CN113329002B - 一种物联网数据汇聚系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种物联网数据汇聚系统，包括处理器、数据安全交互单元、外网通信模块、采集单元、上传单元、两个内网通信模块和内存控制模块，所述处理器通过导线分别与数据安全交互单元、一个内网通信模块和内存控制模块进行电性连接，本发明涉及物联网技术领域。该物联网数据汇聚系统，可实现通过物联网数据汇聚设备接入端主机及相应的数据采集应用软件系统，负责与各种现场监控前端设备、数据采集器和信息化系统实现数据采集与协议解析，并将数据加密处理后通过安全数据交换单元传递至外部处理单元，其主机及相应的应用软件系统负责接收来自安全数据交互单元传递过来的加密数据，并对数据解密，具备文件解析验证的功能。

Description

一种物联网数据汇聚系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体为一种物联网数据汇聚系统。
背景技术
随着工业化与信息化的深度融合，企业内部及企业间生产控制系统和生产管理系统互联互通的需求渐增，通过接入网络进而达到提高产品质量和运营效率的需求更为强烈，工业物联网应运而生，工业物联网是指在工业环境下，生产设备和产品的连接；工业4.0则涵盖整个制造生态系统。
工业物联网将生产过程的每一个环节、设备变成数据终端，全方位采集底层基础数据，并进行更深层面的数据分析与挖掘，从而提高效率、优化运营。
目前工业物联网缺乏互联互通的标准，缺乏互联互通的标准是企业工业物联网应用的主要挑战之一，工业物联网将是一个多设备、多网络、多应用、互联互通、互相融合的大网。在工业物联网建设中，传感器、接口标准、通信协议，管理协议等方面都需要标准化。标准能够保障应用间的互操作性，通过统一的安全规范保护环境、工厂、设备和用户，通过标准化的术语和定义协调所有相关方面的通信。也唯有标准才能够建立制造商和用户的信心，并对投资提供必要保障。有关研究显示，缺乏互联互通的标准，工业物联网40％的潜在价值将无法实现。工业物联网发展需要信息的共享和信息服务，就意味着要破除跨行业间的壁垒，建立新的共享与协同型的管理体系和生产流程。
更加注重系统安全性，工业物联网系统安全性尤为重要，在互联互通的世界，从保护数据到保护系统性能，企业面临的信息安全压力越来越大。这种压力既来自企业内部的系统运行安全，又来自可能的泄密风险。如果被入侵者攻击，企业不仅面临操作系统无法正常使用和大量隐私信息如核心工艺参数被窃取的风险，甚至关键基础设施的工业设备遭到入侵者控制或破坏，造成巨大的经济损失和人员伤亡。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种物联网数据汇聚系统，其内置安全数据交互单元，负责按照预定的控制管理策略对内外部处理单元的工作状态及网络通讯协议数据进行检测及过滤，进而实现内外网安全隔离防护作用，同时具备非IP物理隔离功能，安全数据交换单元在任意时刻只能与一个网络的主机系统建立非TCP/IP协议的数据连接，当它与外网主机系统相连接时，它与内网主机系统是断开的。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种物联网数据汇聚系统，包括处理器、数据安全交互单元、外网通信模块、采集单元、上传单元、两个内网通信模块和内存控制模块，所述处理器通过导线分别与数据安全交互单元、一个内网通信模块和内存控制模块进行电性连接，且数据安全交互单元通过导线分别与外网通信模块和一个内网通信模块进行电性连接，与所述处理器电性连接的内网通信模块分别与USB、键盘和显示器进行连接，且与数据安全交互单元电性连接的内网通信模块包括4G LTE模块和以太网接口，所述外网通信模块包括LoRa模块、Xbee模块、4G LTE模块、以太网接口和RS-485串口。
通过所述以太网接口和4G LTE模块远程设定不同物理通道上运行的通信协议进行数据采集，对要采集设备的物理地址、通道地址、参数名称或测点进行自主配置，在完成组态配置后，将配置好的工程下载到物联网汇聚端设备中，并远程启动物联网汇聚端设备中的应用服务程序，进行数据采集和存储，对于已采集到物联网汇聚端设备中的数据，应用服务程序能够以数据变换、数据过滤、运算处理、历史数据存储、统计处理、报警处理或服务请求的方式进行操作，对于已处理好的数据，应用服务程序能够按照已组态配置好的物理连接方式、数据转发协议类型、站物理地址、转发数据通道地址或参数名称方式将数据转发至其它应用系统。
