CN113438276A - 一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统，具体包括数据采集终端、区域群组通信转发网关、云数据存储服务器、云应用数据服务器、终端设备和监控中心；本发明提供设计合理、整体简化、高智能自动化的一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统。

Description

一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统

技术领域

本发明涉及智能工业技术领域，更具体的说，它涉及一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统。

背景技术

随着传感器和互联网等信息技术的发展，通过给物品加上传感器和互联网，使得物品与物品之间交换信息成为了可能，随之就应运产生了物联网的概念。如今物联网产业正处于蓬勃发展期，能被广泛地应用于各行各业。可以这样说，物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次伟大的信息产业革命。

传统的工业设备一般并不具备信息互联的功能，工业生产环节中的各种参数信息往往需要人工查看、记录并分析。在人工成本日趋升高，而对生产效率也要求提高的情况下，当前很大程度上依赖于人工现场操作生产数据的方式，难以满足现代化生产的管理精度和实时性的要求，对于传统工业设备的信息网络化升级变得迫在眉睫。

对传统工业设备的网络化信息改造即是智能工业物联网的重要内容。通过对传统工业设备的智能物联网化改造，生产管理者可以不必亲自前往生产场地即可监控生产环节中的各种生产参数，有了全面及时的生产数据之后，便可以根据市场和生产状况，灵活调配产能，达到节省成本、控制浪费和提升企业生产效益的效果。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供设计合理、整体简化、高智能自动化的一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统，具体包括数据采集终端、区域群组通信转发网关、云数据存储服务器、云应用数据服务器、终端设备和监控中心；

数据采集终端包括传感器终端、模拟与数字输入接口、中央处理器电路与通讯接口；模拟与数字输入接口将采集传感器终端的模拟电流信号、模拟电压信号和开关数字量信号；模拟与数字输入接口将采集的信号传输给中央处理器电路，中央处理器电路处理输入信号、运算、按通信协议通过通讯接口发送相应数据；

区域群组通信转发网关将中央处理器电路处理后的相应数据发送至云数据存储服务器；

云应用服务器与云数据存储服务器连接，并获取需要的数据，根据相应应用的需求，处理好数据，然后将数据由终端设备和监控中心的Web客户端软件显示相应数据。

进一步的，数据采集终端通过RS485和电力载波的通讯方式灵活地进行组网通讯。

进一步的，云数据存储服务器采用腾讯、百度、阿里云或移动公司的云网络平台。

本发明的有益效果是：

本发明具有鲜明的特色，立足于物联网数据采集与分析整套系统的开发，整合相关技术资源，着力打造出一套通用并且灵活的物联网应用系统。本项目在设计之初就考虑到了多种应用场景，特别设计了一下三方面的特色功能。

1组网功能，本项目主要应用于工业数据采集和控制领域，然而实际的工业场所环境复杂多样，存在着很强的干扰，严重影响系统的整体稳定性，尤其是无线通信的数据传输质量。现有的数据采集终端主要通过GPRS无线通信的方式和数据中心通信，当用于复杂的工业环境时，容易产生连接中断的现象，此时最好是通过有线的方式。本项目既可以选择GPRS无线通讯也可以选择通过RS485或电力载波有线组网后统一上报数据中心。在方便布线的工业现场，可以选择RS485通讯，而在不方便的场合，可以利用现场已有的电源线，通过电力载波的方式进行数据交互。有了RS485和电力载波的有线通讯组网方式，大大增强了产品的灵活性，使之能更好地应用于不同场合。

2传感器的通用性，随着科技的发展，传感器的技术越来越发达，能检测的物理量也越来越多样，这也是助推物联网产业发展的一大要素，这对怎样适配不同类型的传感器也同样提出了更高的要求。经过对大量常用传感器资料的研究与分类，现有的传感器的输出类型不外乎数字信号和模拟信号两大类。数字信号通过既定的协议可以串行或并行地读取数值，非常精准也非常方便。而模拟量信号分电流型和电压型两种，对它们这两种信号的采样及调整电路各不一样，现有的产品为了区分电流信号和电压信号，必须将输入接至指定的端口，不可以混接，存在一定的限制。

本项目的亮点功能是不用区分模拟输入信号的类型，将输入信号直接和模拟输入端口连接，由设备自适应，此外还可以通过配置设定输入信号的阈值，做到电压、电流输入信号灵活接入，自动判断且可配置，使得产品更加智能化。

3低功耗，着重考虑低功耗问题，不仅能节省能源、更加绿色环保，还解决了另一大应用领域的需求。在室内的应用往往都有电源，可以不考虑低功耗的问题，但是在野外的应用就不得不考虑功耗的问题。

目前有很多应用场景都在室外，如管网检测、环境检测和计量等，不方便取电，必须要自备电池供电，而电池电量有限又不方便频繁更换，这对智能采集终端的功耗要求提出巨大挑战。本项目计划采用低功耗的主控芯片，利用其强大的功耗控制功能，再搭配外围的低功耗硬件电路，辅以智能的采集和数据通讯策略，能将整体的功耗控制在最低水平(小于10uA)，以每15分钟采集一次，每两小时发送一次数据计算，一组电池可以运行至少5年，达到电池供电并长期在线的目的。

