CN113812120A - 传感器集线器，传感器系统，用于传输传感器信号的方法和计算机可读存储介质 - Google Patents

传感器集线器，传感器系统，用于传输传感器信号的方法和计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

如果将多个传感器安装在控制柜或生产厂房上，则需要复杂的布线以将这些传感器连接到用户设备。这是不利的。通过传感器集线器(20)消除上述缺点，该传感器集线器(20)包括：至少一个传感器通信装置(21，22，23，24)，其被设计成用于从至少两个传感器(11，12，13，14)接收传感器信号(27，27'，27”，27”')，和/或将这些传感器信号(27，27'，27”，27”')输出到至少两个传感器(11，12，13，14)；计算机设备(25)，该计算机设备(25)通信地连接到该至少一个传感器通信装置(21，22，23，24)，并且被设计成使用该传感器信号(27，27'，27”，27”')生成传感器数据(28，7，8)；传输装置(26)，其被设计成用于通过单一通信介质(4)将该传感器数据(28，7，8)传输到用户装置(5)，其中，该传感器数据(28，7，8)指示地址(A1，A2，A3，A4)，每个地址被分配给该至少两个传感器(11，12，13，14)中的一个。

Description

传感器集线器，传感器系统，用于传输传感器信号的方法和计 算机可读存储介质
本发明涉及传感器集线器、传感器系统、用于传输传感器信号的方法和计算机可读存储介质。
控制柜通常配备有各种传感器，以监控控制柜中的敏感及昂贵设备的环境。例如，可提供用于监测的温度传感器或湿度传感器。此外，生产车间还配备了各种传感器，以确保生产厂房的功能。
传感器通常通过模拟或数字接口连接到用户模块，例如PLC(可编程逻辑控制器)，该用户模块定期读取传感器。根据现有技术，数字传感器1位传感器，其并不传输测量值，而是仅以位的形式传输状态(例如，开或关)。模拟传感器提供测量值，但不提供自身信息。这意味着，如果多个传感器通过单个连接(如总线)传输传感器数据，则模拟传感器不可寻址，且无法被识别。
这种布置的缺点是，必须将复杂的电缆从控制柜或生产厂房敷设到用户模块(更高级别的控制单元)。
为解决这些缺点，已知的方法是通过传感器集线器将多个二进制传感器连接到用户模块。例如，可以在传感器集线器和用户模块之间提供IO链路数据接口。对于IO链路数据接口，确保传感器集线器和用户模块之间通信的所谓IO链路主机必须连接在传感器集线器和用户模块之间。对于传感器集线器，这是一个IO链路点对点连接。对于用户模块，这通常是一个现场总线连接。
对于将模拟传感器直接连接到用户模块，必须将模拟数据转换为用户数据(例如温度)，这是不利的。此外，在二进制传感器的现有技术中，无法检测到哪个传感器连接到传感器集线器的哪个端口。对于模拟传感器，必须通过相应编码在寄存器的用户侧指定哪个传感器可以连接到哪个端口，因为模拟传感器本身不能提供任何关于型号和类型的信息。
因此，本发明的目的是消除现有技术中存在的缺陷。具体而言，本发明的目的是简化与多个传感器的通信，尤其是简化通过IO链路连接与数字传感器的通信。此外，本发明的一个具体目的是简化控制柜的布线。
根据权利要求1所述的传感器集线器、根据权利要求11所述的传感器系统、根据权利要求13所述的用于传输传感器数据的方法和根据权利要求16所述的计算机可读存储介质实现了上述目的。
上述目的尤其通过传感器集线器进行解决，该传感器集线器包括：
至少一个传感器通信装置，适用于从至少两个传感器接收传感器信号；
可通信地连接到该至少一个传感器通信装置的计算机设备，该计算机设备被设计成使用传感器信号生成传感器数据；
传输装置，适用于经由单一通信介质将传感器数据传输到用户设备，
其中，传感器数据指示地址，每个地址被分配给至少两个传感器中的一个。