优选的，所述数据安全交互单元用于负责按照预定的控制管理策略对内外部处理单元的工作状态及网络通讯协议数据进行检测及过滤，进而实现内外网安全隔离防护，具备非IP物理隔离功能。
优选的，所述数据安全交互单元在任意时刻只能与一个网络的主机系统建立非TCP/IP协议的数据连接，当其与外网主机系统相连接时，其与内网主机系统断开。
优选的，所述处理器是选用高性能、超低功率ARM Cortex-A7核心的处理器，处理器运行速度为696MHz，包含128KB L2高速缓存和512M DDR3/LPDDR2内存支持，主板采用工业级设计，电磁兼容符合IEC61000-4标准，工作温度为-40℃-+85℃。
优选的，所述处理器内置高耐用32G Class10 TF卡，满足高强度数据存储的要求，操作系统采用Linux-2.6.X，数据库采用SQLite。
优选的，所述LoRa模块的频率范围为410-525MHz，发送功率为5-18dBm，且接收灵敏度为-148dBm。
优选的，所述LoRa模块的最大传输速率为37.5Kbps，且支持LoRa透传、LoRaWAN和LoRaNET协议，发送和接收缓冲区共256字节，空旷环境覆盖距离为4km。
优选的，所述XBee模块的操作频段为ISM 2.4GHz，发射功率输出为60mWconducted,100mW EIRP，接收器灵敏度为-100dBm(1％的错误包)，串行接口数据速率为1200-115200bps，室内和城市的覆盖距离为100m，室外的可视的覆盖距离为1500m。
(三)有益效果
本发明提供了一种物联网数据汇聚系统。与现有技术相比具备以下有益效果：
(1)、该物联网数据汇聚系统，可实现通过物联网数据汇聚设备接入端主机及相应的数据采集应用软件系统，负责与各种现场监控前端设备、数据采集器和信息化系统实现数据采集与协议解析，并将数据加密处理后通过安全数据交换单元传递至外部处理单元。
(2)、该物联网数据汇聚系统，其主机及相应的应用软件系统负责接收来自安全数据交互单元传递过来的加密数据，并对数据解密，具备文件解析验证、内部格式处理、本地存储与数据打包上传功能。
(3)、该物联网数据汇聚系统，能够用于隔离内网系统与外网系统之间数据传递的物理隔离设备及相应的应用软件系统，进而实现内外网安全隔离防护作用。
(4)、该物联网数据汇聚系统，支持云服务管理功能，通过在云端部署远程管理服务软件，可以通过管理工具实现对所接入的物联网数据汇聚设备进行远程参数配置、规约扩展、服务调试、边缘计算管理、固件升级等功能，运维人员无需进入现场，即可完成物联网数据汇聚设备的部署和调试。
(5)、该物联网数据汇聚系统，物联网数据汇聚设备内置安全数据交互单元，具体指端设备中用于隔离生产内网系统与办公外网系统之间数据传递的物理隔离设备及相应的应用软件系统，作用是负责按照预定的控制管理策略对内外部处理单元的工作状态及网络通讯协议数据进行检测及过滤，进而实现内外网安全隔离防护作用。具备非IP物理隔离功能，安全数据交换单元在任意时刻只能与一个网络的主机系统建立非TCP/IP协议的数据连接，当它与外网主机系统相连接时，它与内网主机系统是断开的。
附图说明
图1为本发明系统的结构原理框图；
图2为本发明系统网络拓扑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明实施例提供一种技术方案：一种物联网数据汇聚系统，包括处理器、数据安全交互单元、外网通信模块、采集单元、上传单元、两个内网通信模块和内存控制模块，处理器通过导线分别与数据安全交互单元、一个内网通信模块和内存控制模块进行电性连接，且数据安全交互单元通过导线分别与外网通信模块和一个内网通信模块进行电性连接，与处理器电性连接的内网通信模块分别与USB、键盘和显示器进行连接，且与数据安全交互单元电性连接的内网通信模块包括4G LTE模块和以太网接口，外网通信模块包括LoRa模块、Xbee模块、4G LTE模块、以太网接口和RS-485串口。
本发明实施例中，通过以太网接口和4G LTE模块远程设定不同物理通道上运行的通信协议进行数据采集，对要采集设备的物理地址、通道地址、参数名称或测点进行自主配置，在完成组态配置后，将配置好的工程下载到物联网汇聚端设备中，并远程启动物联网汇聚端设备中的应用服务程序，进行数据采集和存储，对于已采集到物联网汇聚端设备中的数据，应用服务程序能够以数据变换、数据过滤、运算处理、历史数据存储、统计处理、报警处理或服务请求的方式进行操作，对于已处理好的数据，应用服务程序能够按照已组态配置好的物理连接方式、数据转发协议类型、站物理地址、转发数据通道地址或参数名称方式将数据转发至其它应用系统。