附图说明

图1为本发明的关系结构图；

图2为本发明的采集终端结构图；

图3为本发明的云服务的架构设计图；

图4为本发明的管理平台架构图；

图5为本发明的终端内容管理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。应当说明的是，实施例只是对本发明的具体阐述，其目的是为了让本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，不应视为对本发明的限定。

实施例：

如图1至图5所示，一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统，具体包括数据采集终端、区域群组通信转发网关(简称转发网关)、云数据存储服务器、云应用数据服务器、终端设备和监控中心。

数据采集终端是物联网技术中数据的重要来源，是向网络层发送数据的设备，它担负着数据采集、初步处理、区域组网和远程配置等功能。数据采集终端包括传感器终端、模拟与数字输入接口、中央处理器电路与通讯接口。模拟与数字输入接口将采集传感器终端的模拟电流信号、模拟电压信号和开关数字量信号。模拟与数字输入接口将采集的信号传输给中央处理器电路，中央处理器电路处理输入信号、运算、按通信协议通过通讯接口发送相应数据。数据采集终端通过RS485和电力载波的通讯方式灵活地进行组网通讯。

考虑到一个采集点上有多个信号需要采集，每台终端都有多个模拟与数字输入接口。输入的模拟与数字信号范围不一，又要可由远程配置输入阈值，因此需要有功能强大的信号调理电路作信号的整形，然后交由中央处理器电路处理。中央处理器电路承载着终端大脑的作用。可采用先进i 7最新处理器，作为中央处理器电路。

各个数据采集终端可以通过RS485和电力载波的通讯方式灵活地进行组网通讯，方便区域内的设备联动控制。由于组网后的终端只需交由一台终端负责远程数据交互，节省了其他终端的硬件成本也降低了整体功耗。

区域群组通信转发网关将中央处理器电路处理后的相应数据发送至云数据存储服务器。各个数据采集终端可在一片临近的范围内组网，先将数据发送至区域通信转发网关，然后由通信转发网关将数据发送至数据中心，转发网关在整个数据传送过程中起桥梁的作用。使用通信转发网关看上去增加了整个系统的开销，实际上有了通信转发网关可以带来很多好处。

一个由多个终端组成的网络可能使用一些简单的通信方式更方便、更可靠，如采用RS485协议，通信转发网关接收数据后将数据转换成统一的通信协议，上传至数据中心。这样对于每个终端来说，节省了封装和解析复杂通信协议的计算开销，能降低中央处理器的选型门槛，更容易做到低功耗以及降低硬件成本；另外在复杂或恶劣的环境中，使用RS485等有线通信，对数据的采集更加具有保障性。

终端数据往往每一条的信息量很少，但成千上万个终端同时发送很短的数据帧会浪费数据中心宝贵的并发连接数，给数据中心的并发处理能力带来挑战。通过通信转发网关，网关将下面多个终端发送的数据进行打包，一次性上传至数据中心，每个通信转发网关只占用数据中心的一个并发连接，只要数据中心的计算能力够强，实际上增加了可同时处理的终端数量。此外通信网关还能对数据进行预处理，过滤不需要的数据，减轻数据中心的带宽压力。

如果每台终端都通过互联网直接连到数据中心，这样不但消耗数据中心的并发连接数，而且将终端暴露于复杂的互联网环境之中，极易被黑客入侵劫持，非法获取数据并操控设备。有了通信转发网关，在网关上可以做加密等措施形成一道防火墙，抵御入侵，将下面的终端保护了起来。

云应用服务器与云数据存储服务器连接，并获取需要的数据，根据相应应用的需求，处理好数据，然后将数据由终端设备和监控中心的Web客户端软件显示相应数据。

其中云数据存储服务器采用腾讯、百度、阿里云或移动公司的云网络平台。

终端设备和监控中心的终端管理平台分为系统设置，信息维护，终端管理，日志管理，统计五个模块。

平台各模块功能说明如下：

(1)系统设置：系统设置模块分为权限管理和用户管理两个子模块。权限管理模块主要支持根据平台用户划分的不同角色进行权限分配，支持管理员的等级权限分配功能；云服务系统的用户按照身份的不同划分为四种角色，包括超级管理员、平台管理员、企业管理员、终端管理员。四种角色的权限和职责范围如下：

超级管理员：拥有最高级别操作权限，能够进行最高级的管理操作，能够创建平台管理员并按区域划分平台管理员权限，能够创建企业管理员、终端管理员，负责对整个系统进行最高一级的维护等。

平台管理员：负责权限范围内平台日常运营的维护，包括企业管理员、终端管理员的创建和维护。

企业管理员：负责对本企业内部应用信息的管理、查询与统计及对该企业终端的管理。

终端管理员：在权限范围内，负责终端的日常管理，如参数定义，故障检测等。

权限控制工作在数据层、业务层、展示层。

用户管理模块主要实现用户登录鉴权，用户基本信息维护操作。

(2)信息维护模块分为企业信息维护和终端信息维护两个子模块。其中企业信息维护主要实现对接入平台企业基本信息的增删改查操作；终端信息维护主要实现对接入平台终端基本信息的增删改查操作。