本发明的核心特征是至少两个传感器可通过传感器集线器进行寻址。因此，也可通过连接到传感器集线器的设备对传感器进行单独识别。这是通过将地址作为传感器数据的一部分进行转发来实现的。由于通过单一传输介质将传感器数据传输到用户设备，因此简化了布线。
例如，可以由传感器通过I2C总线向传感器集线器发送传感器信号的方式进行提供。计算机设备可被设计成将传感器信号转换为IO链路兼容的数据格式，并以该数据格式将传感器信号进行聚合，其中唯一的传输介质可由IO链路兼容的传输介质形成。
因此，可以通过地址对传感器进行编码。这样可以对定义的传感器进行唯一标识和查询。因此，不需要在用户端进行预先设置。此外，其优点是，尽管传感器集线器和用户侧之间存在点对点连接，但在连接至少两个传感器时，很容易确定连接了哪些传感器以及哪些传感器提供了哪些值。
还可以设想，计算机设备可以被配置为处理电压值，特别是可以由传感器信号进行指示的数字电压值，以使用传感器信号生成传感器数据并确定温度值、颗粒密度值、湿度值、气体浓度值、振动强度值和/或其他物理值。
因此，还可能直接传输期望的温度值等，从而不需要计算用户设备中的这些值。
在一个实施例中，传感器信号可指示传感器读数。
在本申请的上下文中，术语传感器读数可指由传感器信号指示的数字编码值。传感器读数可能指示在连续刻度尺上测量的一系列测量值。
因此，传感器集线器可以接收和处理不同预定义的传感器的传感器信号。
在一个实施例中，传感器信号可作为温度、湿度、颗粒物指示、振动指示、气体指示和/或其他物理或化学测量的指示。
在一个实施例中，至少一个传感器通信装置可以配置为连接到至少一个现场总线系统，以用于与至少两个传感器进行通信。
因此，至少两个传感器可以通过现场总线系统连接到传感器集线器。例如，可以使用已知的I2C总线。例如，在这种情况下，现场总线系统可以采用四线设计。还可以设想，可以通过传感器通信装置连接多个传感器。在这种情况下，可以使用现场总线系统，该现场总线系统可被设计成通过单一传输介质向多个参与方(也即传感器)寻址。因此，提供了一种非常灵活的解决方案，通过该解决方案，可以将不同的传感器连接到传感器集线器。
在一个实施例中，传输装置可被配置为定期传输传感器数据。
在一个实施例中，在传输周期内的传感器数据可以包括数据包，其中数据包可以指定传输信道、传感器状态、传感器类型和/或至少一个传感器读数。
因此，可以通过单一传输介质从单个传感器传输数据，其中数据包允许识别传感器的类型。因此，所连接的用户设备可以容易确定提供数据的传感器的类型。
在一个实施例中，传感器数据可包括传输周期内的数据包，其中数据包指示至少两种传感器类型、传感器状态和/或该至少两种传感器类型的其中一个的至少一个传感器读数。
因此，单个数据包也可能具有每种类型传感器的数据字段，以便将相应的数据存储在数据包中。因此，所连接的用户设备无需确定发送数据的传感器类型，因为所使用的数据字段已经指示了发送数据的传感器类型。
在一个实施例中，计算机设备可被配置为使用至少一个传感器通信装置向传感器发送传感器地址。
为了确定传感器是否连接到传感器集线器的端口，传感器集线器可被配置为经由至少一个传感器通信装置发送传感器地址。
在一个实施例中，计算机设备可适用于响应于所发送的传感器地址，对通过至少一个传感器通信装置从传感器接收的响应消息进行处理，并使用该响应消息确定传感器的类型。
因此，传感器可被配置为响应于接收到传感器地址而将响应消息发送到传感器集线器。例如，如果接收到的地址对应于存储在传感器上的传感器地址，则传感器可被配置为向传感器集线器发送响应消息。如果传感器集线器发送的地址与传感器上存储的传感器地址不对应，则传感器可配置为不向传感器集线器发送响应消息。
因此，传感器集线器可以通过接收或未接收响应消息来确定是否有传感器通过至少一个传感器通信装置连接到传感器集线器，以及当有传感器通过该至少一个传感器通信装置连接到传感器集线器时，确定该传感器的类型。该通信还可验证传感器的运行情况。然后，传感器集线器可以将响应消息解释为生命信号。
在一个实施例中，计算机设备可适用于在没有接收到响应于所发送的传感器地址的响应消息时，确定不存在连接到至少一个传感器通信装置的传感器。
