CN115348136A - 一种物联网智能网关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种物联网智能网关。目前智能网关采用先配置后使用方式，在安装、使用及后期维护中，运维代价较大。本发明包括主控制器、总线监听模块和n个电源管理模块；n个电源管理模块分别连接n个总线设备；电源管理模块接收主控制器的控制指令，对总线设备的电源接通或切断，并监测其电压和电流；总线监听模块用于监测主控制器发送到总线上的数据，并监测总线设备返回的数据；主控制器将采集的数据进行分析处理，上传至云平台；同时接收云平台的命令，实现对主控制器参数的调整及总线设备参数的调整。本发明可实现新设备的自动识别及接入，在安装调试、使用及后期维护中，提高了工作效率，降低了运维成本。

Description

一种物联网智能网关
技术领域
本发明属于数据处理技术领域，具体涉及一种物联网智能网关。
背景技术
在建筑、隧道、桥梁、灾害监测等领域，监测智能网关需要接入多种设备，通常比较多是基于RS485总线，采用Modbus协议(包括RTU和ASC)的总线设备、基于Modbus TCP/IP协议的网络设备。这些设备在使用前都配置好总线地址信息，网关软件中配置好设备总线地址、寄存器地址和数据类型等信息。运行时，网关软件基于这些配置信息，与外部设备进行通讯，实现数据的采集、处理。
目前使用的各种智能网关基本上都是这种使用方式，也能够基本满足用户的使用要求。但是随着物联网网关的使用量的急剧增多、安装部署场合日益复杂，这种必须先配置后使用的方式，在安装调试、使用、尤其是后期维护中，效率低下，运维代价较大。
在总线设备首次部署时，设备的地址通常需要人为设置。如果由于人为疏忽，设备地址设置错误，智能网关将无法与总线设备通讯，此时用户也无法判断是物理线路问题还是设备地址错误，需要花费大量人力及时间进行问题排查。在后期设备使用维护中，如果出现设备通讯异常，由于智能网关没有对设备进行自发现的功能，因此依然无法判断设备的实际运行情况；也需要花费人力物力进行排查，尤其在偏远或使用工况复杂的情况，这种设备状况的检查十分不便。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种物联网智能网关，可实现新设备的自动识别及接入，在安装调试、使用、尤其是后期维护中，提高了工作效率，降低了运维成本。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种物联网智能网关，包括主控制器、总线监听模块和n个电源管理模块；
所述n个电源管理模块分别独立连接n个总线设备；电源管理模块接收主控制器的控制指令，对总线设备的电源接通或切断，并监测总线设备的电压和电流；
所述总线监听模块用于监测主控制器发送到总线上的通讯数据，并监测总线设备返回的通讯数据；
所述主控制器将采集的数据进行分析、处理，并上传至物联网云平台；同时接收物联网云平台的命令，实现对主控制器参数的调整及总线设备参数的调整或远程遥控。
具体地，主控制器包括设备协议库、自发现策略、自发现调度模块、通讯服务模块；
所述设备协议库内存储有已知需要使用的总线设备的驱动协议；
所述自发现策略包括3层循环，分别对应总线地址、通讯参数和通讯协议，可根据不同的应用场景来设置循环方式；
所述自发现调度模块根据自发现策略，调用设备协议库中的信息，在电源管理模块的配合下，通过通讯服务模块与总线设备交互，从而自动发现设备的地址以及通讯参数。
具体地，所述电源管理模块包括电路通断模块、电压检测模块、电流检测模块和通讯模块。
本发明的有益效果：
1)本发明可实现新设备的自动识别及接入，在安装调试、使用、尤其是后期维护中，提高了工作效率，降低了运维成本；
2)本发明可用于智能网关设备接入的部署、使用及维护阶段；在部署阶段，可以快速发现接入设备，比对是否与配置的信息吻合；使用阶段如果有设备出现异常，需要执行出厂固件恢复，那么可以自动发现，进行远程管理；运维人员重新调整设备参数或更换设备，但是无法按照既定设置参数联络时，也可以进行扫描发现。
附图说明
