CN112669590A - 串联式即插即用智能传感通信系统及其自动编址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联式即插即用智能传感通信系统及其自动编址方法。本发明包括依次首尾相连的多个传感通信单元。所述的传感通信单元包括控制器、输入插座和输出插座。输入插座和输出插座上均设置有电源接口、通信接口和编码接口。输入插座、输出插座上的编码接口与控制器的编码输入接口、编码输出接口分别连接。前一个传感通信单元内的输出插座与后一个传感通信单元的输入插座通过线缆连接。本发明将多个传感通信单元串联，简化了传感器布线的复杂程度，并利用前一级传感通信单元向后一级传感通信单元发送编址指令的方式，实现了各传感通信单元互不干扰的逐个编址。

Description

串联式即插即用智能传感通信系统及其自动编址方法

技术领域

本发明属于传感器物联网技术领域，具体涉及一种即插即用智能传感模块基于RS485底层通信协议的Modbus RTU自动编址方法。

背景技术

现有传感器系统中，传感器网络中的传感器节点一般输出的是模拟信号，传输过程中容易失真，具体到纺织行业中，断纱传感器和张力传感器的信号都是开关量或模拟量，这种模拟量的信号在长距离传输过程中容易受到损耗和干扰，导致产生误差，监测数据不准确的问题。纺织设备在生产过程中，由于机器长期运转，经常会有断纱等情况，所以需要一套物联网系统来监测纱线的断线、张力等设备运行情况，并将数据通过网络设备发送到云端的智能传感模块。

根据纺织设备在监测设备状态时存在的问题，需要设计一套智能传感监测系统安装在每个锭位上，将每个锭位的断纱、张力传感器采集到的开关量、模拟量信号转化为数字信号，然后上传到网关等模块。基于RS485底层通信的Modbus RTU协议广泛应用于各种纺织设备上，考虑到模块的通用性，所以智能传感监测系统各个传感通信单元之间也使用RS485总线通信。

智能传感监测系统由大量的传感通信单元组成，各个单元之间接线复杂。以包覆丝机为例，一台设备有320个锭子，每锭都需要监测断纱或张力信号，一个传感通信单元接入4组监测信号，即需要安装80个传感通信单元。电源供电、RS485通信、传感器信号输入和输出等需要接线，有一定的技术门槛和操作难度。而且设备生产运行中，某一个传感通信单元发生故障，需要专业的技术人员去更换的新的传感通信单元，重新接线并设置通信地址。基于此问题，纺织行业需要一种能够即插即用，布线方便，更换简单，能自动编址的模块和方法。

发明内容

本发明提供了一种即插即用智能传感模块地址自学习方法。将本传感模块批量接入到RS485网络后，主机会自动为接入RS485网络的所有从机分配地址，实现自动编址功能。

本发明设计了一种串联式即插即用智能传感通信系统，包括首尾相连的多个传感通信单元。所述的传感通信单元包括控制器、输入插座和输出插座。输入插座和输出插座上均设置有通信接口和编码接口。输入插座的通信接口与输出插座的通信接口以及控制器的通信接口均连接。输入插座、输出插座上的编码接口与控制器的编码输入接口、编码输出接口分别连接。前一个传感通信单元内的输出插座与后一个传感通信单元的输入插座通过线缆连接。

作为优选，各传感通信单元的输入插座和输出插座串联形成通信总线。

作为优选，各传感通信单元采用485通信、CAN通信或工业现场总线通信。

作为优选，位于首端的传感通信单元为通信主机，与上位机连接；其余传感通信单元为通信从机。通信从机数量小于或等于255个。

作为优选，输入插座和输出插座均采用RJ45网口插座。

作为优选，输入插座的通信接口与控制器的通信接口之间设置有通信转换电路。

作为优选，输入插座和输出插座上还设置有电源接口。输入插座与输出插座上的电源接口通过线缆连接。控制器和传感器均由输入插座的电源接口供电。

作为优选，每个传感通信单元均对应一个或多个传感器。传感器的信号接口和配置接口与对应的传感通信单元内的控制器连接。

该串联式即插即用智能传感通信系统的自动编址方法具体如下：

步骤一：串联式即插即用智能传感通信系统上电，位于首端的传感通信单元作为通信主机；其余传感通信单元作为通信从机。通信主机检查自身EEPROM是否存储有各通信从机的地址号和GUID(即全局唯一标识符)信息，若通信主机中存储有各通信从机的地址号和GUID信息，依次向各通信从机发送校验指令；各通信从机在接收到校验指令后，向通信主机发送自身的GUID。

