CN112491842B - 一种面向智慧工地的多协议物联网网关 - Google Patents

一种面向智慧工地的多协议物联网网关 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种智慧工地场景下的多协议物联网网关，包括协议转换模块、外围通信模块和外围供电显示模块；其中协议转换模块具体包括数据判定模块、缓存模块、数据处理模块和信号发射模块；外围通信模块主要包括ZigBee模块、WiFi模块、蓝牙模块、LoRa模块、NB‑IoT模块、以太网模块和USB接口模块；外围供电显示模块主要包括电源模块、复位模块和显示模块。外围电路模块与协议转换模块双向链接，用于进行网关的启动复位以及网关运行情况显示等操作；外围通信模块与数据处理模块单向链接，可以对数据进行接受和转发操作；协议转换模块能够实现各个协议之间的转换以及设置缓存机制，降低丢包的概率以及预防超时重传或错误重传等情况。

Description

一种面向智慧工地的多协议物联网网关
技术领域
本发明涉及到无线通信物联网技术领域，具体涉及到智慧工地场景下的一种多协议物联网网关。
背景技术
随着物联网技术和移动通信技术的发展，通信系统的信号传输呈现多协议共存共生的错综复杂情景。目前，建筑施工行业的信息化管理也正在向智能物联网的转型，以国家电网为主要推动力量的电力工程智慧工地建设正在尝试把物联网、移动互联网与基础设施建设相结合，设立具有智能感知功能、综合处理功能与管控功能的智能网关，实现施工现场的实时监控、精确定位、施工管理等。现有智慧工地的传感信号类型种类繁多，使用较多的有短距离通信的蓝牙、WiFi、ZigBee信号，还有4G传输信号、以太网、NB-IoT以及LoRa信号等。
以蓝牙、WiFi、ZigBee为代表的短距离传输协议使用的都是2.4GHz的传输频段，都具有传输距离近的特点。这三种常用的短距离传输协议各有各的优点，蓝牙的安全性更高但是ZigBee传输所需的能耗最小，而WiFi更适合应用于传输流量大的设备。在广域物联网方面，NB-IoT技术是一种基于蜂窝网络的长距离传输技术，可以直接部署在4G之上。与LTE技术相比，NB-IoT的传输特点为覆盖范围广、架构较为优化、连接数量高以及成本功耗低等优点。另外，LoRa技术也是一种适用于远距离传输的传输协议，与NB-IoT相比，LoRa技术工作在非授权频段且是基于扩频通信。对于行业而言，使用工作在非授权的LoRa技术实现一个自组网具有工作灵活和成本低等优点。
目前，有关于多种类型通信网关的研究，例如公布号为CN 108011814 A公开了一种基于窄带物联网的智能网关及其实现办法，该专利实现了NB-IoT协议和LoRa协议之间的转换。但是该网关只完成了一对一的通信协议转换，不能处理和传输多种协议，不能适用于智慧工地等通信接口复杂的网络场景。公布号为CN110708503A公开了一种物联网智能网关系统，该专利包括智能网关和数据管理模块，集成了WiFi和LoRa功能，可以对数据进行转发、存储操作。该网关虽然考虑了数据的存储，但是仅仅对数据进行了转发操作，并没有进行通信协议的转换，无法改变WiFi信号传输距离近的缺陷，也不适用于智能工地的通信组网场景。
发明内容
本发明的目的为设计一种可以应用于智慧工地场景的多协议物联网网关，以解决智慧工地场景中传感器类型种类繁多、信号传输形式多样、信号不能进行集中处理和转换的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供了一种应用于智慧工地场景下的多协议物联网网关，主要包括协议转换模块、外围通信模块、外围供电显示模块。所述的协议转换模块具体包括数据判定模块、缓存模块、数据处理模块、信号发射模块。所述的协议转换模块的各个模块通过信号链接进行数据的交互。所述的外围通信模块主要包括ZigBee模块、WiFi模块、蓝牙模块、LoRa模块、NB-IoT模块、以太网模块、USB接口模块。所述的信号通信模块与数据判断模块通过信号相连，USB接口模块和处理模块相连。所述的外围供电显示模块主要包括电源模块、复位模块、显示模块，且所述的电源模块分别于协议转换模块和外围通信模块相连。
