CN112019415A - 一种数据传输协议转换装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种数据传输协议转换装置和方法，通过主控模块和与所述主控模块分别互连的人机交互模块、无线通信模块和串口模块的具体组合，能够将串口数据转换为可被服务器直接使用的数据格式，且数据通过无线网络传输，大大降低后台服务器处理成本，提高工业网络实时性、可靠性。

Description

一种数据传输协议转换装置和方法

技术领域

本发明涉及工业物联网通信中的数据传输转发技术，特别是一种数据传输协议转换装置和方法。

背景技术

人工智能、大数据、云计算等技术的发展，给工业智能化的实现带来新契机，使得一种高速、数据量大、多主机的工业以太网逐渐被使用。然而，目前的工业终端设备往往仅仅提供低速的、单主机的串口通信接口，已经不能满足工业以太网的联网需求。为解决上述矛盾，目前出现了一些（例如，串口服务器、无线DTU，DTU即数据传输单元，Data Transferunit）将串口转网口的设备。但现有的这些串口转网口设备，仅仅能够将目标设备的字符串数据无差别地由串口数据转为网络数据，没有对数据进行转换。因此，经过无差别转换的数据无法被网络后台服务器直接使用，这给后台服务器带来巨大的处理压力，会影响网络传输的实时性、可靠性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，本发明提供一种数据传输协议转换装置和方法，通过主控模块和与所述主控模块分别互连的人机交互模块、无线通信模块和串口模块的具体组合，能够将串口数据转换为可被服务器直接使用的数据格式，且数据通过无线网络传输，大大降低后台服务器处理成本，提高工业网络实时性、可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种数据传输协议转换装置，其特征在于，包括主控模块和与所述主控模块分别互连的人机交互模块、无线通信模块和串口模块，所述主控模块为MCU单板机，所述人机交互模块采用RS232串口和LED指示灯，所述串口模块采用RS485串口，所述无线通信模块为GSM模块，所述串口模块用于连接下行串口设备并用Modbus-rtu数据传输协议读写串口数据，所述无线通信模块用于连接上行无线网络服务器设备并用Json数据传输协议收发GSM数据，所述人机交互模块用于连接参数/协议配置装置，所述主控模块用于将来自RS485串口的Modbus-rtu格式数据转换为Json格式数据以通过所述GSM模块传输给所述无线网络服务器，所述主控模块用于将来自所述GSM模块的Json格式数据转换为Modbus-rtu格式数据以通过所述RS485串口传输给所述串口设备。

所述人机交互模块中设置有用于指示电源状态、GSM开关状态、GSM网络工作状态的LED指示灯。

所述参数/协议配置装置为笔记本电脑。

所述GSM模块包括GPRS通用无线分组业务单元。

一种数据传输协议转换方法，其特征在于，包括通过数据传输协议转换装置执行的以下步骤：步骤1，开始；步骤2，判断是否收到RS485串口数据，如果否，则进入第2分流程，如果是进入第1分流程；第1分流程包括步骤13，判断是否为Modbus-rtu数据，如果否，则进行串口数据异常处理后结束，如果是，则对RS485串口数据用Modbus-rtu协议处理；步骤14，将Modbus-rtu格式转换为Json格式；步骤15，通过GSM无线模块将Json格式数据发送到无线网络服务器后结束；第2分流程包括步骤23，判断是否收到GSM数据，如果否，则进入第3分流程，如果是，则进入步骤24；判断是否为Json格式数据，如果否，则进行GSM数据异常处理后结束，如果是，则对GSM数据用Json协议处理；步骤25，将Json格式数据转换为Modbus-rtu格式；步骤26，通过RS485串口模块发送到串口设备后结束；第3分流程包括步骤34，判断是否到20s周期，如果否，则结束，如果是，则进入步骤35；步骤35，通过RS485读取串口设备数据；步骤36，将串口设备数据的Modbus-rtu格式转换为Json格式；步骤37，通过GSM无线模块将Json格式数据发送到无线网络服务器后结束。

所述串口设备数据为电压值、电流值、功率、电网频率等电参量，温度、湿度等环境变量，有功电量、无功电量等电量值，以及报警状态、开关状态。

在所述数据传输协议转换装置中建立有以下工作模型：所述工作模型包括自上而下的调度器、应用层和驱动层，调度器确定调度任务，应用层包括初始化任务、人机交互任务和协议转换任务，驱动层包括Modbus-rtu与Json协议转换、GSM模块驱动、RS485驱动、RS232驱动、MCU初始化和中断处理。

