CN115515169A - 一种工业数据采集网关的数据转发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工业数据采集网关的数据转发方法，硬件平台及运行系统环境搭建；工业数据采集网关作为MQTT客户端与云端服务器建立连接；当与服务器建立连接之后，发送附带工业数据采集网关软硬件版本信息的配置请求消息；工业数据采集网关向云端服务器发送配置请求消息之后，等待云端服务器下发的对数个zigbee无线传感器的配置消息，网关再将配置信息转发至对应的zigbee无线传感器；各zigbee无线传感器获取到配置消息后，按照配置中的采集频率及采集点数进行数据采集，并将采集结果上传至工业数据采集网关，网关再将该消息转发至云端服务器。本发明不仅高效整合各类型数据传感器的数据采集，而且有效降低了传输数据量。

Description

一种工业数据采集网关的数据转发方法
技术领域
本发明涉及工业数据采集及数据传输技术领域，特别涉及一种工业数据采集网关的数据转发方法。
背景技术
网关是进行网络数据转发的关键设备，在工业数据采集应用场景下，各种传感器需要执行网关转发的由云端服务器下发的采集命令，并将采集到的数据通过网关设备转发至云端服务器，那么此时网关设备准确高效的将不同采集指令分发至不同传感器，以及将特定传感器采集到的数据上传至云端成为该网关的核心功能，同时，当采集振动等类型的数据时，由于数据量较大，对于长期需要监测的设备来说，将消耗较多的流量，增加了使用成本及维护成本。
发明内容
针对当前工业现场待监测设备采集种类多、采集数据量大的实际需求背景下，鉴于现有技术存在的两个主要问题，第一是工业现场传感器种类多而不能统一平台管理；第二是当特殊类型传感器数据采集数据量大时数据无法实时转发，本发明提供了一种工业数据采集网关的数据转发方法，云端服务器可以对部署在工业现场的数个zigbee无线传感器下发采集、升级等类型的配置指令，对数个各类型的zigbee无线传感器实现了统一平台管理，降低管理及维护成本；同时数个zigbee无线传感器采集的数据可以携带采集时间及传感器ID等关键信息经过数据压缩后上传至云端服务器。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案得以实现：一种工业数据采集网关的数据转发方法，具体步骤如下：
步骤1，硬件平台及运行系统环境搭建，以及相关库文件移植：所述工业数据采集网关在模型上由下而上分成硬件层、链路层、传输层、业务层四层结构，所述硬件层为基于IMX287主控的嵌入式计算机平台；所述链路层中工业数据采集网关与云端服务器的链接方式采用了MQTT通信的方式，实现了数据联通；所述的传输层是将网关数据包序列化后的成字节流组包成数据帧结构进行网络传输；所述的业务层是具体的网关数据包，上下行消息共用同一个消息结构；
步骤2，建立连接：在搭建好的软硬件平台之上，工业数据采集网关作为MQTT客户端与云端服务器建立连接，每个网关具有唯一的ID标识，一个系统中可存在多个网关；
步骤3，发送获取配置请求：工业数据采集网关与云端服务器建立连接之后，工业数据采集网关发送附带软硬件版本信息的配置请求消息；
步骤4，将云端服务器下发的配置信息转发至不同编号的zigbee无线传感器：工业数据采集网关向云端服务器发送配置请求消息之后，等待云端服务器下发的对数个zigbee无线传感器的配置消息，网关再将配置信息转发至对应的zigbee无线传感器；
步骤5，将数个zigbee无线传感器现场采集数据转发至云端服务器：数个zigbee无线传感器获取到配置消息后，按照配置中的采集频率及采集点数进行数据采集，并将采集结果上传至工业数据采集网关，网关再将该消息转发至云端服务器。
步骤1中所述嵌入式计算机平台运行嵌入式linux系统，且系统中移植了数据转发时需要的protobuf序列化工具库及Zlib数据压缩库。
步骤1中所述数据帧结构由三部分组成，分别是帧头、负载长度及负载，帧头固定为两个字节，内容为0xEF、0xEF，负载长度指的是数据帧结构中的负载以字节为单位的长度，使用四个字节表示，负载长度不包括帧头占用的两字节及负载长度自身占用的四字节，负载是网关数据包基于Protobuf工具序列化并经过数据压缩后的字节流。