ZigBee模块、WiFi模块、蓝牙模块可以用来接受短距离传输的各个传输类型的信号；LoRa模块、NB-IoT模块可以接受长距离通信的传输类型的信号；以太网模块可以允许RJ45接口接入网关直接与以太网相连，实现数据的交互传输。
本发明为应用于智慧工地的多协议物联网网关，适用于施工现场多类型信号传输的场景，其特征在于：网关工作中的处理方法设计，主要包括网关启动、复位操作、数据判决、缓存处理、拥塞控制、协议转换等功能。
所述的数据判决功能主要进行信号类别的判定，对每类信号的帧长度设定阈值，通过帧的长度和首部进行判定。首先根据帧的长度判断出信号是属于WIFI、蓝牙、以太网、USB信号，还是NB-IoT、ZigBee、LoRa信号，然后验证信号的首部，使用两次验证结果交集来判定信号类型。
所述的拥塞控制功能可根据信号类别进行分别处理。对于WIFI、蓝牙、以太网、USB等数据量大且信号突发性低的信号，使用检错删除的处理机制，当协议转换模块拥塞时，直接丢弃当前帧，不再要求重发。对于LoRa、NB-IoT、ZigBee等数据量小且突发性强的信号，使用自动请求重发机制，发送端再次发送信号信息以保证传输的可靠性。
所述的协议转换主要包括对数据判决后的信号进行以下三种操作。考虑到网关缓存容量和数据包转发实时性要求，对于LoRa信号直接重新发送。对于WIFI、蓝牙、以太网、USB三种信号首次到达时使用转换协议，对信号进行帧分析、拆包提取数据以及帧重组等操作，根据协议转换建立一个协议转换池，以后无需转换直接根据协议转换池取出转换后的信号。对于NB-IoT、ZigBee信号每次都根据转换协议进行转换。
作为应用于智慧工地的多协议物联网网关，所述的电源模块包括DC供电模式和AC供电模式。使用两种供电模式使得该物联网网关适用于任何位置。且所述的电源模块分别为外围通信模块和显示模块和复位模块进行供电。
作为应用于智慧工地的多协议物联网网关，所述的显示模块可以显示该网关的运行状况。所述的复位模块可以在电源启动异常或者显示模块提示网关运行异常的情境下进行复位操作。
作为应用于智慧工地的多协议物联网网关，所述的ZigBee模块包括CC2530芯片以及其外围电路，所述的蓝牙模块包括CC2540芯片以及其外围电路，所述的WiFi模块包括3072芯片以及其外围电路。所述的短距离通信接受信号模块与数据判定模块通过信号相连，将接受的信号直接传递给数据判定模块。所述的LoRa模块包括SX1278芯片以及其外围电路，所述的NB-IOT模块包括MT2625模块及其外围电路，且上述模块的接受信号直接传送给数据判定模块。所述的以太网模块使用的是RJ45接口。
作为应用于智慧工地的多协议物联网网关，所述的协议转换模块的工作流程具体如下：
(1)电源模块启动，协议转换模块和外围通信模块以及外围电源显示模块正常工作。
(2)外围通信模块接收到来自底层传感器传输的各种信号，然后传送给数据判定模块。
(3)数据判定模块根据各个传输信号的数据类型对信号进行判断，若信号需要缓存则直接将信号送入对应的缓存模块。然后询问数据处理模块是否阻塞，然后分为两种情况处理a.若数据处理模块空闲不阻塞将信号传递给处理模块，b.若数据处理模块阻塞，将信号送入对应的缓存区。
(4)数据处理模块对各个协议信号进行转换，统一转化为LoRa传输模式，将转换后的信号传递给信号发射模块发射。同时考虑到网关的缓存容量和数据包转发实时性要求，具体分为以下几种模式：a.对于LoRa信号直接进行传输,b.对于蓝牙、WiFi、以太网、USB等信号当信号初次到达的时候进行协议转换，对传感信号数据包(帧)结构分析，数据包拆解，数据存储，重新LoRa数据包(帧)封装，然后建立协议转换池，对于以后达到的信号无需进行转换，直接根据协议转换池取出对应的数据包，c.对于NB-IoT、ZigBee信号，每次数据到达的时候都进行协议转换。
(5)数据处理模块在开始执行的时候开启一个定时器，定时询问数据处理的任务队列是否空闲，空闲状态下轮询缓存模块，非空闲情况下重置定时器。
与现有技术相比，本实发明具有以下有益效果：