因此，由计算机设备实现确定是否不存在连接到至少一个传感器通信装置的传感器。因此，总的来说，公开了一个非常有效的实施例，该实施例用于确定连接到至少一个传感器通信装置的传感器的类型以及是否有传感器连接到至少一个传感器通信装置。
具体地，还通过传感器系统解决该问题，该传感器系统包括：
如上所述的传感器集线器；
至少一个传感器，该传感器被设计成可通信地连接到传感器集线器，尤其是被设计成连接到传感器集线器的传感器；
用户设备，该用户设备被设计成可通信地连接到传感器集线器，尤其是通过单一通信介质连接到传感器集线器。
获得了与传感器集线器相关的已描述的类似或相同的优点。
在一个实施例中，该至少一个传感器可以是温度传感器、湿度传感器、气体传感器和/或粒子传感器等。
获得了与传感器集线器相关的已描述的类似或相同的优点。
具体地，还通过一种用于传输传感器数据的方法来解决该问题，该方法包括以下步骤：
从至少两个传感器接收传感器信号；
使用传感器信号生成传感器数据，其中传感器数据指示地址，每一所述地址被分配给至少两个传感器中的每一个传感器；
将传感器数据传输到用户设备。
在一个实施例中，该方法可包括：
将分配给传感器类型的传感器地址发送到至少两个传感器中的第一传感器；
如果没有收到响应于该传输的响应消息，则确定不存在连接到传感器地址的传感器。
获得了与传感器集线器相关的已描述的类似或相同的优点。
通过计算机可读存储介质来进一步解决该问题，该计算机可读存储介质包括指令，该指令用于在被至少一个处理器执行时，致使该至少一个处理器实现上述的方法。
获得了与传感器集线器相关的已描述的类似或相同的优点。
进一步的实施例在从属权利要求中是显而易见的。
在下文中，将参考示例性实施例更详细地说明本发明，其中：
图1示出了传感器系统的示意图；
图2示出了传感器集线器的示意图；
图3示出了用于对连接到传感器集线器的传感器进行初始化的方法的流程图；
图4示出了第一示例性实施例中的数据包的示例；
图5示出了第二示例性实施例中的数据包的示例。
图1示出了包括生产厂房10、传感器集线器20和用户设备5的传感器系统1的示意图。
将四个传感器11，12，13，14，也即，气体传感器11、细粉尘传感器12、第一温度传感器13和第二温度传感器14，布置在生产厂房10中。此外，未示出的其他部件，例如控制编程单元(PLC)，被布置在生产厂房10中或生产厂房10处。当然，在进一步的示例性实施例中，可以设想仅使用一种类型的传感器，例如仅使用湿度传感器。
通过现场总线连接2(例如I2C总线连接)将传感器传感器11，12，13，14分别连接到传感器集线器20。也被I2C总线所使用的一种通信方式，其特征在于，使用四线连接，其中第一条线用于传输时钟信号，第二条线用作数据线(3/4表示传感器的工作电压)。两条导线都通过上拉电阻器连接到电源电压。现场总线2被设计成主-从式现场总线。这意味着所示的示例性实施例中的通信均是由主机发起。在示例性实施例中，传感器集线器20被设计为主机，传感器11，12，13，14被分别设计为从机。
可通过传感器集线器20的地址对通过现场总线2连接的传感器11，12，13，14进行寻址。这意味着主机通过现场总线2向传感器11，12，13，14发送地址，并且将要分配地址的传感器11，12，13，14利用指示测量值的传感器信号进行响应。
传感器11，12，13，14被设计成将其测量值作为传感器信号传输至传感器集线器20。结合图2对传感器集线器20进行了详细描述。传感器集线器20被设计成对传感器11，12，13，14的接收到的传感器信号进行组合，并将这些传感器信号作为数据包发送到连接的用户设备5。
优选地，在传感器集线器20和用户设备5之间使用点到点连接，例如IO链路连接3。
点到点连接的特征在于，在两个连接的设备之间，不连接其他设备。因此，通过点对点连接，只有一个其他设备可以连接到设备的端口。