所述调度器作用于应用层的调度流程包括从开始到初始化任务，到人机交互任务，到协议转换任务，到结束或者从协议转换任务返回到人机交互任务进行循环后结束。

所述调度器执行人机交互任务的流程包括从开始到判断是否收到RS232串口数据，如果否，则结束，如果是，则对RS232串口数据用Modbus-rtu进行处理后结束。

所述数据传输协议转换装置中的参数/协议配置装置通过人机交互模块配置以下协议类型和网络通信参数：串口通信波特率，串口转换协议类型，无线网络通信协议类型，以及网络设备地址。

本发明的技术效果如下：本发明一种数据传输协议转换装置和方法，通过主控模块和与所述主控模块分别互连的人机交互模块、无线通信模块和串口模块的具体组合，可以将串口数据转换为可被服务器直接使用的数据格式，且数据通过无线网络传输，大大降低后台服务器处理成本，提高工业网络实时性、可靠性。现有技术中，串口与下行设备的通信有一个应用层通信协议；无线网络与后台服务器通信有一个应用层协议，往往这二者是不同的。在实际的使用过程中，一般是在后台服务器端，将串口应用层协议转换为网络协议，协议转换任务在后台服务器实现，这样大大增加了服务器的压力，且后台服务器相关模块需要定制，不具有通用性。本发明的装置本身能够实现应用层的数据转换，将串口数据经过处理后转化为无线网络传输需要的数据格式，降低服务器处理成本；可以在设定的周期内自动上传数据，减少网络数据量，提高通信效率；将串口设备与无线网络设备互联在一起。为解决在边远地区串口设备组网，采用GPRS移动通信无线网络，一者，提高了组网的便益性、可靠性；二者，提高了该装置的地理使用范围。

附图说明

图1是实施本发明一种数据传输协议转换装置的结构示意图。图1中包括与主控模块（MCU，或称之为单板机或MCU单板机）互连的人机交互模块（具有RS232串口，以及用于指示电源状态、GSM开关状态、GSM网络工作状态的LED指示灯）、串口模块（具有RS485串口）和无线通信模块（GSM，Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统，具有GPRS功能，即General Packet Radio Service，通用无线分组业务）。MCU采用Modbus-rtu数据传输协议处理RS232或RS485的串口数据，并在通过Modbus-rtu协议读取到来自RS485的串口数据（例如电压值、电流值、温度值、电量等）后将RS485的串口数据转换成Json格式，并通过Json数据传输协议由GSM发送到无线网络服务器。MCU采用Json数据传输协议接收来自GSM的Json数据后，将Json数据转换成Modbus-rtu格式，由RS485串口发送给串口设备。图1中的参数/协议配置装置（例如笔记本电脑）用于根据连接的串口设备和后台服务器设备（即无线网络服务器），配置数据传输协议转换装置的协议类型和网络通信参数等，配置完成后，可将该配置装置撤去。

图2是图1的工作模型结构示意图。图2中包括自上而下的调度器、应用层和驱动层，调度器确定调度任务，应用层包括初始化任务、人机交互任务和协议转换任务，驱动层包括Modbus-rtu与Json协议转换、GSM模块驱动、RS485驱动、RS232驱动、MCU初始化和中断处理。

图3是图2中调度器作用于应用层的调度流程示意图。图3中的调度流程从开始到初始化任务，到人机交互任务，到协议转换任务，到结束或者从协议转换任务返回到人机交互任务。

图4是图2中调度器执行人机交互任务的流程示意图。图4中的人机交互任务流程包括从开始到判断是否收到RS232串口数据，如果否，则结束，如果是，则对RS232串口数据用Modbus-rtu进行处理后结束。

图5是图2中调度器执行数据传输协议转换任务的流程示意图。图5中数据传输协议转换任务流程包括步骤1，开始；步骤2，判断是否收到RS485串口数据，如果否，则进入第2分流程，如果是进入第1分流程；第1分流程包括步骤13，判断是否为Modbus-rtu数据，如果否，则进行串口数据异常处理后结束，如果是，则对RS485串口数据用Modbus-rtu协议处理；步骤14，将Modbus-rtu格式转换为Json格式；步骤15，通过GSM无线模块将Json格式数据发送到无线网络服务器后结束；第2分流程包括步骤23，判断是否收到GSM数据，如果否，则进入第3分流程，如果是，则进入步骤24；判断是否为Json格式数据，如果否，则进行GSM数据异常处理后结束，如果是，则对GSM数据用Json协议处理；步骤25，将Json格式数据转换为Modbus-rtu格式；步骤26，通过RS485串口模块发送到串口设备后结束；第3分流程包括步骤34，判断是否到20s周期，如果否，则结束，如果是，则进入步骤35；步骤35，通过RS485读取串口设备数据；步骤36，将串口设备数据的Modbus-rtu格式转换为Json格式；步骤37，通过GSM无线模块将Json格式数据发送到无线网络服务器后结束。