步骤1中所述网关数据包中包括传感器信息、网关版本信息、网关命令、网关消息、升级消息。
步骤3中所述配置请求消息包括网关ID标识、网关软件版本号、网关硬件版本号、各类型zigbee无线传感器信息。
步骤4中所述数个zigbee无线传感器的配置消息的获取方法为，如果在30秒内获取到对数个zigbee传感器的配置消息，则将配置消息转发至对应的zigbee传感器，否则会重新发送配置请求消息，最多连续发送5次，如果均未获取到配置信息，则断开与服务器的连接，并重新连接并发送配置请求消息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法使用序列化工具，将网关信息、zigbee无线传感器配置信息、zigbee无线传感器采集结果等信息序列化成字节流，便于在网络上的传输，不仅脱离了开发语言及平台的限制，而且后续修改系统中的数据结构时可以实现向前兼容，大大提升了该系统自身的扩展性，从而在协议中可以兼容不同采集类型的zigbee无线传感器，再通过对序列化后的数据进行压缩再进行封帧传输，不但降低了流量消耗且提升了网关转发效率，同时也增加了工业数据采集网关的下游接入zigbee无线传感器数量，最终实现了工业数据采集网关对不同类型传感器的统一调度及管理，同时有效提升了数据转发效率，尤其对于需要持续采集的数据，由于压缩后转发至云端的数据量的降低从而大大降低了用户的使用成本。
本方法通过工业数据采集网关来实现工业现场各种zigbee无线传感器与云端服务器的数据交换，不仅高效整合各类型数据传感器的数据采集，而且有效降了低数据量。
本方法不仅能够高效转发云端服务器与工业现场zigbee无线传感器的通信数据，并且有效压缩传输的数据量，同时该方法移植便利，可以在不同嵌入式硬件平台上使用。
附图说明
图1为本发明中数据转发分层模型图；
图2为本发明硬件连接结构图；
图3为本发明中数据转发传输帧结构图；
图4为本发明中数据转发网关消息结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种工业数据采集网关的数据转发方法，可以在不同嵌入式硬件平台上部署，实现云端服务器与采集现场各种zigbee无线传感器之间的数据交互，并有效降低数据传输量，增加工业数据采集网关下游传感器的接入数量，实现对不同类型zigbee无线传感器的统一调度及管理。
如图1所示，一种工业数据采集网关的数据转发系统，在整体的业务模型上由下而上可以分成四层结构，由下至上分别是硬件层、链路层（MQTT），传输层（私有帧结构），业务层（网关消息结构）。
如图2所示，硬件层是指基于IMX287作为主控的嵌入式计算机平台，并且搭载了嵌入式linux系统，同时移植了网关运行过程中必要的protobuf库及Zlib库，IMX287作为主控制芯片，并且搭载了Zigbee模块及4G模块，其中Zigbee模块用于和zigbee无线传感器进行组网及通信，4G模块用于和云端服务器进行通信，基于上述硬件平台完成云端到采集端的配置管理及从采集端到云端的采集结果数据转发。
链路层指定了网关与服务器的数据连接协议，采用MQTT协议，即网关设备作为MQTT客户端去主动连接云端服务器，云端服务器上部署了MQTT服务，MQTT服务端通过不同的网关ID来区分不同的网关设备，从而对应不同的网关设备下发不同的配置信息，一个服务器可以连接多个网关设备，每个网关设备又可以支持多个zigbee无线传感器设备，自上而下形成了树形网络结构。
传输层在进行数据传输时将数据流打包成特定的帧结构进行传输，帧结构信息，如图3所示，数据帧结构由三部分组成，分别是帧头、负载长度及负载。帧头固定为两个字节，内容为0xEF、0xEF。负载长度指的是数据帧结构中的负载以字节为单位的长度，使用四个字节表示，负载长度不包括帧头占用的两字节及负载长度自身占用的四字节。负载指的是网关数据包基于Protobuf工具序列化并经过数据压缩后的字节流。