若通信主机中未存储各通信从机的地址号和GUID信息，或发送GUID的通信从机数量与预设的实际数量不一致，或各通信从机发送的地址号和GUID与通信主机中存储的信息不一致，则按照步骤二至八中的方法进行对各个通信从机进行自动编址。

步骤二：通信主机向所有通信从机发送自动编址广播数据帧。所有通信从机在接收到自动编址广播数据帧后，开始监听自身控制器的编码输入接口是否接收到编址指令。

步骤三：通信主机向第一级通信从机发送编址指令。第一级通信从机接收到编址指令后，进入到分配地址模式。

步骤四：进入分配地址模式的通信从机读取自身的GUID，并向通信主机发送自身的GUID。通信主机接收到来自通信从机的GUID后，将要分配给该通信从机的地址号与收到的GUID绑定；并将该地址号发送给通信从机。

步骤五：进入分配地址模式的通信从机在接收到分配给自身的地址号后，将该地址号写入到自身的内存中，并向通信主机发送确认信息，退出分配地址模式，并向下一级通信从机发送编址指令。下一级通信从机接收到编址指令后进入分配地址模式。

步骤六：依照步骤四和五中的方法对新进入分配地址模式的通信从机进行编址，以此循环往复，直到最后一级通信从机完成编址。

作为优选，步骤二中所述的编址指令为低电平、高电平、一个下降沿信号或一个上升沿信号。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明使用RJ45线缆将多个传感通信单元串联，简化了传感器布线的复杂程度，并利用前一级传感通信单元向后一级传感通信单元发送编址指令的方式，实现了各传感通信单元互不干扰的逐个编址，并且不需要在传感通信单元上安装拨码开关来确定地址号。

2、本发明自动分配的地址号和锭位的安装顺序一致，方便后续出现异常更换方便，方便联网后信息的上传、处理与显示。

3、本发明能够在系统初次启动或传感通信单元被更换后自动进行各传感通信单元的重新编址，从实现即插即用的技术效果。

4、本发明在硬件上，使用的网口和网线可带电热插拔，传感通信单元内部已经实现二极管保护。此外，本发明也支持手动编址，通过配套的模块直接将地址编入传感通信单元，避免需要通过烧程序，硬件拨码等重新给定地址。

5、本发明除了对接入的通信从机自动进行分配与设置地址号无需人工干预外，还可以在运行过程中发生故障时，精确定位到故障地址。并且在后续每次断电重启后，通信主机都会检查存储的从机的GUID和地址与实际是否一致，确保从机在相应的位置上。

附图说明

图1为本发明中多个传感通信单元的连接示意图；

图2为本发明中传感通信单元的系统框图；

图3为根据本发明中系统工作流程图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

一种串联式即插即用智能传感通信系统，包括依次首尾相连的多个传感通信单元。位于首端的传感通信单元为通信主机(RS485主机)，与上位机连接；其余传感通信单元为通信从机(RS485从机)。理论上最多可以连接255个通信从机。串联的方式减少了布线的复杂程度，通过一根RJ45线缆就将所有的24V、GND供电、RS485通信线、自动编码线全部包括。

传感通信单元包括控制器1、通信转换电路2、输入插座3和输出插座4。输入插座3和输出插座4均采用RJ45网口插座。输入插座3和输出插座4均使用五根线，分别为编码线、两根通信线、电源线和地线。控制器1采用单片机。控制器1的供电输入接口与输入插座3的电源、地线接口连接，为控制器1和对应的传感器供电。控制器1的串口通信接口与输入插座3的485通信接口(485A和485B两根线)通过通信转换电路2连接。输入插座3的485通信接口与输出插座4的485通信接口通过两根导线连接。输入插座3的电源、地线接口与输出插座4的电源、地线接口通过两根导线连接。控制器1的编码输入引脚与输入插座3的编码线连接；控制器1的编码输出引脚与输入插座3的编码线连接。