本发明实施例中，数据安全交互单元用于负责按照预定的控制管理策略对内外部处理单元的工作状态及网络通讯协议数据进行检测及过滤，进而实现内外网安全隔离防护，具备非IP物理隔离功能。
本发明实施例中，数据安全交互单元在任意时刻只能与一个网络的主机系统建立非TCP/IP协议的数据连接，当其与外网主机系统相连接时，其与内网主机系统断开。
本发明实施例中，处理器是选用高性能、超低功率ARM Cortex-A7核心的处理器，处理器运行速度为696MHz，包含128KB L2高速缓存和512MDDR3/LPDDR2内存支持，主板采用工业级设计，电磁兼容符合IEC61000-4标准，工作温度为-40℃-+85℃。
本发明实施例中，处理器内置高耐用32G Class10 TF卡，满足高强度数据存储的要求，操作系统采用Linux-2.6.X，数据库采用SQLite。
本发明实施例中，LoRa模块的频率范围为410-525MHz，发送功率为5-18dBm，且接收灵敏度为-148dBm。
本发明实施例中，LoRa模块的最大传输速率为37.5Kbps，且支持LoRa透传、LoRaWAN和LoRaNET协议，发送和接收缓冲区共256字节，空旷环境覆盖距离为4km。
本发明实施例中，XBee模块的操作频段为ISM 2.4GHz，发射功率输出为60mWconducted,100mW EIRP，接收器灵敏度为-100dBm(1％的错误包)，串行接口数据速率为1200-115200bps，室内和城市的覆盖距离为100m，室外的可视的覆盖距离为1500m。
本发明实施例中，采集单元具备4路或16路RS-485接口，LoRa或ZigBee、2路以太网接口，每路RS-485接口可驳接32路串口设备，LoRa和ZigBee驳接64路无线传感器，以太网接口驳接128路以太网采集设备，采集单元的采集协议为MODBUS RTU、MODBUS TCP、IEC103、IEC104、CDT、DL/T 645-1997或DL/T 645-2007中的一种，并可根据需要定制自定义协议，采集方式为定时采集、实时采集或远程召。
本发明实施例中，上传单元具备2路RJ-45以太网口，支持不同网间通信，具备1路4G-LTE无线通信方式，并兼容现存的EDGE和GSM/GPRS网络，确保在缺乏3G和4G网络的偏远地区也能正常工作，上传单元的上传协议为MODBUS RTU、MODBUS TCP、IEC103、IEC104或Q/GDW376.1中的一种。
本发明实施例中，4G LTE模块的频段为FDD-LTE B1/B3/B5/B7/B8/B20，WCDMA B1/B5/B8，GSM/EDGE 900MHz/1800MHz，LTE特性：LTE-FDD：最大下行速率150Mbps，最大上行速率50Mbps，LTE-TDD：最大下行速率130Mbps，最大上行速率35Mbps，网络协议特性：支持TCP/UDP/PPP/FTP/HTTP/NTP/PING/QMI/NITZ/CMUX/HTTPS/SMTP/MMS/FTPS/SMTPS/SSL/FILE协议，支持PAP(Password Authentication Protocol)和CHAP(Challenge HandshakeAuthentication Protocol)。
本发明实施例中，以太网接口可驳接128路以太网采集设备，支持不同网间通信，端口数量：2，速率：10/100M bps自适应MDI/MDIX，接口类型：8针RJ45，电磁隔离保护：内建1.5KV。
本发明实施例中，采集的数据通过RS-485串口上传到内网主机，端口数量：4，16，串口标准：RS-485，接口类型：OPEN工业插座，ESD保护：全信号内建15KV，数据位：5，6，7，8，停止位：1，1.5，2，校验位：None，Even，Odd，Space，Mark，波特率：50bps-921.6Kbps(支持非标准波特率)。
本发明实施例中，具备多种物理接口：支持RS-485、以太网、LoRa和4GLTE多种物理连接方式，支持多种采集通信协议：支持MODBUS、CJ188-2004、DL/T645-1997、DL/T 645-2007、CDT、IEC103和IEC104等采集协议，同时提供自定义采集协议驱动定制服务，支持多种上传通信协议：如MODBUS RTU、MODBUS TCP、IEC103、IEC104、Q/GDW376.1，内外网安全数据交互：具备非IP物理隔离功能，安全数据交换单元在任意时刻只能与一个网络的主机系统建立非TCP/IP协议的数据连接。