业务层实现了工业数据采集网关与云端服务器的具体消息内容的交互，所有的具体业务消息内容封装在如图4所示的网关消息体中，网关消息体可根据实际业务需求对不同的字段进行赋值，无需每个字段都赋值，上下行数据共用同一份传输协议；具体的，网关消息体包括网关ID、传感器信息、网关版本信息、网关命令、网关数据、升级消息；传感器消息又包括传感器ID、传感器类型、版本信息、通道消息，通道消息又包括通道ID、采样类型、采样参数、采样结果、错误消息；通过对上述结构的标示字段进行具体内容的填充，即可生成完整的网关消息体，该消息体通过序列化成字节流后在传输层中进行组帧结并传输。
实施例1：一种工业数据采集网关的数据转发方法在减速机智能监测系统中的应用，根据采集的振动值计算出RMS值、频振频谱，再结合采集到的润滑油温度值对减速机进行故障预测及故障诊断，切实有效降低设备意外停机导致的生产损失。包括以下步骤：在步骤S1中，工业数据采集网关的数据转发方法应用在基于IMX287为主控的嵌入式计算机平台上，该平台搭载了嵌入式linux系统，并且移植了数据转发时必需的protobuf序列化工具库及Zlib数据压缩库，其中网关与各类型的zigbee无线传感器之间通过Zigbee网络进行通信，本实施例中zigbee无线传感器使用了振动型zigbee无线传感器及温度型zigbee无线传感器，其中振动型zigbee传感器采集减速机输出轴的X及Y方向的上振动值，通过采集数据计算RMS及振动频谱，温度型zigbee传感器采集减速机润滑油温度，网关与云端服务器之间通过4G无线网络进行通信，网关作为MQTT客户端，云端服务器上部署了MQTT服务端。
在步骤S2中，工业数据采集网关作为MQTT客户端与云端服务器建立连接，每个网关具有独一无二的ID标识，云端服务器通过该ID来区分不同的工业数据采集网关，每个网关与服务器连接后，订阅与ID相对应的主题消息，不同ID的工业数据采集网关就代表了不同的减速机，同一个减速机上的所有zigbee无线传感器均连接同一ID的工业数据采集网关。
在步骤S3中，工业数据采集网关接入云端服务器后，向云端服务器上传附带网关软硬件版本信息的配置请求消息，该配置请求信息包括网关ID标识及网关版本信息，其中网关版本信息中包含了网关软件版本号、网关硬件版本号、各类型的zigbee无线传感器信息，该配置请求信息组成protobuf消息结构后再序列化为字节流，序列化后的字节流再封装为数据帧，具体封装步骤为，先添加两个字节的帧头，分别为0xEF,0xEF，再计算配置请求信息protobuf消息结构的具体长度，并用四个字节表示，将这四个字节放置帧头之后，再将配置请求信息protobuf消息结构序列化后的字节附在末尾，然后将该数据帧发送至云端服务器并等待服务器下发的对应该网关的配置信息。
在步骤S4中，网关接收到云端服务器下发的配置信息后，将该信息中的zigbee无线传感器的采集配置信息转发至不同编号的振动型zigbee无线传感器及温度型zigbee无线传感器，
具体实施过程中工业数据采集网关向云端服务器发送配置请求消息之后，将等待云端服务器下发的对数个zigbee传感器的配置消息，同时检测等待时间，若果在30秒内获取到对数个zigbee无线传感器的配置消息，则将配置消息转发至对应的zigbee无线传感器，否则会重新发送配置请求消息，最多连续发送5次，如果均未获取到配置信息，则断开与云端服务器的连接，并重新连接并发送配置请求消息。执行完上述步骤，各台减速机上的各类型的zigbee无线传感器便获取到了采集参数，即可按照采集参数进行数据采集。
在步骤S5中，将数个zigbee无线传感器现场采集数据转发至云端服务器：数个zigbee无线传感器获取到配置消息后，按照配置中的采集频率及采集点数进行数据采集，并将采集结果上传至工业数据采集网关，网关再将不同类型的zigbee无线传感器采集的数据提取并重新组帧转发至云端服务器。