具体实施方式

以下结合附图（图1-图5）对本发明作进一步详细的说明。

图1是实施本发明一种数据传输协议转换装置的结构示意图。图2是图1的工作模型结构示意图。图3是图2中调度器作用于应用层的调度流程示意图。图4是图2中调度器执行人机交互任务的流程示意图。图5是图2中调度器执行数据传输协议转换任务的流程示意图。参考图1至图5所示，一种数据传输协议转换装置，其特征在于，包括主控模块和与所述主控模块分别互连的人机交互模块、无线通信模块和串口模块，所述主控模块为MCU单板机，所述人机交互模块采用RS232串口和LED指示灯，所述串口模块采用RS485串口，所述无线通信模块为GSM模块，所述串口模块用于连接下行串口设备并用Modbus-rtu数据传输协议读写串口数据，所述无线通信模块用于连接上行无线网络服务器设备并用Json数据传输协议收发GSM数据，所述人机交互模块用于连接参数/协议配置装置，所述主控模块用于将来自RS485串口的Modbus-rtu格式数据转换为Json格式数据以通过所述GSM模块传输给所述无线网络服务器，所述主控模块用于将来自所述GSM模块的Json格式数据转换为Modbus-rtu格式数据以通过所述RS485串口传输给所述串口设备。所述人机交互模块中设置有用于指示电源状态、GSM开关状态、GSM网络工作状态的LED指示灯。所述参数/协议配置装置为笔记本电脑。所述GSM模块包括GPRS通用无线分组业务单元。

一种数据传输协议转换方法，其特征在于，包括通过数据传输协议转换装置执行的以下步骤：步骤1，开始；步骤2，判断是否收到RS485串口数据，如果否，则进入第2分流程，如果是进入第1分流程；第1分流程包括步骤13，判断是否为Modbus-rtu数据，如果否，则进行串口数据异常处理后结束，如果是，则对RS485串口数据用Modbus-rtu协议处理；步骤14，将Modbus-rtu格式转换为Json格式；步骤15，通过GSM无线模块将Json格式数据发送到无线网络服务器后结束；第2分流程包括步骤23，判断是否收到GSM数据，如果否，则进入第3分流程，如果是，则进入步骤24；判断是否为Json格式数据，如果否，则进行GSM数据异常处理后结束，如果是，则对GSM数据用Json协议处理；步骤25，将Json格式数据转换为Modbus-rtu格式；步骤26，通过RS485串口模块发送到串口设备后结束；第3分流程包括步骤34，判断是否到20s周期，如果否，则结束，如果是，则进入步骤35；步骤35，通过RS485读取串口设备数据；步骤36，将串口设备数据的Modbus-rtu格式转换为Json格式；步骤37，通过GSM无线模块将Json格式数据发送到无线网络服务器后结束。所述串口设备数据为电压值、电流值、温度值和/或电量。在所述数据传输协议转换装置中建立有以下工作模型：所述工作模型包括自上而下的调度器、应用层和驱动层，调度器确定调度任务，应用层包括初始化任务、人机交互任务和协议转换任务，驱动层包括Modbus-rtu与Json协议转换、GSM模块驱动、RS485驱动、RS232驱动、MCU初始化和中断处理。所述调度器作用于应用层的调度流程包括从开始到初始化任务，到人机交互任务，到协议转换任务，到结束或者从协议转换任务返回到人机交互任务进行循环后结束。所述调度器执行人机交互任务的流程包括从开始到判断是否收到RS232串口数据，如果否，则结束，如果是，则对RS232串口数据用Modbus-rtu进行处理后结束。所述数据传输协议转换装置中的参数/协议配置装置通过人机交互模块配置以下协议类型和网络通信参数：串口通信波特率，串口转换协议类型，无线网络通信协议类型，以及网络设备地址。

本发明提供一种数据传输协议转换装置和方法，将串口数据转换为可被服务器直接使用的数据格式，且数据通过无线网络传输，大大降低后台服务器处理成本。包括主控模块以及分别与主控模块连接的串口模块、无线通信模块、人机交互模块，串口模块用于连接下行串口设备，并读写串口设备数据；无线通信模块用于连接上行无线网络服务器设备，并收发服务器数据；主控模块用于将依照特定的下行串口协议通过串口模块收到的下行串口设备数据转换为上行无线通信协议格式数据，并通过无线模块发送给上行无线网络服务器；将依照特定的上行无线通信协议通过无线模块收到的上行无线网络服务器数据转换为串口协议格式数据，并通过串口模块发送给下行串口设备。