通过所描述的本发明，现在可以通过用户设备5上的连接接收多个传感器11，12，13，14的传感器信号。此外，现在可以确定传感器数据来自哪个传感器。因此，在图1的示例性实施例中，可以确定温度值究竟是来自第一温度传感器13还是来自第二温度传感器14。由于传感器的位置通常是已知的，因此在温度升高的情况下，还可以直接确定生产厂房10中的出现温度升高的位置，以便快速可靠地定位故障。
图2示出了传感器集线器20的示意图。传感器集线器20有四个端口或端子或接头21，22，23，24，这四个端口或端子或接头21，22，23，24与传感器11，12，13，14连接。因此，在所示的示例性实施例中，仅为传感器11，12，13，14提供了一个连接21，22，23，24。然而，由于现场总线2用于传感器集线器20和传感器11，12，13，14之间的通信，还可以设想通过连接或端口21，22，23，24来连接多个相同或不同的传感器11，12，13，14。
在本申请的上下文中，连接21，22，23，24也被称为传感器通信装置。
传感器11，12，13，14通过连接21，22，23，24将它们各自的传感器信号27，27'，27”，27”'发送到计算机设备25。计算机设备25被配置为接收和处理传感器信号27，27'，27”，27”'。例如，计算机设备25适用于根据温度传感器13发送的电压值27计算温度。在这方面，可以对计算机设备25进行适当地预配置，以便能够将相应的温度分配给数字数据包。
然而，也可以设想，计算机设备25执行更高级的计算，例如确定在特定时间间隔(例如24小时)内的平均值。
最后，在一些示例性实施例中，计算机设备适用于形成虚拟传感器。这意味着计算机设备25适用于处理来自至少一个传感器11，12，13，14的值，并将其作为传感器数据发送到用户设备5。例如，可以创建一个始终指示过去24小时的平均温度的虚拟传感器。
计算机设备25还可以包括例如暂时存储传感器数据的存储器设备。传感器11，12，13，14的地址也可以存储在这个存储器设备中。
此外，通过计算机设备5将经处理的传感器信号27，27'，27”，27”'聚合为传感器数据28。这意味着可以进一步地一起传输传感器信号27，27'，27”，27”'。为此，将传感器数据28发送到收发器26，收发器26将传感器数据28发送到用户设备5。
收发器26也可称为发射装置。
图3是示出传感器11，12，13，14的初始化过程300的流程图。
在初始化步骤301中，打开传感器集线器20，从而向传感器集线器20进行供电。此外，检查传感器集线器20所知的所有传感器11，12，13，14是否均已初始化完毕。为此，传感器集线器20具有存储多个传感器地址的存储器装置。对每个地址分配一个传感器类型以及相关传感器11，12，13，14是否已被初始化的指示。
在测试步骤302中，传感器集线器20的计算机设备25检查是否有尚未初始化的至少一个地址。如果存在这种情况，则该方法继续执行传输步骤305。如果所有传感器11，12，13，14均已完成初始化，则该方法以结束步骤308进行结束。
在传输步骤305中，从存储器装置303中读出尚未初始化的传感器地址304。在传输步骤305中经由传感器通信装置21，22，23，24发送地址304。
如果在接收步骤306中接收到对该发送地址304的响应，则在存储步骤307中存储从地址304到所使用的传感器通信装置21，22，23，24的分配。因此，从这一点开始，能够知道通过传感器通信装置21，22，23，24的哪一个可以到达传感器11，12，13，14的哪一个。
如果在步骤306没有接收到对地址304的发送的响应，则该方法进入步骤301。
图4和图5说明了如何将传感器数据7，8从传感器集线器20传输到用户设备5的两种可能的数据格式。
图4示出了一个示例性实施例，其中用于信道(即，传感器通信装置或连接21，22，23，24)的传感器数据7指示状态S1、传感器类型T1和用户数据D1-D4。状态S1指示作为用户数据D1-D4进行发送的数据。例如，状态S1可指示温度数据被编码为用户数据D1-D4。传感器类型D1指示传感器类型，例如温度传感器或湿度传感器。