通过上述实施例的具体实施，振动型zigbee无线传感器采集到了减速机输出轴上X及Y方向上的振动数据，温度型zigbee无线传感器采集到了减速机润滑油温度数据。采集的原始数据通过工业数据网关转发至云端服务器后，云端服务器可对原始数据进一步处理，计算出振动的RMS值及频谱，计算出润滑油温度与减速机工作时长之间的对应关系，在计算振动的RMS值及频谱时可根据需要对原始数据进行去趋势及滤波后再进行计算，RMS值计算不宜采用过多点数进行计算，本实施例中用1024个点来计算RMS值，通过对比发现，采用1024个点和131072个点计算出的结果误差很小，可大大缩小计算量。在计算频谱时如果不进行滤波那么就是通频带的频谱，本实施例中计算前对数据进行了10赫兹到1000赫兹之间的带通滤波，只关注10赫兹到1000赫兹之间的频谱，过滤掉其它不关注的频谱，通过对这些计算结果的分析，来判断该减速机是否存在故障或者是否存在故障隐患，帮助设备维护人员定位故障信息及尽早停机检修排除故障隐患，避免在生产过程中因故障停机导致的生产损失。总之通过该实施例的应用不仅提高了减速机的智能化水平，也切实降低了设备维护费用，有效预防了设备因故障导致的意外停机事故。

Claims (6)

1.一种工业数据采集网关的数据转发方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，硬件平台及运行系统环境搭建，以及相关库文件移植：所述工业数据采集网关在模型上由下而上分成硬件层、链路层、传输层、业务层四层结构，所述硬件层为基于IMX287主控的嵌入式计算机平台；所述链路层中工业数据采集网关与云端服务器的链接方式采用了MQTT通信的方式，实现了数据联通；所述的传输层是将网关数据包序列化后的成字节流组包成数据帧结构进行网络传输；所述的业务层是具体的网关数据包，上下行消息共用同一个消息结构；
步骤2，建立连接：在搭建好的软硬件平台之上，工业数据采集网关作为MQTT客户端与云端服务器建立连接，每个网关具有唯一的ID标识，一个系统中可存在多个网关；
步骤3，发送获取配置请求：工业数据采集网关与云端服务器建立连接之后，工业数据采集网关发送附带软硬件版本信息的配置请求消息；
步骤4，将云端服务器下发的配置信息转发至不同编号的zigbee无线传感器：工业数据采集网关向云端服务器发送配置请求消息之后，等待云端服务器下发的对数个zigbee无线传感器的配置消息，网关再将配置信息转发至对应的zigbee无线传感器；
步骤5，将数个zigbee无线传感器现场采集数据转发至云端服务器：数个zigbee无线传感器获取到配置消息后，按照配置中的采集频率及采集点数进行数据采集，并将采集结果上传至工业数据采集网关，网关再将该消息转发至云端服务器。
2.根据权利要求1所述的一种工业数据采集网关的数据转发方法，其特征在于:步骤1中所述嵌入式计算机平台运行嵌入式linux系统，且系统中移植了数据转发时需要的protobuf序列化工具库及Zlib数据压缩库。
3.根据权利要求1所述的一种工业数据采集网关的数据转发方法，其特征在于:步骤1中所述数据帧结构由三部分组成，分别是帧头、负载长度及负载，帧头固定为两个字节，内容为0xEF、0xEF，负载长度指的是数据帧结构中的负载以字节为单位的长度，使用四个字节表示，负载长度不包括帧头占用的两字节及负载长度自身占用的四字节，负载是网关数据包基于Protobuf工具序列化并经过数据压缩后的字节流。
4.根据权利要求1所述的一种工业数据采集网关的数据转发方法，其特征在于:步骤1中所述网关数据包中包括传感器信息、网关版本信息、网关命令、网关消息、升级消息。
5.根据权利要求1所述的一种工业数据采集网关的数据转发方法，其特征在于:步骤3中所述配置请求消息包括网关ID标识、网关软件版本号、网关硬件版本号、各类型zigbee无线传感器信息。
6.根据权利要求1所述的一种工业数据采集网关的数据转发方法，其特征在于:步骤4中所述数个zigbee无线传感器的配置消息的获取方法为，如果在30秒内获取到对数个zigbee传感器的配置消息，则将配置消息转发至对应的zigbee传感器，否则会重新发送配置请求消息，最多连续发送5次，如果均未获取到配置信息，则断开与服务器的连接，并重新连接并发送配置请求消息。
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