所述串口模块为RS485串口，用于与下行串口设备进行通信，采用modbus-rtu协议读写串口设备数据。所述无线通信模块为GSM模块，基于其GPRS功能，通过移动/联通/电信的供应商网络，连接到后台服务器，依照json协议收发数据。所述人机交互模块为RS232串口，用于进行参数配置，采用modbus-rtu协议处理；包括配置协议类型和网络通信参数：串口通信波特率，串口转换协议类型，无线网络通信协议类型、网络设备地址；依照特定接口更新升级给设备程序，例如采用的硬件接口是RS232串口，软件采用modbus协议和Ymodem协议，操作流程：1、“电脑”通过RS232串口依照modbus协议发送更新程序命令，使得装置进入升级模式；2、进入升级模式后，“电脑”通过RS232依照Ymodem协议发送新程序给装置，发送完成后，装置自动重启，并运行新程序。

所述人机交互模块还包括led指示灯，用于显示装置的供电状态、GSM模块状态，由3个led组成，分别表示供电电源状态、GSM开关状态、GSM网络工作状态。所述主控模块为MCU单片机。还包括电源模块，用于为整个装置供电。采用所述数据传输协议转换装置的数据传输方法，其特征在于，依照特定的下行串口协议通过串口模块收取下行串口设备数据，进行协议处理，转换为上行无线通信协议格式数据，并通过无线模块发送给上行无线网络服务器；依照特定的上行无线通信协议通过无线模块收取上行无线网络服务器数据，进行协议处理，转换为下行串口协议格式数据，并通过串口模块发送给下行串口设备。包括通过调度器调度应用层，对驱动层执行初始化任务、人机交互任务、协议转发任务；其中人机交互任务和协议转发任务是在无限循环中运行；初始化任务用来对驱动层的各个应用模块进行初始化配置，包括MCU单片机、RS485、RS232、GSM模块；人机交互任务采用modbus协议收发RS232串口数据，根据连接的串口设备和服务器设备，配置数据传输的协议类型和网络通信参数；协议转发任务用来实现RS485与GSM数据协议的转换，包括：（1）采用modus-rtu协议接收RS485串口数据，进行modus-rtu数据处理，将modbus-rtu数据转化为json数据格式，发送给GSM模块，通过GSM模块无线发送给后台服务器；（2）采用json协议接收GSM模块数据，进行json数据处理，将json数据转化为modbus-rtu数据格式，发送给RS485串口；（3）控制GSM模块的收发状态和信息内容；所述协议转发任务还包括自动上传任务，以固定时间为周期，通过RS485串口读取下行串口设备节点的数据，将数据转化为json格式，自动通过GSM模块发送给后台服务器。

人机交互模块还包括led指示灯，用于显示装置的供电状态、通信状态，由3个led组成，分别表示供电电源状态、GSM开关状态、GSM网络工作状态：（1）、供电电源状态（亮：装置供电正常；灭：装置供电异常）；（2）、GSM开关状态（亮：表示GSM模块正常工作，灭：表示GSM模块关闭）；（3）、GSM网络工作状态（1、熄灭：关机；2、60ms亮/800ms熄灭：SIM800C没有找到服务（GSM 卡无服务）；3：60ms亮/3000ms熄灭：SIM800C连接到服务信号；4：60ms 亮/300ms熄灭：SIM800C正在GPRS通讯）。上述三种led状态均由装置本身的电源和GSM模块控制。GSM模块自带指示灯控制IO口，可用指示连接状态，即控制“GSM网络通信状态”指示灯。

主控模块为MCU单片机，执行实现整个装置的控制逻辑。其主要功能有：（1）读写RS232串口信息，用以配置和读取该装置参数，该指令采用modbus协议；（2）读写RS485串口数据，用于读写下行串口装置，采用modus-rtu协议；（3）控制GSM模块的收发状态和信息内容；（4）将从GSM模块收到的json数据转化为modbus-rtu数据，然后将其发给RS485串口；（5）将从RS485串口收到的modbus-rtu数据转化为json格式，发给GSM模块，然后控制发送给后台服务器；（6）RS232、RS485、GSM模块初始化；（7）此外，还支持自动上传功能，以固定（20S）时间为周期，将串口设备节点的数据，自动通过GSM发送给后台。