传感器数据7还可以包括所有信道(即传感器通信装置或连接21，22，23，24)的数据。因此，参考图1，传感器数据7包括四倍的图4的数据，其中每个信道指示传感器11，12，13，14的数据。
所描述的示例性实施例的优点在于，必须发送很少的处理数据，因为始终可以以紧凑的方式精确发送传感器所需的数据。其缺点是必须评估状态S1以确定正在传输的数据。
该缺点由图5的示例性实施例进行解决。图5示出了示例性传感器数据8，对于每个信道，传感器数据8包括所有可能的传感器11，12，13，14的字段。这意味着，对于第一通道，提供了所有可能的传感器类型T1-T4的数据字段。因此，图5示出了传感器类型T1、T2、T3或T4的数据字段。在所示的示例性实施例中，对于用户数据D1-D4，为每个传感器类型T1-T4精确分配一个数据字段。
因此，传感器数据8中的传感器类型T1-T4的定义是固定的，以便可以从数据字段D1-D4的使用中识别所涉及的数据类型。例如，如果将T1指定为温度传感器，则可以通过具有值的数据字段D1的使用来识别出数据字段D1中的数据是连接的温度传感器13的温度数据。因此，不需要读取和解释任何状态。
附图标记列表
1 传感器系统
2 现场总线连接
3 IO链接电缆
5 用户设备
10 生产厂房
11 气体传感器
12 细粉尘传感器
13 第一温度传感器
14 第二温度传感器
20 传感器集线器
21，22，23，24 端口/终端
25 微控制器
26 收发器
7,8,27,27'，27”，27”' 传感器信号
28 传感器数据
300 初始化程序
301 初始化步骤
302 测试步骤
303 存储设备
304 地址
305 传输步骤
306 接收步骤
307 存储步骤
308 结束步骤
S1 状态
T1-T4 传感器类型
D1-D4 基准

Claims (16)

1.传感器集线器(20)，包括：
至少一个传感器通信装置(21，22，23，24)，所述至少一个传感器通信装置(21，22，23，24)适用于从至少两个传感器(11，12，13，14)接收传感器信号(27，27'，27”，27”')；
计算机设备(25)，所述计算机设备(25)通信地连接到所述至少一个传感器通信装置(21，22，23，24)，并且被设计成使用所述传感器信号(27，27'，27”，27”')生成传感器数据(28，7，8)；
传输装置(26)，所述传输装置(26)适用于经由单一通信介质(4)将所述传感器数据(28，7，8)发送到用户设备(5)，
其特征在于，
所述传感器数据(28，7，8)指示地址(A1，A2，A3，A4)，每一所述地址(A1，A2，A3，A4)被分配给所述至少两个传感器(11，12，13，14)中的其中一个传感器。
2.根据权利要求1所述的传感器集线器(20)，其特征在于，所述传感器信号(27、27'、27'、27')作为传感器读数(D1，D2，D3)的指示。
3.根据上述权利要求中任一所述的传感器集线器(20)，其特征在于，传感器信号(27，27'，27”，27”')作为温度、湿度、细粉尘指示、振动指示、气体指示和/或其他物理或化学测量的指示。
4.根据上述权利要求中任一所述的传感器集线器(20)，其特征在于，所述至少一个传感器通信装置(21，22，23，24)被设计成连接到至少一个现场总线系统(2)，以用于与所述至少两个传感器(11，12，13，14)进行通信。
5.根据上述权利要求中任一所述的传感器集线器(20)，其特征在于，所述传输装置(26)被设计成定期发送所述传感器数据(28，7，8)。
6.根据上述权利要求中任一所述的传感器集线器(20)，特别是根据权利要求5所述的传感器集线器(20)，其特征在于，在传输周期内的所述传感器数据(28，4)包括数据包(7)，其中所述数据包(7)指示传输信道、传感器状态(S1)、传感器类型(T1，T2，T3，T4)和/或至少一个传感器读数(D1，D2，D3)。