图1为智能网关总线设备组织结构图；
图2为主控制器结构图；
图3为实施例一自发现流程图；
图4为实施例二自发现流程图；
图5为实施例三自发现流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
智能网关接入的设备从能否响应广播信息的方式分为两类：可响应广播式和不能响应广播式。对可以响应广播方式协议的设备，设备发现的实现比较容易，本发明重点描述不能实现广播响应方式的设备，例如Modbus协议设备。
如图1所示，本发明包括主控制器、总线监听模块和n个电源管理模块；
1)电源管理模块
n个电源管理模块分别独立连接n个总线设备；每个总线设备都带有一个电源管理模块，通过电源管理1对总线设备1进行电源管理，通过电源管理n对总线设备n的电源进行管理。
电源管理模块包括电路通断模块、电压检测模块、电流检测模块和通讯模块，主控制器通过通讯模块采集电流、电压数据，根据功能要求下发控制命令；
电源管理模块依据主控制器的指令，通断总线设备的供电，并采集总线设备的电压、电流数据，计算出总线设备的功耗；这些电量数据通常保存在智能网关本地，也可以根据用户需要，上传数据至物联网云平台；电源管理模块也具有根据电量数据进行设备诊断的动能，如果设备的用电情况超出正常范围，通常表示总线设备工作异常或者已经损坏。这些分析结果有利于设备的远程诊断水平，提高运维效率。
2)总线监听模块
总线监听模块用于监测主控制器发送到总线上的通讯数据，并监测总线设备返回的通讯数据；
3)主控制器
主控制器通过通讯链路与云平台连接，将采集的数据进行分析、处理，并上传至物联网云平台；同时接收物联网云平台的命令，实现对主控制器参数的调整及总线设备参数的调整或远程遥控。
如图2所示，主控制器包括设备协议库、自发现策略、自发现调度模块、通讯服务模块；
设备协议库内存储有已知需要使用的总线设备的驱动协议；智能网关接入的设备可能来自不同厂家的不同产品，通讯协议和通讯参数各不相同；为了实现自发现，主控制器软件模块中集成了已知需要使用的总线设备的驱动协议；这个协议可以在直接一次性集成在主控制器中，也可以采用开放的方式，通过物联网云平台更新协议库。
通常总线设备的通讯参数包括总线地址、通讯参数、数据获取方式，例如数据的寄存器地址；实现自发现需要使用这些参数的组合，如何组织并排序这些参数，是自发现策略的第一个重要问题；对个别设备的自发现还不应该影响其它总线上设备的工作，如何安排自发现的时机也是自发现策略提供方案。
自发现策略由3层循环组成，分别对应总线地址、通讯参数和通讯协议；根据每个循环使用的不同参数，组成了不同的策略；使用不同的自发现策略需要根据不同的应用场景来设置循环的方式，例如最外层循环为总线地址，中间层循环为通讯参数，最内层循环为通讯协议，这就是一种策略。自发现策略可以直接一次性部署在主控制器软件中，也可以通过物联网平台在线更新。
自发现调度模块综合自发现策略和设备协议库的信息，根据自发现策略，调用设备协议库中的模块，在电源管理模块的配合下，通过通讯服务模块与总线设备交互，从而自动发现设备的地址以及通讯参数。
下面通过三个自发现实现场景对本发明进行充分说明：
实施例一
1)应用场景描述
智能网关新接了若干个总线设备，由于工作人员的疏忽，个别设备地址或通讯参数设置错误，希望能够快速获得设备信息；
2)前提条件
智能网关的自发现软件模块的协议库已经涵盖了所安装的总线设备，通讯服务模块工作正常；
3)自发现策略
新安装的设备可以认为设备电源连接无误，因此无需电源管理模块功能。通常设备的波特率在9600～115200之间，因此自发现按照外循环为波特率参数，中循环为设备地址，内循环为设备协议的策略执行。波特率参数排序为9600，19200，38400，115200，设备地址范围为1～255；
4)自发现过程
如图3所示，具体过程如下：
第一步：判断是否已经匹配完所有的波特率，如果没有匹配完，那么给定波特率(例如9600bps)；如果匹配完成，直接结束自发现；
第二步：判断是否已经匹配完成所有通讯地址，如果没有匹配完成，设定通讯地址；如果匹配完成，回到第一步；