1)本发明是面向智慧工地的多协议物联网网关，可以支持无线短距离传输信号ZigBee、WiFi、蓝牙的接入，同时支持LoRa、NB-IoT、以太网、USB接口接入，可以支持多协议之间的转换，满足了智慧工地多传输类型信号的接入需求，减少了网关的数目种类，便于使用；
2)本发明中的多协议物联网网关，供电模块支持DC和AC两种模式，适合使用于智慧工地的任何场景，一旦电网线路故障可以立即切换到DC模式，且DC蓄电池在平时使用时可以直接充电，避免了供电问题带来网关停用；
3)本发明中的多协议物联网网关具有信号判定功能且配备了缓存机制，对于传输量大，且要保证丢包重传的数据可以使用缓存技术再次重发，具有保证可靠传输的功能。
4)本发明中的多协议物联网网关具有协议转换功能，且根据信号类型设置不同的转换方法，对于数据量大的信号可以查找协议转换池得到对应的数据包，不需要每次都进行转换，提升了网关的信号转换速率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明中多协议物联网网关的应用场景图；
图2是本发明中多协议物联网网关的硬件构架图；
图3是本发明中多协议物联网网关的流程图。
具体实施方式
本发明是一种应用于智慧工地的多协议物联网网关，下面结合本实施例的附图对本实施例做进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。基于本发明的任何实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例
如图1所示，一种面向智慧工地多协议的物联网网关，具体包括了协议转换模块、外围电源显示模块和外围通信模块。其中其外围通信模块用于接受来自工地现场各处各个传感器以各种类型协议发过来的信号，所有信号通过该网关转换以后，统一由LoRa传输方式发送给网络服务器。
如图2所示，本实施例的面向智慧工地的多协议物联网网关的三大模块分别由以下模块构成，具体为其中协议转换模块包括数据判定模块、缓存模块、数据处理模块、信号发射模块。外围通信模块主要包括ZigBee模块、WiFi模块、蓝牙模块、LoRa模块、NB-IoT模块、以太网模块、USB接口模块。外围电源显示模块包括电源模块、复位模块、显示模块。
其中电源模块通过电路与协议转换模块和外围通信模块以及复位模块和显示模块相连。显示模块和复位模块通过电路与数据处理模块相连。外围通信模块通过信号与数据判定模块相连。数据判定模块、缓存模块与数据处理模块通过信号相连，进行数据交互。
图2中的电源模块包括DC供电模式和AC供电模式两种模式，显示模块使用的是LCD液晶显示屏，ZigBee模块包括CC2530芯片以及其外围电路，蓝牙模块包括CC2540芯片以及其外围电路，WiFi模块包括3072芯片以及其外围电路。LoRa模块包括SX1278芯片以及其外围电路，NB-IoT模块包括MT2625模块及其外围电路，以太网模块使用的是RJ45接口和ENC28J60接受芯片以及其外围电路。
图3是本实施例的流程图；如图3所述本实施例的信号处理流程具体如下所述：
(1)电源模块启动，协议转换模块和外围通信模块以及外围电源显示模块正常工作。
(2)外围通信模块接收到来自底层传感器传输的各种信号，然后传送给数据判定模块。
(3)数据判定模块根据各个传输信号的数据类型对信号进行判断，若信号需要缓存则直接将信号送入对应的缓存模块。然后询问数据处理模块是否阻塞，然后分为两种情况处理a.若数据处理模块空闲不阻塞将信号传递给处理模块,b.若数据处理模块阻塞，将信号送入对应的缓存区。
(4)数据处理模块对各个协议信号进行转换，统一转化为LoRa传输模式，将转换后的信号传递给信号发射模块发射。
(5)数据处理模块在开始执行的时候开启一个定时器，定时询问数据处理的任务队列是否空闲，空闲状态下轮询缓存模块，非空闲情况下重置定时器。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面向智慧工地的多协议物联网网关，其特征在于，包括协议转换模块、外围通信模块和外围供电显示模块；
