CN116743792B - 多通道工业物联网采集器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道工业物联网采集器，属于物联网基础设施。该采集器包括主控模块，隔离模块，电源管理模块，传感器接口模块，协议管理模块，计算模块，CAN接口模块，日志模块。该采集器的主控模块使用低功耗处理器以实现长期在线，计算模块使用标准处理器提供算力；协议管理模块可选配只读存储器以用于采集器的配置不允许更改的可信环境；日志模块具备单独的处理器和存储器，并通过隔离模块单独供电。该采集器的各功能模块通过隔离模块实现与外部输入的电气隔离，且主控与日志模块均配置单独的不间断电源。本发明同时公开了一种用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法，以方便传感器通过该采集器实现自组网自管理。

Description

多通道工业物联网采集器
技术领域
本发明涉及一种多通道工业物联网采集器，属于专门用于物联网的信息和通信技术中的物联网基础设施。
背景技术
数字经济是继农业经济、工业经济之后的主要经济形态，是以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术融合应用、全要素数字化转型为重要推动力，促进公平与效率更加统一的新经济形态。
作为万物智能互联的底层技术，应用于各个行业的物联网构建起了现代信息网络的基础设施。
工业物联网作为智能制造的基石，其发展情况会极大地影响制造业的数字化升级和转型，为此我们需要更适合中国国情的自主、安全的工业物联网基础设施。而对于制造业企业，特别是广大的中小型企业，对老旧设备的物联网改造是极为紧迫的议题，他们需要低成本、便于部署的工业物联网组件，特别是老旧设备缺乏传感器的情况下的设备改造，更需要简易的传感器现场管理方案。
现有的工业物联网方案，往往基于SCADA系统CPS系统实现。SCADA (SupervisoryControl And Data Acquisition) 系统，即数据采集与监视控制系统，一般是有监控程序及资料收集能力的电脑控制系统，可以用在工业程序、基础设施或是设备中（数据采集与监控系统. (2022, December 8). In Wikipedia.）。CPS (Cyber-Physical System, CPS)系统，网络实体系统或称“虚实整合系统”是一个结合电脑运算领域以及感测器和致动器装置的整合控制系统（网宇实体系统. (2022, February 8). In Wikipedia.）。
这些方案往往详尽而庞大，多是整厂的数字化升级改造，成本高，对制造业工厂技术要求高，改造难度大，失败概率高，难以向中小型制造业推广。我们仍需探索适应中国制造业特点的数字化方案。
边缘计算是一种致力于使计算尽可能靠近数据源、以减少延迟和带宽使用的网络理念。 简而言之，边缘计算意味着在云端运行更少的进程，将这些进程移动到本地，例如用户的计算机、IoT 设备或边缘服务器。 将计算放到网络边缘可以最大程度地减少客户端和服务器之间必须进行的长距离通信量（《什么是边缘计算》，CloudFlare）。
我们结合国内中小型制造业企业的现状，基于边缘计算的思想，为工业物联网现场传感器的部署设计了一种多通道工业物联网采集器，及用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法。
发明内容
本发明为一种多通道工业物联网采集器，及用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法。
一种多通道工业物联网采集器，该系统包括：
主控模块：协调调度各功能模块，并保持持续在线，向物联网网关或边缘计算节点发送传感器数据和本采集器健康信息。
隔离模块：为主控模块、协议管理模块、计算模块、日志模块提供与电源管理模块、传感器接口模块、CAN接口模块的电气隔离。
电源管理模块：从CAN总线取电，并向其他模块供电。
传感器接口模块：传感器接入的电气接口，同时兼容电流型与电压型传感器。
协议管理模块：管理采集器和传感器的通信协议，及实现对传感器的识别与准入。
计算模块：用于对传感器数据的现场处理。
CAN接口模块：CAN总线的电气接口。
日志模块：用于记录系统日志。
主控模块和计算模块均基于ARM和/或RISC-V架构的处理器实现，其中主控模块使用低电压低功耗处理器以实现长期在线，计算模块使用标准处理器提供较好的计算能力。
主控模块与日志模块均配置单独的超级电容不间断电源（UPS），用于意外断电情况下保存采集器信息和日志。
协议管理模块具备单独的存储器，并可选配只读存储器（ROM）以用于采集器的配置不允许更改的可信环境。
日志模块具备单独的处理器和存储器，并通过隔离模块单独供电，以满足特定用途下单审计要求。