7.根据上述权利要求中任一所述的传感器集线器(20)，特别是根据权利要求5所述的传感器集线器(20)，其特征在于，在传输周期内的所述传感器数据(28，8)包括数据包(8)，其中所述数据包(8)指示至少两种传感器类型(T1，T2，T3，T4)、传感器状态和/或所述至少两种传感器类型(T1，T2，T3，T4)的其中一个的至少一个传感器读数(D1，D2，D3)。
8.根据上述权利要求中任一所述的传感器集线器(20)，其特征在于，所述计算机设备(25)适用于使用所述至少一个传感器通信装置(21，22，23，24)将传感器地址(A1，A2，A3，A4)发送到传感器(11，12，13，14)。
9.根据上述权利要求中任一所述的传感器集线器(20)，特别是根据权利要求8所述的传感器集线器(20)，其特征在于，所述计算机设备(25)适用于响应于所传输的传感器地址(A1，A2，A3，A4)，对经由所述至少一个传感器通信装置(21，22，23，24)接收的，来自传感器(11，12，13，14)的响应消息进行处理，并使用所述响应消息确定所述传感器(11，12，13，14)的类型。
10.根据上述权利要求中任一所述的传感器集线器(20)，特别是根据权利要求8所述的传感器集线器(20)，其特征在于，所述计算机设备(25)适用于当没有接收到响应于所传输的传感器地址(A1，A2，A3，A4)的响应消息时，确定传感器(11，12，13，14)未被连接到所述至少一个传感器通信装置(21，22，23，24)。
11.传感器系统(1)，包括：
根据上述权利要求中任一所述的传感器集线器(20)；
至少一个传感器(11，12，13，14)，所述传感器(11，12，13，14)被设计成可通信地连接到所述传感器集线器(20)；
用户设备(5)，所述用户设备(5)被设计成可通信地连接到所述传感器集线器(20)，尤其是通过单一通信介质(4)连接到所述传感器集线器(20)。
12.根据权利要求11所述的传感器系统(1)，其特征在于，所述至少一个传感器(11，12，13，14)被设计为温度传感器(11)、湿度传感器(12)、气体传感器(13)和/或粒子传感器(14)。
13.用于传输传感器数据的方法(28，7，8)，包括以下步骤：
从至少两个传感器(11，12，13，14)接收传感器信号(27、27'、27”、27”')；
使用所述传感器信号(27，27'，27”，27”')生成传感器数据(28，7，8)，其中所述传感器数据(7，8)指示地址，每一所述地址被分配给所述至少两个传感器(11，12，13，14)中的其中一个地址；
将所述传感器数据(28，7，8)发送至用户设备(5)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将分配给传感器类型(T1，T2，T3，T4)的传感器地址(A1，A2，A3，A4)发送到所述至少两个传感器(11，12，13，14)中的第一传感器(11，12，13，14)；
从所述第一传感器(11，12，13，14)接收响应消息；
将所述传感器地址(A1，A2，A3，A4)分配给所述第一传感器(11，12，13，14)。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其特征在于，
将分配给传感器类型(T1，T2，T3，T4)的传感器地址(A1，A2，A3，A4)发送到所述至少两个传感器(11，12，13，14)中的第一传感器(11，12，13，14)；
当没有接收到响应于所述传输的响应消息时，确定传感器(11，12，13，14)未被连接到所述传感器地址(A1，A2，A3，A4)。
16.计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包含指令，当所述指令由至少一个处理器执行时，致使所述至少一个处理器实现根据权利要求13至15中任一所述的方法。
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