前一个传感通信单元内的输出插座4与后一个传感通信单元的输入插座3通过RJ45线缆连接。每个传感通信单元均对应一个传感器。传感器的信号接口和配置接口与对应的传感通信单元内的控制器1连接，使得控制器1能够配置传感器的工作参数，传感器能够向控制器1发送检测到的数据。控制器1能够通过将自身对应的传感器检测的数据转化为带有自身地址信息的数字信号传输。通信主机的输入插座3与上位机通过RJ45线缆连接，使得上位机的485通信接口、电源接口和自动编址启动接口将信号和电源引入通信主机中。

各传感通信单元内的控制器1均能够将带有自身地址信息的数字信号逐级上传到上位机。上位机能够根据接收到的数字信号中的地址信息来获知该数字信号来自哪个传感器。

当传感系统需其中一个或多个传感通信单元发生故障时，工作人员传感通信单元更换后，该串联式即插即用智能传感通信系统能够自动对各传感通信单元进行重新编址，使得该串联式即插即用智能传感通信系统中的每个传感通信单元均具有独立、唯一的地址，保证数据上传的稳定可靠，从而实现传感器节点和传感通信单元的即插即用。

一种串联式即插即用智能传感通信系统的自动编址方法，具体如下：

步骤一：上位机将24V电压输送到各传感通信单元；各传感通信单元内的电压转换电路将24V电压降压至5V，给控制器以及外围电路供电，并驱动传感器工作。

步骤二：通信主机初始化，读取自身的EEPROM是否存储有各通信从机的GUID和地址信息，并通过485总线依次向各通信从机发送开机校验指令；各通信从机在接收到开机校验指令后，依次向通信主机发送自身的GUID信息。

若通信主机的EEPROM未存储各通信从机的GUID和地址信息，或发送信息的通信从机数量与预设的实际数量不一致，或各通信从机发送的GUID信息与通信主机中存储的GUID信息不一致，则按照步骤三至八中的方法进行对各个通信从机进行自动编址；否则，该串联式即插即用智能传感通信系统开始正常的通信工作，即将各个传感器节点检测到的信号上传给上位机。

步骤三：通信主机通过RS485总线向所有从机发送自动编址广播数据帧。所有通信从机在接收到通信主机通过RS485总线发送的自动编址广播数据帧后，进入到自动编址状态，即所有通信从机监听自身控制器1的编码输入引脚是否接收到编址指令。本实施例中，编址指令为低电平或一个下降沿信号。

步骤四：当自动编址广播数据帧发送完成后，通信主机将自身对应的输出插座4的编码线向第一级通信从机的控制器1发送编址指令。第一级通信从机的编码输入引脚接收到编址指令后，进入到分配地址模式。

步骤五：进入分配地址模式的第一级通信从机读取自身的GUID，并通过RS485总线向通信主机发送带有自身GUID的信息。通信主机接收到来自通信从机的GUID后，将要分配给该通信从机的地址号与该通信从机的GUID绑定；并将该地址号通过RS485总线发送给第一个从机。

步骤六：第一个通信从机接收到分配给自身的地址号后，将该地址号写入到自身控制器1的内存中，然后通过RS485总线发送确认信息给通信主机；通信从机发送确认信息后退出分配地址模式，并向下一级通信从机发送编址指令。下一级通信从机接收到编址指令后进入分配地址模式。由于下一级通信从机都是在上一级通信从机退出分配地址模式之后再进入分配地址模式，故每次仅有一个通信从机处于分配地址模式内，由此实现了各通信从机的逐个编址。

步骤七：依照步骤五和六中的方法对新进入分配地址模式的通信从机进行编址，以此循环往复，直到最后一级通信从机完成编址。

步骤八：通信主机将所有通信从机的GUID和对应的地址号写入EEPROM保存，以便该串联式即插即用智能传感通信系统在下一次断电重启直接检验。

实施例2

本实施例中，各传感通信单元使用的通信总线使用CAN总线、工业现场总线或其他现有的通信协议总线；上层采用Modbus RTU通信协议；

实施例3

本实施例中，该串联式即插即用智能传感通信系统应用于纺织设备中；在实际的纺织行业工况中，不能随意断电，纱线卷绕时断电停机，会导致纱线成品报废造成大量的损失。所以在改造升级、调试、实际应用中本传感通信单元实现了热插拔，供电线、通信线、编码信号线在传感通信单元内部引脚加入保护二极管，当输入电压过高时电流会从二极管流出，起到保护芯片和引脚的作用。在自动编址过程中，如果发生在规定时间内主机未接收到从机的响应的情况，将会把当前未分配完成的地址号记录，接着回滚到未分配前的状态并报警，可以观察未分配完成的地址号来定位出是哪一个从机或者线缆发生故障。