第三步：判断是否已经匹配完成所有的设备协议，如果没有匹配完成，设定通讯协议；如果匹配完成，回到第二步；
第四步：执行网关与设备的通讯交互，检测是否有某型设备存在；
第五步：判断是否完成所有设备(可以认为是固定数量，也可以是不定数量)的发现，如果完成则结束自发现；如果未围城，则回到第三步；
按照上面的过程，一般可以自主发现只能网关未确定的连接设备的通讯地址、通讯参数及设备类型。
实施例二
1)应用场景描述
智能网关连接了若干个总线设备，由于年久失修或资料管理不善，忘记了哪个设备连接在哪个端口上，需要重新确定连接关系，便于日后维护；
2)前提条件
该智能网关所有接入设备的信息(设备类型、设备地址、通讯参数)都是已知，设备工作正常；
3)自发现策略
基本流程和自发现实现场景类似，但是不需要复杂的三层循环嵌套，只需要按照设备集合轮询，配合电源管理模块的互斥工作，确定设备和智能网关端口的对应关系；
4)自发现过程
如图4所示，具体过程如下：
第一步：判断是否完成所有设备的端口匹配，如果匹配完成，则结束；如果没有匹配完成，进行第二步。
第二步：设定通讯的参数(波特率、地址、协议，这些参数为已知)，断开非本次待匹配端口的电源，接通背刺待匹配端口的电源，执行通讯过程。
第三步：通讯交换完成后，回到第一步。
实施例三
1)应用场景描述
智能网关连接了若干个总线设备，经过一段时间运行，发现有个设备通讯数据时有时无，且通讯数据错误，需要确定原因；
2)前提条件
该智能网关所有接入设备的信息(设备类型、设备地址、通讯参数)都是已知，除异常设备外，其它设备工作正常；
3)自发现策略
根据这个现象判断，有三种可能性：设备供电异常、通讯线路异常、通讯参数异常。根据这些估计，需要结合电源管理、总线监测和通讯参数扫码三种方式；
4)自发现过程
如图5所示，具体过程如下：
第一步：判断设备检测是否完成，如果完成则结束本次检测，如果未完成，转到第二步；
第二步：接通待检测设备的电源，测量电压和电流是否正确，如果存在异常，则表明设备存在问题，需要更换或者维修，结束本次检测；如果电量正常，则转到第三步；
第三步：将波特率作为可调整参数，进行轮换，如果波特率匹配完，则结束本次检测，否则进行下一步；
第四步：自发现模块设定所有参数(波特率、通讯地址和通讯协议)，发送通讯帧；
第五步：总线监测模块监测通讯数据，如果监测到的通讯数据与发送的通讯帧不一致，表明总线异常，说明总线存在干扰或者其它问题，需要技术人员现场检测，结束本次检测；如果一致，则进行下一步；
第六步：自检测模块和总线监测模块都来判断设备返回的数据是否正常，如果正常(往往需要多次通讯交互)，表明本次参数与设备匹配，结束检测；如果返回数据异常，转到第三步。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种物联网智能网关，其特征在于：包括主控制器、总线监听模块和n个电源管理模块；
所述n个电源管理模块分别独立连接n个总线设备；电源管理模块接收主控制器的控制指令，对总线设备的电源接通或切断，并监测总线设备的电压和电流；
所述总线监听模块用于监测主控制器发送到总线上的通讯数据，并监测总线设备返回的通讯数据；
所述主控制器将采集的数据进行分析、处理，并上传至物联网云平台；同时接收物联网云平台的命令，实现对主控制器参数的调整及总线设备参数的调整或远程遥控。
2.根据权利要求1所述的一种物联网智能网关，其特征在于：主控制器包括设备协议库、自发现策略、自发现调度模块、通讯服务模块；
所述设备协议库内存储有已知需要使用的总线设备的驱动协议；
所述自发现策略包括3层循环，分别对应总线地址、通讯参数和通讯协议，可根据不同的应用场景来设置循环方式；
所述自发现调度模块根据自发现策略，调用设备协议库中的信息，在电源管理模块的配合下，通过通讯服务模块与总线设备交互，从而自动发现设备的地址以及通讯参数。
3.根据权利要求2所述的一种物联网智能网关，其特征在于：所述电源管理模块包括电路通断模块、电压检测模块、电流检测模块和通讯模块。
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