CN114503516A - 物联网模块 - Google Patents

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Abstract

提出一种具有第一接口(3a)的物联网模块(1)，模块(1)能够经由所述第一接口与混合式单对以太网线路耦合，以用于数据和/或命令交换以及用于供应电压。模块还具有电压调节器(4)，以用于将施加在第一接口(3a)上的第一电压转换为用于对模块(1)供电的第二电压。此外，设有用于经由混合式单对以太网线路(11)进行基于IP的通信的控制器(5)。此外设有第二接口(3b)，模块(1)能够经由所述第二接口与传感器和/或执行器耦合，以用于数据、信号和/或命令交换以及用于电压供应。

Description

物联网模块
技术领域
本发明涉及一种物联网模块。
背景技术
在IoT(Internet-of-Things，物联网)领域中，传感器和/或执行器通常经由线缆与网络连接，以便允许通信。与传感器和/或执行器的通信例如能够基于IP协议。至今为止常见的是，间接地经由网关(转换器)实现通信。借助网络与网关的通信于是通常是基于IP的通信，而在网关与传感器或执行器之间的通信不基于IP协议。
另一方面已知能够实现与网络的无线通信(例如WLAN、4G、5G等)的传感器和/或执行器，使得能够实现基于IP的通信。
如果传感器和/或执行器必须有线地连接到网络上，那么这例如能够经由具有多对以太网线路的以太网协议进行。在这种情况下，传感器和/或执行器的供电能够经由“以太网供电(Power over Ethernet)”进行。
在基于优先权的德国专利申请中，德国专利商标局检索到以下文献：WO 2018/158778 A1、WO 2019/183 340 A1、US 2019/0 263 339 A1和DE 10 2017 111 272 A1。
发明内容
本发明的目的是，提出一种物联网模块，所述物联网模块能够实现在网络和设备、例如传感器和/或执行器之间的改进的和更低成本的通信。
所述目的通过根据权利要求1的物联网模块来实现。
因此，提出一种具有第一接口和第二接口的物联网模块。模块能够经由第一接口与混合式单对以太网线路耦合，以用于数据和/或命令交换以及用于供应电压。物联网模块还具有电压调节器，以用于将施加在第一接口处的第一电压转换为用于对模块供电的第二电压。此外设有控制器，用于经由能够在第一接口处耦合的混合式单对以太网线路进行基于IP的通信。模块能够借助于第二接口与设备耦合，以用于数据、信号和/或命令交换以及用于供应电压。
根据本发明的一个方面，能够耦合到第二接口上的设备是传感器、执行器、无线发送器/接收器和/或输入端-输出端适配器。
在这种情况下，本发明基于以下构思：使用混合式单对以太网架构，以便将数据和能量传输给设备，例如传感器、执行器和/或无线客户端。混合式单对以太网线路具有两个分开的线路对，一个线路对用于传输数据，以及一个线路对用于传输能量。通过在设备(传感器、执行器和/或无线发送器/接收器(客户端))之间设置的根据本发明的模块，能够实现在网络和设备之间的基于IP协议的通信。因此，设备(传感器/执行器)与网络的直接通信是可行的，而在此无需在它们之间的转换器或网关。因此，在模块和网络之间的通信是基于IP的。
根据本发明的模块具有第一接口，模块经由所述第一接口与单对以太网线缆连接并且能够接收和发送数据以及由能量供应。
模块具有用于与设备(传感器/执行器和/或无线客户端)通信的第二接口。所述模块具有用于设定所需的电压的电压调节器以及能够经由第一接口实现基于IP的通信的控制器。所述模块具有第二接口，经由所述第二接口，所述模块能够与设备耦合，以便传输数据、信号和/或命令并且为设备提供能量供应。借助于控制器能够经由混合式单对以太网线缆与网络进行基于IP的通信。这是有利的，因为因此能够将已众所周知的传输协议(即IP传输协议)用于在设备和网络之间的通信。因此能够将常见的和已经可用的软件库用于通信。
能够耦合到物联网模块的第二接口上的设备既不具有键盘也不具有显示器，也不具有用于由用户进行配置的其它接口。为了设定设备的参数，能够设有基于网页的用户界面。所述设备可选地具有用于与网络进行通信的仅一个唯一的接口。