一种用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法，包括如下步骤：
S1：传感器物理层接入采集器后，向采集器发送握手帧，包括传感器元信息和协议元信息；
S2：采集器协议管理模块验证握手帧中协议版本，若该版本已拒绝服务或无法识别，则拒绝添加该传感器，否则继续传感器生产信息校验；
S3：采集器协议管理模块对该传感器元信息进行校验，若内置规则不允许添加该类型或特定生产商和/或生产批次的传感器，则拒绝添加该传感器，否则将该传感器添加指令及传感器元信息发送至主控模块；
S4：采集器协议管理模块生产应答帧，发送至传感器；
S5：传感器回应该应答帧，该传感器添加成功。
一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述的用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法。
一种多通道工业物联网采集器设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述的用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法。
有益效果：
本发明公开了一种多通道工业物联网采集器，可以在工业现场同时接入多个传感器，方便了在设备改造时物联网的实施工作，也方便了对现场传感器的管理，降低了工业物联网的部署成本及现场传感器的管理工作。
本发明同时公开了一种用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法，能够通过现场传感器自组网自管理的方式简化了物联网传感器的配置工作。
附图说明
图1为多通道工业物联网采集器各模块拓扑图，图2为多通道工业物联网采集器各模块实际相对位置示意图。图1与图2中各标号含义相同。
其中，1为主控模块，2为隔离模块，3为电源管理模块，4为传感器接口模块，5为协议管理模块，6为计算模块，7为CAN接口模块，8为日志模块。
图3为多通道工业物联网采集器实物正面示意图，其中1为防水外壳，2为CAN线缆走线口，3为接线端子，4为传感器线缆走线口，5为主控模块超级电容不间断电源（UPS），6为日志模块超级电容不间断电源（UPS）。
图4为用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：
现结合附图说明本实施方式。
本实施方式为一种多通道工业物联网采集器，包括主控模块，隔离模块，电源管理模块，传感器接口模块，协议管理模块，计算模块，CAN接口模块，日志模块等八个主要功能模块，及防水外壳等其他辅助模块。
主控模块的主要功能为协调调度各功能模块，在本实施方式中，主控模块基于ARMCortex M0+超低功耗微控制器（处理器）实现，超低功耗微控制器能够实现在总线取电的情况下更节能的持续在线。
隔离模块为主控模块、协议管理模块、计算模块、日志模块提供与电源管理模块、传感器接口模块、CAN接口模块的电气隔离。隔离模块主要包括两组隔离元器件：其中，电源管理模块通过隔离式DC-DC栅极驱动器为主控模块、协议管理模块、计算模块、日志模块供电；传感器接口模块、CAN接口模块通过光耦器为协议管理模块提供传感器和CAN总线电气信号。
电源管理模块用于从CAN总线取电，并向其他模块供电。
传感器接口模块主要为传感器接入的电气接口，该接口同时兼容4~20ma电流型传感器和0~5v电压型传感器。
协议管理模块主要用于管理采集器和传感器的通信协议，及实现对传感器的识别与准入。协议管理模块具备单独的存储器，并可选配只读存储器（ROM）以用于采集器的配置不允许更改的可信环境。
计算模块用于对传感器数据的现场处理，该数据处理功能包括但不限于应用滤波器算法（小波、卡尔曼滤波等），阈值检查，创建并管理虚拟传感器等。在本实施方式中，计算模块使用ARM Cortex M4高频处理器实现，该处理器提供的算力能够满足上述滤波器算法和其他功能的要求。
当然，本领域技术人员可以用其他架构的处理器来设计与实现主控模块与计算模块，如RISC-V等架构，也可组合使用ARM与RISC-V架构的处理器。
CAN接口模块主要为CAN总线的电气接口。
日志模块用于记录系统日志，包括但不限于传感器上线离线信息，传感器故障信息，CAN总线故障信息，计算模块任务信息，主控模块行为记录等。日志模块具备单独的处理器和存储器，并通过隔离模块单独供电，以满足特定用途下单审计要求。
由于工业现场情况复杂，存在意外断电的可能，主控模块与日志模块均配置单独的超级电容不间断电源（UPS），用于意外断电情况下保存采集器信息和日志。
图1为多通道工业物联网采集器各模块拓扑图，图2为多通道工业物联网采集器各模块实际相对位置示意图。图1与图2中各标号含义相同。在本实施方式中，主控模块为单芯片解决方案，同时集成了CAN协议组件，故7-CAN接口模块仅包括电气接口，CAN协议组件由1-主控模块提供。