本发明实施例中，物联网数据汇聚设备对采集到的数据进行汇总，验证、筛选、整理打包后，采用HTTPS将数据上传至系统平台，安全隔离与信息交换终端实现数据接入、安全隔离、数据处理存储及上传、运维管理等功能，管理工具可以部署在任意一台PC机上，可以接入在内网环境，也可以接入在以太网环境，如果管理工具部署在以太网环境中，则必须保证安全隔离与信息交换终端能与外网进行通信，且需要配置正确的管理工具IP地址。
综上，本发明物联网数据汇聚设备接入端主机及相应的数据采集应用软件系统，负责与各种现场监控前端设备、数据采集器和信息化系统等实现数据采集与协议解析，并将数据加密处理后通过安全数据交换单元传递至外部处理单元，物联网数据汇聚设备主机及相应的应用软件系统，负责接收来自安全数据交互单元传递过来的加密数据，并对数据解密，具备文件解析验证、内部格式处理、本地存储与数据打包上传功能，物联网数据汇聚设备用于隔离内网系统与外网系统之间数据传递的物理隔离设备及相应的应用软件系统，进而实现内外网安全隔离防护作用，物联网数据汇聚设备支持云服务管理功能，通过在云端部署远程管理服务软件，可以通过管理工具实现对所接入的物联网数据汇聚设备进行远程参数配置、规约扩展、服务调试、边缘计算管理、固件升级等功能，运维人员无需进入现场，即可完成物联网数据汇聚设备的部署和调试。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种物联网数据汇聚系统，其特征在于：包括处理器、数据安全交互单元、外网通信模块、采集单元、上传单元、两个内网通信模块和内存控制模块，所述处理器通过导线分别与数据安全交互单元、一个内网通信模块和内存控制模块进行电性连接，且数据安全交互单元通过导线分别与外网通信模块和一个内网通信模块进行电性连接，与所述处理器电性连接的内网通信模块分别与USB、键盘和显示器进行连接，且与数据安全交互单元电性连接的内网通信模块包括4G LTE模块和以太网接口，所述外网通信模块包括LoRa模块、XBee模块、4G LTE模块、以太网接口和RS-485串口；
通过所述以太网接口和4G LTE模块远程设定不同物理通道上运行的通信协议进行数据采集，对要采集设备的物理地址、通道地址、参数名称或测点进行自主配置，在完成组态配置后，将配置好的工程下载到物联网汇聚端设备中，并远程启动物联网汇聚端设备中的应用服务程序，进行数据采集和存储，对于已采集到物联网汇聚端设备中的数据，应用服务程序能够以数据变换、数据过滤、运算处理、历史数据存储、统计处理、报警处理或服务请求的方式进行操作，对于已处理好的数据，应用服务程序能够按照已组态配置好的物理连接方式、数据转发协议类型、站物理地址、转发数据通道地址或参数名称方式将数据转发至其它应用系统；
所述数据安全交互单元用于负责按照预定的控制管理策略对内外部处理单元的工作状态及网络通讯协议数据进行检测及过滤，进而实现内外网安全隔离防护，具备非IP物理隔离功能，所述数据安全交互单元在任意时刻只能与一个网络的主机系统建立非TCP/IP协议的数据连接，当其与外网主机系统相连接时，其与内网主机系统断开。
2.根据权利要求1所述的一种物联网数据汇聚系统，其特征在于：所述处理器是选用高性能、超低功率ARM Cortex-A7核心的处理器，处理器运行速度为696MHz，包含128KB L2高速缓存和512M DDR3/LPDDR2内存支持，主板采用工业级设计，电磁兼容符合IEC61000-4标准，工作温度为-40℃-+85℃。
3.根据权利要求1所述的一种物联网数据汇聚系统，其特征在于：所述处理器内置高耐用32G Class10 TF卡，满足高强度数据存储的要求，操作系统采用Linux-2.6.X，数据库采用SQLite。
4.根据权利要求1所述的一种物联网数据汇聚系统，其特征在于：所述LoRa模块的频率范围为410-525MHz，发送功率为5-18dBm，且接收灵敏度为-148dBm。
5.根据权利要求4所述的一种物联网数据汇聚系统，其特征在于：所述LoRa模块的最大传输速率为37.5 Kbps，且支持 LoRa 透传、LoRaWAN和LoRaNET 协议，发送和接收缓冲区共256 字节，空旷环境覆盖距离为4km。
6.根据权利要求1所述的一种物联网数据汇聚系统，其特征在于：所述 XBee模块的操作频段为ISM 2.4 GHz，发射功率输出为60 mW conducted, 100 mW EIRP，接收器灵敏度为-100 dBm，串行接口数据速率为1200-115200 bps，室内和城市的覆盖距离为100m，室外的可视的覆盖距离为1500m。
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