根据本发明的一个方面，经由连接于第一接口的混合式单对以太网线路向连接到物联网模块的第二接口上的设备提供数据、信号和命令。此外，经由所述接口也对电压供应进行调节。因此，对于该设备不需要单独的电压供应。此外，可选地不必在设备中进行电压转换，因为相应的电压已经施加在物联网模块的第二接口上。
根据本发明的一个方面，连接到物联网模块上的设备仅需要用于与网络通信以及用于电压供应的接口。因此，所述设备能够更简单地且更低成本地构造。
根据本发明的一个方面，所述设备尤其能够构造为传感器、执行器、无线发送器/接收器或输入端/输出端适配器。因此，例如，简单的传感器或执行器能够在没有大的耗费和不改变传感器或执行器的情况下连接到网络上，并且同时由电压供应。
根据本发明的一个方面，所述设备是无线发送器/接收器。无线发送器/接收器例如能够构造为WiFi客户端，尤其是WiFi客户端桥接器，其具有集成的天线和电子设备。无线发送器/接收器能够根据IEEE-802.11标准进行无线通信。
替选于此，无线发送器/接收器也能够基于蓝牙协议IP与网络进行通信。替选于此，无线发送器/接收器也能够基于蜂窝协议、例如LTE或5GIP与网络进行通信。
本发明的其它设计方案是从属权利要求的主题。
附图说明
下面参考附图详细阐述本发明的优点和实施例。
图1示出根据本发明的第一实施例的物联网模块的示意性框图；
图2示出根据第二实施例的物联网模块的应用的示意性立体图；
图3示出物联网模块连同传感器和连接到模块上的线缆的示意性立体图；
图4示出物联网模块、适配器和传感器的示意图；
图5a示出根据本发明的第三实施例的物联网模块的示意性框图；
图5b示出根据第三实施例的物联网模块的示意图；和
图6示出根据第四实施例的物联网模块的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种物联网IoT基础设施，在所述物联网IoT基础设施中，多个设备，例如传感器、执行器和/或无线客户端能够经由网络(Internet，因特网)与其它组件进行通信。IoT模块与网络的通信基于IP协议。所述设备经由混合式单对以太网SPE线路耦合，经由所述混合式单对以太网SPE线路进行数据和命令交换以及能量供应。每个设备与根据本发明的物联网模块相关联，所述物联网模块形成在设备和单对以太网SPE线路之间的接口。
经由单对以太网SPE线路与网络耦合的设备例如是IoT传感器、执行器、无线发送器/接收器、无线客户端(Wireless Client)或输入端-输出端适配器。无线客户端能够是WiFi客户端、蓝牙客户端、ZigBee客户端、DECT客户端、UMTS客户端、LTE客户端、5G客户端等。输入端-输出端适配器用于将进行数字通信的传感器、例如IO-Link传感器也与网络连接，意即不具有IP接口的数字传感器和/或执行器。
图1示出根据本发明的第一实施例的物联网IoT(Internet-of-things，物联网)模块的示意性框图。IoT模块1具有第一接口3a和第二接口3b。模块1能够经由第一接口3a与混合式单对以太网SPE线路耦合。经由第二接口3b，模块1能够与设备，例如传感器/执行器耦合。模块1能够具有电压调节器4(DC/DC转换器)、控制器5、PHY单元2a、MAC单元2b、存储器5a、外围单元5b和安全元件5c。电压调节器4用于将施加在第一接口处的DC电压转换为用于运行模块1所需的电压。PHY单元2a用于对T1以太网信号(经由混合式单对以太网线路传输的信号)进行编码/解码，并且在主机侧提供以太网特定的媒体独立接口。PHY单元2a对出自控制器和给控制器的数据进行转换，所述数据经由混合式单对以太网线路接收或传输。
MAC单元2b是媒体接入控制单元(Media Access Control)并且用于经由混合式单对以太网SPE线路进行基于IP的通信。
安全元件5c用于经由混合式单对以太网线路进行安全的基于IP的通信。
T1以太网协议基于IEEE 802.3bw标准，并且能够实现基于IP协议经由单对以太网线路的传输。T1以太网协议例如允许100BASE-T1以太网通信。
外围单元5b用于对设备进行访问，例如，通过例如呈模数转换器的形式的控制器的传感器/执行器信号。