Claims (10)

1.一种串联式即插即用智能传感通信系统，包括依次首尾相连的多个传感通信单元；其特征在于：所述的传感通信单元包括控制器(1)、输入插座(3)和输出插座(4)；输入插座(3)和输出插座(4)上均设置有通信接口和编码接口；输入插座(3)的通信接口与输出插座(4)的通信接口以及控制器(1)的通信接口均连接；输入插座(3)、输出插座(4)上的编码接口与控制器(1)的编码输入接口、编码输出接口分别连接；前一个传感通信单元内的输出插座(4)与后一个传感通信单元的输入插座(3)通过线缆连接。

2.根据权利要求1所述的一种串联式即插即用智能传感通信系统，其特征在于：各传感通信单元的输入插座(3)和输出插座(4)串联形成通信总线。

3.根据权利要求1所述的一种串联式即插即用智能传感通信系统，其特征在于：各传感通信单元采用485通信、CAN通信或工业现场总线通信。

4.根据权利要求1所述的一种串联式即插即用智能传感通信系统，其特征在于：位于首端的传感通信单元为通信主机，与上位机连接；其余传感通信单元为通信从机；通信从机数量小于或等于255个。

5.根据权利要求1所述的一种串联式即插即用智能传感通信系统，其特征在于：输入插座(3)和输出插座(4)均采用RJ45网口插座。

6.根据权利要求1所述的一种串联式即插即用智能传感通信系统，其特征在于：输入插座(3)的通信接口与控制器(1)的通信接口之间设置有通信转换电路(2)。

7.根据权利要求1所述的一种串联式即插即用智能传感通信系统，其特征在于：输入插座(3)和输出插座(4)上还设置有电源接口；输入插座(3)与输出插座(4)上的电源接口通过线缆连接；控制器(1)和传感器均有输入插座(3)的电源接口供电。

8.根据权利要求1所述的一种串联式即插即用智能传感通信系统，其特征在于：每个传感通信单元均对应一个或多个传感器；传感器的信号接口和配置接口与对应的传感通信单元内的控制器(1)连接。

9.如权利要求1所述的一种串联式即插即用智能传感通信系统的自动编址方法，其特征在于：步骤一：串联式即插即用智能传感通信系统上电，位于首端的传感通信单元作为通信主机；其余传感通信单元作为通信从机；通信主机确认自身是否存储有各通信从机的GUID和地址信息，并依次向各通信从机发送校验指令；各通信从机在接收到校验指令后，向通信主机发送自身的GUID和地址信息；

若通信主机中未存储各通信从机的GUID和地址信息，或发送信息的通信从机数量与预设的实际数量不一致，或各通信从机发送的GUID和地址信息与通信主机中存储的GUID和地址信息不一致，则按照步骤二至八中的方法进行对各个通信从机进行自动编址；

步骤二：通信主机向所有通信从机发送自动编址广播数据帧；所有通信从机在接收到自动编址广播数据帧后，开始监听自身控制器(1)的编码输入接口是否接收到编址指令；

步骤三：通信主机向第一级通信从机发送编址指令；第一级通信从机接收到编址指令后，进入到分配地址模式；

步骤四：进入分配地址模式的通信从机读取自己的GUID，并向通信主机发送自身的GUID；通信主机接收到来自通信从机的GUID后，将要分配给该通信从机的地址号与收到的GUID绑定；并将该地址号发送给通信从机；

步骤五：进入分配地址模式的通信从机在接收到分配给自身的地址号并储存后，向通信主机发送确认信息，退出分配地址模式，并向下一级通信从机发送编址指令；下一级通信从机接收到编址指令后进入分配地址模式；

步骤六：依照步骤四和五中的方法对新进入分配地址模式的通信从机进行编址，以此循环往复，直到最后一级通信从机完成编址。

10.根据权利要求9所述的自动编址方法，其特征在于：步骤二中所述的编址指令为低电平、高电平、一个下降沿信号或一个上升沿信号。

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