当后台服务器（即无线网络服务器）要读取串口设备的某个数据时，后台服务器依照无线网络通信协议将读取指令发送给所述数据传输协议转换装置，该装置提取指令信息，并将其转化为串口设备的协议帧，将转换后的读取指令发送给串口设备；接着依照串口协议返回要读取的数据给该装置，该装置提取关键数据（例如电压值、电流值、温度值、电度量等相关数据）后，将其转化为无线网络通信协议帧，并发送给后台服务器，就此完成了一次读数据通信。后台服务器要写数据时亦然。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种数据传输协议转换装置，其特征在于，包括主控模块和与所述主控模块分别互连的人机交互模块、无线通信模块和串口模块，所述主控模块为MCU单板机，所述人机交互模块采用RS232串口，所述串口模块采用RS485串口，所述无线通信模块为GSM模块，所述串口模块用于连接下行串口设备并用Modbus-rtu数据传输协议读写串口数据，所述无线通信模块用于连接上行无线网络服务器设备并用Json数据传输协议收发GSM数据，所述人机交互模块用于连接参数/协议配置装置，所述主控模块用于将来自RS485串口的Modbus-rtu格式数据转换为Json格式数据以通过所述GSM模块传输给所述无线网络服务器，所述主控模块用于将来自所述GSM模块的Json格式数据转换为Modbus-rtu格式数据以通过所述RS485串口传输给所述串口设备。

2.根据权利要求1所述的一种数据传输协议转换装置，其特征在于，所述人机交互模块中设置有用于指示电源状态、GSM开关状态、GSM网络工作状态的LED指示灯。

3.根据权利要求1所述的一种数据传输协议转换装置，其特征在于，所述参数/协议配置装置为笔记本电脑。

4.根据权利要求1所述的一种数据传输协议转换装置，其特征在于，所述GSM模块包括GPRS通用无线分组业务单元。

5.一种数据传输协议转换方法，其特征在于，包括采用权利要求1所述的数据传输协议转换装置执行的以下步骤：步骤1，开始；步骤2，判断是否收到RS485串口数据，如果否，则进入第2分流程，如果是进入第1分流程；第1分流程包括步骤13，判断是否为Modbus-rtu数据，如果否，则进行串口数据异常处理后结束，如果是，则对RS485串口数据用Modbus-rtu协议处理；步骤14，将Modbus-rtu格式转换为Json格式；步骤15，通过GSM无线模块将Json格式数据发送到无线网络服务器后结束；第2分流程包括步骤23，判断是否收到GSM数据，如果否，则进入第3分流程，如果是，则进入步骤24；判断是否为Json格式数据，如果否，则进行GSM数据异常处理后结束，如果是，则对GSM数据用Json协议处理；步骤25，将Json格式数据转换为Modbus-rtu格式；步骤26，通过RS485串口模块发送到串口设备后结束；第3分流程包括步骤34，判断是否到20s周期，如果否，则结束，如果是，则进入步骤35；步骤35，通过RS485读取串口设备数据；步骤36，将串口设备数据的Modbus-rtu格式转换为Json格式；步骤37，通过GSM无线模块将Json格式数据发送到无线网络服务器后结束。

6.根据权利要求5所述的数据传输协议转换方法，其特征在于，所述串口设备数据为电压值、电流值、功率、电网频率等电参量，温度、湿度等环境变量，有功电量、无功电量等电量值，以及报警状态、开关状态。

7.根据权利要求5所述的数据传输协议转换方法，其特征在于，在所述数据传输协议转换装置中建立有以下工作模型：所述工作模型包括自上而下的调度器、应用层和驱动层，调度器确定调度任务，应用层包括初始化任务、人机交互任务和协议转换任务，驱动层包括Modbus-rtu与Json协议转换、GSM模块驱动、RS485驱动、RS232驱动、MCU初始化和中断处理。

8.根据权利要求7所述的数据传输协议转换方法，其特征在于，所述调度器作用于应用层的调度流程包括从开始到初始化任务，到人机交互任务，到协议转换任务，到结束或者从协议转换任务返回到人机交互任务进行循环后结束。

9.根据权利要求7所述的数据传输协议转换方法，其特征在于，所述调度器执行人机交互任务的流程包括从开始到判断是否收到RS232串口数据，如果否，则结束，如果是，则对RS232串口数据用Modbus-rtu进行处理后结束。

10.根据权利要求5所述的数据传输协议转换方法，其特征在于，所述数据传输协议转换装置中的参数/协议配置装置通过人机交互模块配置以下协议类型和网络通信参数：串口通信波特率，串口转换协议类型，无线网络通信协议类型，以及网络设备地址。

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