图2示出根据第二实施例的物联网模块的示意性立体图。根据本发明的物联网模块1具有第一接口3a、电压调节器4、控制器5以及第二接口3b。所述模块经由第一接口3a与插接连接器7耦合，经由所述插接连接器能够连接混合式单对以太网线缆。然后，经由所述第一接口3a进行数据和命令的基于IP的通信以及能量供应。模块1能够经由第二接口3b与传感器和/或执行器耦合。可选地，能够在第二接口3b与传感器和/或执行器之间设有适配单元8。模块1和可选的适配单元8能够设置在承载电路板6上。
电压调节器4用于将经由单对以太网线缆接收的电压转换为由模块1以及可选地由适配电子单元8或传感器和/或执行器所需的电压。
物联网模块1还能够可选地设置在承载电路板6上并且可选地具有构件载体9。模块1具有第一端子或第一接口3a，经由所述第一端子或第一接口，模块能够与混合线路，例如呈单对以太网线缆的形式的混合线路耦合。数据和能量都能够经由所述线缆传输。模块1具有电压调节器4，以用于将施加到第一端子2上的电压转换为对于模块1以及可选地对于连接到模块上的传感器/执行器所需的电压。模块1还具有控制器5和第二接口3b，模块1能够借助于所述第二接口直接地或间接地耦合到传感器和/或执行器上。经由第二接口能够与传感器/执行器交换数据和/或命令。此外，第二接口也用于为传感器/执行器供应电压。
模块1具有PHY单元2a。所述PHY单元2a用于对经由混合线缆传输给模块的数据或模块应经由混合线路传输的数据进行编码和解码。借助于PHY单元2a能够应用对调制运行的信道的数字访问。
PHY单元2a是对T1以太网信号(经由混合式单对以太网传输的信号)进行编码/解码并且在主机侧提供以太网特定的媒体独立接口的构件。PHY单元2a对出自微控制器或交换机的数据或者给微控制器或交换机的数据进行转换，所述数据经由单对以太网线路接收或传输。
控制器5例如具有微控制器、存储器5a。模块1具有媒体接入控制单元2b，所述媒体接入控制单元经由以太网特定的媒体独立接口MII与PHY单元2a耦合。控制器5还用于执行IP网络堆栈的高于MAC层的部分。所述模块可选地具有至少一个安全元件5c，所述安全元件用于：将机密的不可读的私钥用于通信。因此能够实现在模块和网络之间的物联网通信的加密以及模块的认证。可选地，该安全元件能够提供用于安全通信和认证的其它机制，例如签名功能或随机数生成器。
模块1能够机械地设置在承载电路板6上。承载电路板6还能够具有插接连接器7，在所述插接连接器上连接例如呈单对以太网线路的形式的混合线路。可选地，承载电路板能够具有适配电路8。适配电路8用于与耦合到模块上的设备15(例如传感器、执行器、无线客户端或输入端-输出端适配器)通信。适配电路因此能够适配用于传感器的电压供应、数据和/或信号。
具有承载电路板6的模块1能够设为专用单元。替选于此，所述模块能够连同承载电路板6一起实现为系统级封装、片上系统。
图3示出物联网模块连同传感器和连接到模块上的线缆的示意性立体图。在图3中示出在传感器壳体13中的模块1。模块1与插接连接器7耦合，混合线缆(混合式单对以太网线路)11、12又耦合到该插接连接器上。设备15(例如传感器或传感器/执行器)与承载电路板6耦合。因此，所有组件(模块1、承载电路板6、传感器14、插接连接器7)集成在传感器壳体13中。因此，由此得出的构件是物联网传感器，所述物联网传感器例如能够基于IP协议和单对以太网线缆与网络通信。在传感器15和承载电路板6之间设有传感器线路14。图3的实施例尤其在优化结构空间方面是有利的，因为由此能够减小结构空间。此外，如果大批量制造传感器，那么在图3中示出的传感器是有利的。
图4示出物联网模块、适配器和传感器的示意图。在图4中，除了模块1和插接连接器7以及承载电路板6之外，还设有适配器24，所述适配器设置在模块和传感器之间。模块1也能够设作为适配器24的一部分，该部分设置在传感器和混合线缆之间，进而用作为在混合线缆(混合式单对以太网线路)和传感器之间的接口。在这种情况下，适配器24能够实现数据转换以及电压转换。如果应能够可变地使用大量传感器，则在图4中示出的实施例是有利的。在图2和图3的实施例中设有仅一个适配电路8，而该适配电路在图4中被分成两部分，即第一部分8a和第二部分8b，所述第一部分是适配器的一部分，所述第二部分是传感器的一部分。为了将传感器连接到适配器24上，能够在适配器24和传感器之间设有插接连接装置21、23。
