进一步提高了无线数据传输稳定性与可靠性；同时，本发明无线终端设备4GDTU提供了七种工作模式：网络透传模式、HTTP透传模式、MQTT透传模式、阿里云透传模式、百度云透传模式、OneNET透传模式和RNDIS无线网卡模式，远程终端设备可以灵活选择这些工作模式进行设备组网，以满足各种应用场景的需求。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于4G网络的无线终端设备，包括LTE模组、STM32单片机、电源模块、RS232串口、RS485串口、状态指示灯、按键、SIM卡卡槽、吸盘天线、USB接口和外壳；所述LTE模组通过电源模块进行供电，LTE模组连接SIM卡卡槽与放入的SIM卡进行通信以实现注册、认证和4G上网功能，LTE模组连接吸盘天线来确保稳定的信号质量，LTE模组连接USB接口为RNDIS无线网卡功能提供使用接口，LTE模组与状态指示灯连接用来检测LTE模组工作状态和网络连接信息，STM32单片机通过串行接口与LTE模组相连以进行AT指令的交互从而实现串口数据与4G网络数据的传输，STM32单片机使用电源模块进行供电，STM32单片机连接RS485串口和RS232串口与远程终端设备进行串口数据交换，STM32单片机连接状态指示灯用来指示无线终端设备4G DTU的工作状态，STM32单片机连接按键用来进行固件升级和重置出厂参数；所述无线终端设备4G DTU内嵌TCP/UDP/HTTP/MQTT/RNDIS/NTP协议，支持网络透传、HTTP透传、MQTT透传、阿里云透传、百度云透传、OneNET透传和RNDIS协议七种工作模式，所述网络透传模式下可以建立远程终端设备与远程服务器之间的通讯，所述HTTP透传模式下远程终端设备可以以GET/POST方式请求远程HTTP服务器实现通讯，所述MQTT透传模式下远程终端设备可以实现与远程MQTT服务器之间的数据透传，所述阿里云透传模式下可以实现远程终端设备直接与阿里云服务器的数据交互，所述百度云透传模式下可以实现远程终端设备直接与百度天工云服务器的数据交互，所述OneNET透传模式下可以实现远程终端设备直接与OneNET云服务器的数据交互，所述RNDIS无线网卡模式下支持USB虚拟无线网卡功能。
一种基于4G网络的无线数据传输方法，包括以下步骤：
远程终端设备将采集到的信息或者需要发送的数据通过RS232串口或者RS485串口传递给无线终端设备4G DTU内部的STM32单片机，STM32单片机在接收到数据后通过软件上的TCP/UDP/HTTP/MQTT/RNDIS/NTP协议将数据打包，之后与LTE模组通讯确认网络连接正常后，将数据交到4G网络上，并不断检测这些数据的交付情况，直到确认数据全部成功到达服务器端时，无线终端设备4G DTU就已经完成了数据从远程终端设备到远程服务器之间的通讯交互过程。
进一步地，远程服务器先将数据先交到4G网络上，STM32单片机与LTE模组配合将接收到的协议数据解析处理后得到有效数据，然后STM32单片机通过RS232串口或者RS485串口传递给远程终端设备，无线终端设备4G DTU就已经完成了数据从远程服务器到远程终端设备之间的通讯交互过程。
相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明基于4G网络的无线传输方法，由于基站的覆盖范围广，相比于Zigbee、WIFI、2.4G、2G和3G等传统的无线通讯技术，其无线数据传输技术传输速率高、低延时、数据量大，在远距离的无线数据传输方面具有明显优势。
(2)本发明基于4G网络的无线传输方法，内嵌TCP/UDP/HTTP/MQTT/RNDIS/NTP协议，支持网络透传、HTTP透传、MQTT透传、阿里云透传、百度云透传、OneNET透传和RNDIS无线网卡七种工作模式，为使用者提供了多种方案选择，而市面上其它无线终端设备4G DTU在功能上都非常单一。
(3)本发明基于4G网络的无线传输方法，软件上支持TCP长连接与短连接机制、支持四路网络连接同时在线、支持动态域名和IP地址访问、支持注册包和心跳包功能、支持HTTP的请求头参数配置、支持AT指令/上位机/短信/透传指令配置、支持自动重连/掉线监测/看门狗机制、支持串口时间与长度打包机制、支持10Kbyte缓存机制、支持基站定位和实时时间查询和支持英文短信发送功能。
(4)本发明基于4G网络的无线传输方法，集成自动采集任务功能，可以实现一些远程终端从机设备的数据采集和自动控制等功能。
(5)本发明基于4G网络的无线传输方法，内嵌上百条AT指令来保证与LTE模组的稳定通讯，避免使用者再次开发LTE模组的难题，4G DTU支持参数掉电保存功能，可以减少对参数的重复配置。
(6)本发明基于4G网络的无线传输方法，4G DTU具有FOTA(Firmware Over-The-Air)功能，可以通过云服务器直接对它实现远程软件升级功能，以确保4G DTU功能的完整性和稳定性。
附图说明