图3为多通道工业物联网采集器实物正面示意图，传感器线缆由4-传感器线缆走线口插入采集器，线缆插入3-接线端子与采集器建立电气连接；CAN总线线缆由2-CAN线缆走线口插入采集器，线缆插入3-接线端子与采集器建立电气连接。
图4为用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法流程图。
传感器接入采集器的步骤为：
S1：传感器物理层接入采集器后，向采集器发送握手帧，包括传感器元信息和协议元信息；
S2：采集器协议管理模块验证握手帧中协议版本，若该版本已拒绝服务或无法识别，则拒绝添加该传感器，否则继续传感器生产信息校验；
S3：采集器协议管理模块对该传感器元信息进行校验，若内置规则不允许添加该类型或特定生产商和/或生产批次的传感器，则拒绝添加该传感器，否则将该传感器添加指令及传感器元信息发送至主控模块；
S4：采集器协议管理模块生产应答帧，发送至传感器；
S5：传感器回应该应答帧，该传感器添加成功。
其中，传感器元信息至少需要包括传感器制造商ID，传感器种类识别ID，传感器序列号，及上述信息的校验值（checksum）。协议元信息至少需要包括协议版本，兼容的最低协议版本信息。
协议管理模块内置的传感器兼容列表包括允许接入的传感器制造商ID列表、允许接入的传感器种类识别ID列表等信息，协议管理模块内置的协议兼容列表包括兼容的协议版本号列表等信息。
一般地，这两个列表允许以空中下载（OTA, Over the Air Technology）的方式进行更新，该更新指令由主控模块下发。在特殊应用场景下，这两个列表的配置信息不允许更改，可使用固化的只读存储器（ROM）来保存这两个列表的信息。
具体实施方式二：
本实施方式为一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法。
应当理解，包括本发明描述的任何方法对应的可以被提供为计算机程序产品、软件或计算机化方法，其可以包括其上存储有指令的非暂时性机器可读介质，所述指令可以用于编程计算机系统，或其他电子装置，以执行的过程。存储介质可以包括但不限于磁存储介质，光存储介质；磁光存储介质包括：只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)以及闪存层；或者适合于存储电子指令的其他类型的介质。
具体实施方式三：
本实施方式为可用于提供多个采集通道的工业物联网采集器设备，所述设备包括处理器和存储器，应当理解，包括本发明描述的任何包括处理器和存储器的设备，设备还可以包括其他通过信号或指令进行显示、交互、处理、控制等以及其他功能的单元、模块。
所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多通道工业物联网采集器，包括主控模块，用于协调调度各功能模块，并保持持续在线，向物联网网关或边缘计算节点发送传感器数据和本采集器健康信息；隔离模块，为主控模块、协议管理模块、计算模块、日志模块提供与电源管理模块、传感器接口模块、CAN接口模块的电气隔离；电源管理模块，从CAN总线取电，并向其他模块供电；传感器接口模块，传感器接入的电气接口，同时兼容电流型与电压型传感器；协议管理模块，管理采集器和传感器的通信协议，及实现对传感器的识别与准入；计算模块，用于对传感器数据的现场处理；CAN接口模块，CAN总线的电气接口；日志模块，用于记录系统日志；上述各模块协作，实现一种用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法，其步骤是：
S1：传感器物理层接入采集器后，向采集器发送握手帧，包括传感器元信息和协议元信息；
S2：采集器协议管理模块验证握手帧中协议版本，若该版本已拒绝服务或无法识别，则拒绝添加该传感器，否则继续传感器生产信息校验；
S3：采集器协议管理模块对该传感器元信息进行校验，若内置规则不允许添加该类型或特定生产商和/或生产批次的传感器，则拒绝添加该传感器，否则将该传感器添加指令及传感器元信息发送至主控模块；
S4：采集器协议管理模块生产应答帧，发送至传感器；
S5：传感器回应该应答帧，该传感器添加成功。
2.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1所述的用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法。
3.一种多通道工业物联网采集器设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1所述的用于多通道工业物联网采集器的传感器即插即用方法。
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