图5a示出根据本发明的第三实施例的物联网模块的示意性框图。IoT模块1具有第一接口3a和第二接口3b。模块1能够经由第一接口3a与混合式单对以太网SPE线路耦合。经由第二接口3b，模块1能够与设备，例如传感器、执行器、无线客户端或输入端-输出端模块耦合。模块1能够具有电压调节器4(DC/DC转换器)、控制器5、至少两个PHY单元2a、至少两个MAC单元2b、切换单元32(以太网交换机、交换结构)、存储器5a、外围单元5b和安全元件5c。电压调节器4用于将施加在第一接口处的DC电压转换为用于运行模块1所需的电压。
与图1的区别在于：存在多个PHY单元5a和多个MAC单元5b。混合式单对以太网线路能够连接到每个PHY单元5a上。
图5b示出根据第三实施例的物联网模块的示意图。除了控制器5之外，模块1还具有电压调节器4以及两个PHY单元2a和以太网交换机32。以太网交换机32与微控制器5和两个PHY单元2a耦合。这尤其经由媒体独立接口MII进行。根据图5b的第二实施例的模块1因此能够连接到两个不同的混合线路上。
通过使用至少两个PHY单元2a，IoT传感器/执行器的网络架构不再必须是星形的，而是能够实现为线。多个PHY单元能够以线形拓扑依次连接并且能够实现基于IP的通信。在这种情况下仅产生低的电流转换损耗，因为由于混合布线，电流能够依次通过每个模块。
图6示出根据第四实施例的物联网模块的示意图。在图6中示出根据第三实施例的模块，所述模块基于图3的第二实施例。如在图3中，所述模块具有控制器5、可选的以太网交换机32、电压调节器4以及两个PHY单元2a。此外，两个插接连接器7与PHY单元2耦合。混合线缆11、12分别耦合到两个插接连接器7上。混合线缆11、12例如能够是单对以太网线路。
此外，在两个插接连接器7的输出端处分别设有数据线41。除此以外，设有电压供应线42，所述电压供应线与电压调节器4耦合。这是有利的，因为借此能够实现物联网模块的串联(Daisy Chaining，菊花链)。对于模块的电压供应装置在这种情况下例如能够构造为总线。呈总线形式的电压供应装置是有利的，因为用于下一元件的能量不必传导经过变压器，其中变压器可能对数据信号产生负面影响并且受到损失。
根据本发明的一个方面，因此能够使用两对总线布线(KNX；RS485)而无需重新布线。
根据本发明，因此提出一种物联网模块，所述物联网模块能够将传感器与网络耦合并且能够实现基于IP的通信。物联网模块具有构件载体9、PHY单元2a、电压调节器4和控制器5。可选地，模块1具有安全元件5c和存储器5a。物联网模块具有接口，传感器和/或执行器能够经由所述接口与模块耦合。控制器5适合用于，能够实现基于IP的通信。
可选地，模块1能够具有至少多个PHY单元2a。此外，所述模块能够具有以太网交换机，所述以太网交换机能够连接PHY单元和控制器5。
根据本发明的另一方面，设有设备，例如传感器、执行器、无线客户端或输入端-输出端适配器，所述设备具有物联网模块(如上所述)。适配器能够具有壳体、网络侧的插接连接器、传感器侧的插接连接器、承载电路板和可选的用于传感器/执行器的适配电路。
控制器为此能够执行代码，以便能够实现基于IPv6的通信。
根据本发明的另一方面，物联网模块设在集成的构件中。
根据本发明的另一方面，能够设置具有物联网模块的n-端口T1混合交换机。所述交换器能够安装在线缆束中。
根据本发明的另一方面，提出一种具有物联网模块的媒体转换器，其具有附加的PHY单元和以太网交换机。媒体转换器能够集成到线缆束中。
根据本发明的一个方面，能够连接到第二接口3b上的设备构造为无线发送器/接收器或无线客户端。尤其，所述设备能够设为无线客户端桥接器，其例如具有集成的天线和相应的电子设备。因此，无线客户端能够经由IoT模块和混合式单对以太网线路连接到网络上。WiFi客户端桥接器于是能够经由相应的协议实现无线通信。无线通信能够例如以WiFi协议(ac或ax)在2.4GHz和/或5GHz下进行。无线客户端能够经由混合式单对以太网线路由12或24伏供电。以太网通信能够基于100Base T1标准。尤其能够设有单对混合连接器(例如插头(Male))，以便接触无线客户端。
无线客户端例如能够具有带有IP67的壳体。可选地，最大长度为12cm，并且最大直径为3cm。工作温度范围例如能够位于-25℃至85℃之间。