(3)终端管理模块分为终端信息查询、终端远程控制、终端远程配置和终

端远程升级四个子模块。其中，终端信息查询主要实现终端实时状态等信息的查询和显示，确定终端当前的运行状态，以便更好的为客户提供远程监管终端的功能；终端远程控制主要实现对终端的远程控制功能，通过下发控制命令，实现终端远程激活、终端复位、终端上报通信方式、终端上报全部配置参数等功能；终端远程配置主要实现对终端的远程配置功能，包括终端参数配置；终端远程升级实现对终端的远程升级功能。

(4)日志管理模块实现操作日志、系统日志的管理，由操作日志管理子模

块和系统日志管理子模块组成；从平台安全性角度考虑，操作日志的记录情况可以作为非法操作的考察依据。

系统日志管理中日志记录分以下几种情况：

终端异常状态日志：通过心跳包循环检测终端运行状态，具体流程如下：设置心跳包循环间隔；发送心跳包；接受心跳包，分析心跳包；判断终端状态，如果状态异常，记录日志。

终端远程控制日志：检测终端进行的操作；判断是何种操作；如果是复位、重置操作，将本次操作写入日志。

终端远程配置日志：终端应用新配置；终端向日志系统发送本次操作的详细信息，详细信息包括配置的时间、配置人的个人信息及原来的配置及配置失败信息；写入日志。

终端远程升级日志：终端升级；收集终端升级时产生的附件信息，包括升级时间，升级版本等；向日志模块发送收集的信息；写入日志。

(5)统计模块分为定制报表、统计结果查询、审批报表和审批情况查询四个子模块。其中企业用户可通过定制报表模块选择相应的参数为企业定制统计报表；统计结果查询模块可以查看定制报表的统计结果；平台管理员通过审批报表模块审批提交的定制报表需求；审批情况查询是对已经提交的报表的审批情况进行查看。

其中，内容管理主要工作是管理物联网终端，配置终端的属性：设备名称，传感器类型，输入信号类型、单位、精度，信号阈值等信息。

对于一些实时性要求不高的终端信息，如用户信息、企业信息等，物联网终端管理平台将其存储在数据库中以备查询。这样一方面可以降低网络的流量，节省有限的宽带资源；另一方面，从数据库中进行查询的速度要比每次都直接与终端进行通信要快得多。数据库设计得好坏是一个重要的方面，一个好的数据库设计应当遵循如下的基本原则：

(1)设计的数据库应与信息的逻辑模型相符，能充分反映客观事物及其联系，满足用户对信息的实际需求，具有完备性。

(2)设计的数据库应具有较小的数据冗余度，数据库中的数据应协调一致，没有语义或值的冲突，能保持数据的一致性。

(3)数据独立性强，当对数据库进行修改和扩充时，应尽可能不影响原有用户的使用方式。

(4)确保数据库的安全和可靠。

物联网终端管理平台数据库设计围绕在终端、用户、企业展开的。平台最为重要的核心数据是：终端信息、用户信息、企业信息、终端参数信息、终端交互信息、终端状态信息、终端故障信息、报表信息。其中，终端信息主要用来存储系统中有哪些终端及其主要信息；用户信息用来保存用户的详细情况；企业信息来存储企业的详细信息；终端参数信息保存终端目前的参数配置信息；终端交互信息记录终端与平台的交互数据的相关信息；终端状态信息存放终端状态的统计信息，共有32张表，其中表0用于存放当天的数据，表1～表31分别用于存放一个月中每一天的状态参数；终端故障信息记录终端发生故障时的相关信息；报表信息主要包括：企业报表信息、报表状态信息及报表查询终端，企业报表信息保存企业管理员申请的报表情况，报表状态信息保存报表的审批状态，报表查询终端保存报表中对应统计的终端情况。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统，其特征在于，具体包括数据采集终端、区域群组通信转发网关、云数据存储服务器、云应用数据服务器、终端设备和监控中心；

数据采集终端包括传感器终端、模拟与数字输入接口、中央处理器电路与通讯接口；模拟与数字输入接口将采集传感器终端的模拟电流信号、模拟电压信号和开关数字量信号；模拟与数字输入接口将采集的信号传输给中央处理器电路，中央处理器电路处理输入信号、运算、按通信协议通过通讯接口发送相应数据；

区域群组通信转发网关将中央处理器电路处理后的相应数据发送至云数据存储服务器；

云应用服务器与云数据存储服务器连接，并获取需要的数据，根据相应应用的需求，处理好数据，然后将数据由终端设备和监控中心的Web客户端软件显示相应数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统，其特征在于，数据采集终端通过RS485和电力载波的通讯方式灵活地进行组网通讯。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能传感终端集成的工业物联网系统，其特征在于，云数据存储服务器采用腾讯、百度、阿里云或移动公司的云网络平台。

Images