图1为实施例中基于4G网络的无线终端设备4G DTU的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种基于4G网络的无线终端设备，其结构示意图如附图1所示，主要包括以下几个部分：LTE模组、STM32单片机、电源模块、RS232串口、RS485串口、状态指示灯、按键、SIM卡卡槽、吸盘天线、USB接口和外壳。其中LTE模组通过电源模块进行供电，LTE模组连接SIM卡卡槽与放入的SIM卡进行通信以实现注册、认证和4G上网功能，LTE模组需要连接吸盘天线来确保稳定的信号质量，LTE模组连接USB接口为4G DTU的RNDIS无线网卡功能提供使用接口，LTE模组与状态指示灯连接用来指示LTE模组工作状态和网络连接信息，STM32单片机通过串行接口与LTE模组相连以进行AT指令的交互从而实现串口数据与4G网络数据的传输，STM32单片机使用电源模块进行供电，STM32单片机连接RS485串口和RS232串口与终端设备进行串口数据交换，STM32单片机连接状态指示灯用来指示GPRS DTU的工作状态，STM32单片机连接按键用来进行固件升级和重置出厂参数功能。
远程终端设备将采集到的信息或者需要发送的数据通过RS232串口或者RS485串口传递给无线终端设备4G DTU内部的STM32单片机，STM32单片机在接收到数据后通过软件上的TCP/UDP/HTTP/MQTT/RNDIS/NTP协议将数据打包，之后与LTE模组通讯确认网络连接正常后，将数据交到4G网络上，并不断检测这些数据的交付情况，直到确认数据全部成功到达服务器端时，无线终端设备4G DTU就已经完成了数据从远程终端设备到远程服务器之间的通讯交互过程。如果远程服务器需要将数据传递给远程终端设备，服务器先将数据交到4G网络上，STM32单片机与LTE模组配合将接收到的协议数据解析处理后得到有效数据，然后STM32单片机通过RS232串口与RS485串口传递给远程终端设备，无线终端设备4G DTU就已经完成了数据从远程服务器到远程终端设备之间的通讯交互过程。
无线终端设备4G DTU内嵌了LTE模组和嵌入式微控制器STM32单片机，LTE模组主要用于与4G网络的交互，从而实现无线接收、发射和基带信号处理功能，STM32单片机程序是基于嵌入式操作系统FreeRTOS开发的,它的高实时性和多任务特点提高了程序运行效率与系统的可靠性。程序中为了保证与LTE模组通讯的稳定性，使用了上百条AT指令实现了与LTE模组的复杂通信流程，可以有效避免数据在传输过程中丢失的情况，同时也避免了使用者与LTE模组之间复杂的通讯问题。为了实现大批量传输和组网灵活功能，程序在串行接口接收端提供了10Kbyte超大缓存空间和支持七种工作模式：网络透传模式、HTTP透传模式、MQTT透传模式、阿里云透传模式、百度云透传模式、OneNET透传模式和RNDIS协议，并且在网络透传模式下可以同时支持四路服务器连接供使用者灵活选择。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于4G网络的无线终端设备，其特征在于，包括LTE模组、STM32单片机、电源模块、RS232串口、RS485串口、状态指示灯、按键、SIM卡卡槽、吸盘天线、USB接口和外壳；所述LTE模组通过电源模块进行供电，LTE模组连接SIM卡卡槽与放入的SIM卡进行通信以实现注册、认证和4G上网功能，LTE模组连接吸盘天线来确保稳定的信号质量，LTE模组连接USB接口为RNDIS无线网卡功能提供使用接口，LTE模组与状态指示灯连接用来检测LTE模组工作状态和网络连接信息，STM32单片机通过串行接口与LTE模组相连以进行AT指令的交互从而实现串口数据与4G网络数据的传输，STM32单片机使用电源模块进行供电，STM32单片机连接RS485串口和RS232串口与远程终端设备进行串口数据交换，STM32单片机连接状态指示灯用来指示无线终端设备4G DTU的工作状态，STM32单片机连接按键用来进行固件升级和重置出厂参数；所述无线终端设备4G DTU内嵌TCP/UDP/HTTP/MQTT/RNDIS/NTP协议，支持网络透传、HTTP透传、MQTT透传、阿里云透传、百度云透传、OneNET透传和RNDIS协议七种工作模式，所述网络透传模式下可以建立远程终端设备与远程服务器之间的通讯，所述HTTP透传模式下远程终端设备可以以GET/POST方式请求远程HTTP服务器实现通讯，所述MQTT透传模式下远程终端设备可以实现与远程MQTT服务器之间的数据透传，所述阿里云透传模式下可以实现远程终端设备直接与阿里云服务器的数据交互，所述百度云透传模式下可以实现远程终端设备直接与百度天工云服务器的数据交互，所述OneNET透传模式下可以实现远程终端设备直接与OneNET云服务器的数据交互，所述RNDIS无线网卡模式下支持USB虚拟无线网卡功能。
2.一种基于4G网络的无线数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
远程终端设备将采集到的信息或者需要发送的数据通过RS232串口或者RS485串口传递给无线终端设备4G DTU内部的STM32单片机，STM32单片机在接收到数据后通过软件上的TCP/UDP/HTTP/MQTT/RNDIS/NTP协议将数据打包，之后与LTE模组通讯确认网络连接正常后，将数据交到4G网络上，并不断检测这些数据的交付情况，直到确认数据全部成功到达服务器端时，无线终端设备4G DTU就已经完成了数据从远程终端设备到远程服务器之间的通讯交互过程。
3.根据权利要求2所述的一种基于4G网络的无线数据传输方法，其特征在于，所述远程服务器先将数据先交到4G网络上，STM32单片机与LTE模组配合将接收到的协议数据解析处理后得到有效数据，然后STM32单片机通过RS232串口或者RS485串口传递给远程终端设备，无线终端设备4G DTU就已经完成了数据从远程服务器到远程终端设备之间的通讯交互过程。
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