无线客户端能够构造为WiFi桥接模式客户端。无线客户端能够与Small OfficeHome Office路由器SOHO安全地连接。替选地或除此之外，能够提供企业安全性。
可选地，无线客户端可以允许经由IPv4网络从/到IPv6-only分区段地通信。此外，能够设有IPv4客户端代理。该IPv4客户端代理能够显示所有IPv6链路本地节点并且能够实现经由自身的端口访问这些节点。此外能够执行设备临时协议DPP。
根据本发明，无线客户端既不构造为AP路由器，也不构造为DHCP服务器。
根据本发明的另一方面，能够连接到第二接口3b上的设备是能够实现移动无线电通信、例如LTE通信或5G通信的无线客户端。为此，无线客户端能够具有壳体，所述壳体可选地具有用于SIM卡的容纳格。替选于此，也能够使用电子SIM。可选地，无线客户端能够具有VPN(virtual private network，虚拟专用网络)客户端，以便能够建立相应的安全通信。因此，基于移动无线电标准的无线客户端能够执行无线的移动无线电通信并且经由IoT模块和混合式单对以太网线路与所连接的网络交换数据和命令。
可选地，基于移动无线电的无线客户端不具有显示器，而是能够经由基于网页的用户界面来控制，或者能够借此改变设定。
根据本发明的一个方面，能够连接到第二接口3b上的设备能够是用于IO-Link传感器的适配器。所述适配器尤其用于，不具有IP能力的接口的数字传感器或执行器能够经由适配器和IoT模块连接到网络上，以便能够执行基于IP的通信。

Claims (12)

1.一种物联网模块(1)，所述物联网模块具有：
第一接口(3a)，所述模块(1)能够经由所述第一接口与混合式单对以太网线路耦合，以用于数据和/或命令交换以及用于供应电压，
电压调节器(4)，以用于将施加在所述第一接口(3a)上的第一电压转换为用于为所述模块(1)供电的第二电压，
控制器(5)，所述控制器用于经由可耦合在第一接口(3a)上的混合式单对以太网线路(11)进行基于IP的通信，
第二接口(3b)，所述模块(1)能够经由所述第二接口与设备(15)耦合，以用于数据、信号和/或命令交换以及用于电压供应。
2.根据权利要求1所述的物联网模块(1)，
其中所述设备(15)具有传感器、执行器、无线发送器/接收器和/或输入端-输出端适配器。
3.根据权利要求1或2所述的物联网模块(1)，所述物联网模块还具有用于对信号进行编码或解码的至少一个PHY单元(2a)，所述信号经由所述混合式单对以太网线路传输。
4.根据权利要求1、2或3所述的物联网模块(1)，所述物联网模块还具有承载电路板(6)，在所述承载电路板上设有所述第一和第二接口(3a、3b)、所述电压调节器(4)和所述控制器(5)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的物联网模块(1)，所述物联网模块还具有：
以太网交换机(32)和至少两个PHY单元(2a)，所述以太网交换机和所述PHY单元允许连接多个混合线缆。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的物联网模块(1)，所述物联网模块还具有：
安全元件(5c)，以用于经由至少一个混合式单对以太网线路对基于IP的通信进行加密和解密。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的物联网模块(1)，
其中所述控制器(5)构造为用于，能够实现纯基于IPv6的通信。
8.一种传感器和/或执行器，所述传感器和/或执行器具有根据权利要求1至7中任一项所述的物联网模块(1)。
9.根据权利要求7所述的传感器和/或执行器，所述传感器和/或执行器还具有接口，所述物联网模块(1)耦合到所述接口上。
10.一种交换机，所述交换机具有根据权利要求1至7中任一项所述的物联网模块(1)。
11.一种媒体转换器，所述媒体转换器具有根据1至7中任一项所述的物联网模块(1)。
12.一种无线发送器/接收器，所述无线发送器/接收器具有根据1至7中任一项所述的物联网模块(1)。
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