所述的协议转换模块具体包括数据判定模块、缓存模块、数据处理模块和信号发射模块；所述的协议转换模块的各个模块通过信号链接进行数据的交互；
所述的外围通信模块包括ZigBee模块、WiFi模块、蓝牙模块、LoRa模块、NB-IoT模块、以太网模块和USB接口模块；
所述的外围供电显示模块包括电源模块、复位模块和显示模块，且所述的电源模块分别与复位模块、显示模块、协议转换模块和外围通信模块相连；
所述的外围通信模块与数据判定模块通过信号相连，USB接口模块和数据处理模块相连；所述的外围供电显示模块与所述协议转换模块双向链接，用于进行网关的启动复位以及网关运行情况显示；所述外围通信模块与数据处理模块单向链接，可以对数据进行接收和转发操作；
其工作流程具体如下：
S1、电源模块启动，协议转换模块和外围通信模块以及外围供电显示模块正常工作；
S2、外围通信模块接收到来自底层传感器传输的各种信号，然后传送给数据判定模块；
S3、所述数据判定模块根据各个传输信号的数据类型对信号进行判断，若信号需要缓存则直接将信号送入对应的缓存模块；然后询问数据处理模块是否阻塞，然后分为两种情况处理；
S31、若数据处理模块空闲不阻塞将信号传递给数据处理模块；
S32、若数据处理模块阻塞，将信号送入对应的缓存模块；
S4、数据处理模块对各个协议信号进行转换，统一转化为LoRa传输模式，将转换后的信号传递给信号发射模块发射；同时考虑到网关的缓存容量和数据包转发实时性要求，具体分为以下几种模式
S41、对于LoRa信号直接进行传输；
S42、对于蓝牙、WiFi、以太网、USB信号，当信号初次到达的时候进行协议转换，对传感信号数据包或帧结构进行分析，数据包拆解，数据存储，重新封装成LoRa数据包或帧，然后建立协议转换池，对于以后达到的信号无需进行转换，直接根据协议转换池取出对应的数据包；
S43、对于NB-IoT、ZigBee信号，每次数据到达的时候都进行协议转换；
S5、数据处理模块在开始执行的时候开启一个定时器，定时询问数据处理的任务队列是否空闲，空闲状态下轮询缓存模块，非空闲情况下重置定时器。
2.如权利要求1所述的面向智慧工地的多协议物联网网关，其特征在于，所述的电源模块包括DC供电模式和AC供电模式。
3.如权利要求1所述的面向智慧工地的多协议物联网网关，其特征在于，所述显示模块用于显示该网关的运行状况；所述复位模块用于在电源启动异常或者显示模块提示网关运行异常的情境下进行复位操作。
4.如权利要求1所述的面向智慧工地的多协议物联网网关，其特征在于，所述的ZigBee模块包括CC2530芯片以及其外围电路，所述的蓝牙模块包括CC2540芯片以及其外围电路，所述的WiFi模块包括3072芯片以及其外围电路；
所述的LoRa模块包括SX1278芯片以及其外围电路，所述的NB- IoT模块包括MT2625模块及其外围电路，且LoRa模块和NB- IoT模块的接收信号直接传送给数据判定模块；所述的以太网模块使用的是RJ45接口。
5.如权利要求1所述的面向智慧工地的多协议物联网网关，其特征在于，所述数据判定模块用于进行信号类别的判定，对每类信号的帧长度设定阈值，通过帧的长度和首部进行判定；首先根据帧的长度判断出信号是属于何种信号，然后验证信号的首部，使用两次验证结果交集来判定信号类型。
6.如权利要求1所述的面向智慧工地的多协议物联网网关，其特征在于，所述的协议转换模块通过对信号类别进行分别处理进行拥塞控制，对于WIFI、蓝牙、以太网和USB数据信号，使用检错删除的处理机制，当协议转换模块拥塞时，直接丢弃当前帧，不再要求重发；对于LoRa、NB-IoT和ZigBee信号，使用自动请求重发机制，发送端再次发送信号信息以保证传输的可靠性。
7.如权利要求1所述的面向智慧工地的多协议物联网网关，其特征在于，所述ZigBee模块、WiFi模块和蓝牙模块用来接收短距离传输的各个传输类型的信号；所述LoRa模块和NB-IoT模块接收长距离通信的传输类型的信号；以太网模块可以允许RJ45接口接入网关直接与以太网相连，实现数据的交互传输。
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