CN117580197A - 无线网关和工业控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种无线网关和工业控制系统，无线网关包括高级物理层通信模块、电源模块、嵌入式微处理器、存储器、5G模块以及无线传输模块；高级物理层通信模块接收高级物理层通信耦合器提供的电能信号，基于电能信号向电源模块提供电能；电源模块接收高级物理层通信模块提供的电能，为无线网关供能；嵌入式微处理器对无线传输模块发送的无线传感器的无线数据进行处理，得到处理数据，通过高级物理层通信模块发送处理数据；5G模块将处理数据向中心服务器发送。高级物理层通信模块将高级物理层通信耦合器提供的电能信号进行处理，并向电源模块提供电能，电源模块为无线网关供电，无需在现场侧为无线网关额外提供电源和防爆设备，降低通讯成本。

Description

无线网关和工业控制系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种无线网关和工业控制系统。

背景技术

随着工业化与信息化之间的融合不断加深，无线技术越来越成为工业测控领域的重要组成部分。在工业现场往往会有许多场景不适合有线连接，例如高温高噪声、位置偏远或者操作困难等。在这样的场景下通过无线技术传递信息和数据具有低成本、高灵活度的优点，因此可以提高工厂效率。

为了得到高稳定性的无线通讯以及无线传输距离限制，工业现场往往会选择把无线网关部署在现场侧。由于无线网关属于较大功率设备，无法使用电池供电，目前的无线网关需要在现场侧为无线网关提供额外的电源，而现场侧往往具有防爆要求，在现场侧为无线网关提供额外的电源时需要对供电安装防爆设备，增加了通讯成本。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种无线网关和工业控制系统，应用本发明提供的无线网关，无需额外配置电源，可随意部署在工业现场的任意位置，便于工业现场布线，并且无需额外增加防爆设备，降低通信成本。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种无线网关，包括：

高级物理层通信模块、电源模块、嵌入式微处理器、存储器、5G模块以及无线传输模块；

所述无线传输模块，用于获取对应的无线传感器的无线数据，并将所述无线数据发送给所述嵌入式微处理器；

所述高级物理层通信模块，用于接收预设的高级物理层通信耦合器提供的电能信号，并基于所述电能信号向所述电源模块提供电能，以及应用所述嵌入式微处理器向所述无线传输模块发送控制信号，以使所述无线传输模块将所述控制信号向所述无线传感器发送；

所述电源模块，用于接收所述高级物理层通信模块提供的电能，并向所述嵌入式微处理器、所述存储器、所述5G模块以及所述无线传输模块供能；

所述嵌入式微处理器，用于对所述无线数据进行处理，得到处理数据，并通过所述高级物理层通信模块发送所述处理数据；

所述存储器，用于保存所述嵌入式微处理器的数据；

所述5G模块，用于使用5G网络将所述处理数据向预设的中心服务器发送。

上述的无线网关，可选的，所述高级物理层通信模块执行基于所述电能信号向所述电源模块提供电能的过程，包括：

所述高级物理层通信模块对所述电能信号进行分离，得到供电电压和以太网数据帧，并使用所述供电电压为所述电源模块提供电能。

上述的无线网关，可选的，所述高级物理层通信模块执行应用所述嵌入式微处理器向所述无线传输模块发送控制信号的过程，包括：

所述高级物理层通信模块将所述以太网数据帧向所述嵌入式微处理器发送，使得所述嵌入式微处理器从所述以太网数据帧提取控制信号，并将所述控制信号向所述无线传输模块发送。

上述的无线网关，可选的，所述嵌入式微处理器将所述控制信号向所述无线传输模块发送的过程，包括：

所述嵌入式微处理器确定所述无线传输模块的传输协议和数据格式，并基于所述无线传输模块的传输协议和数据格式对所述控制信号进行处理，并将处理后的控制信号向所述无线传输模块发送。

上述的无线网关，可选的，所述高级物理层通信模块，包括两个高级物理层端口；

当所述高级物理层通信模块处于独立工作模式时，所述高级物理层通信模块应用第一通信模式或是第二通信模式；

当所述高级物理层通信模块为第一通信模式时，通过所述高级物理层端口将所述以太网数据帧向所述嵌入式微处理器发送；

当所述高级物理层通信模块为第二通信模式时，所述高级物理层端口获取所述以太网数据帧的MAC地址，当所述以太网数据帧的MAC地址与该高级物理层端口的MAC地址不一致时，将所述以太网数据帧丢弃，当所述以太网数据帧的MAC地址与该高级物理层端口的MAC地址一致时，将所述以太网数据帧项向所述嵌入式微处理器发送；

当所述高级物理层通信模块处于环网冗余工作模式时，所述高级物理层通信模块应用双端口通信模式，当所述高级物理层端口确定所述以太网数据帧的MAC地址与该高级物理层端口的MAC地址不一致时，应用另一高级物理层端口发送所述以太网数据帧。

上述的无线网关，可选的，当所述高级物理层通信模块处于第一通信模式或是双端口通信模式时，所述嵌入式微处理器通过简化媒体独立接口与所述高级物理通信模块进行数据交互；当所述高级物理通信模块处于第二通信模式时，所述嵌入式微处理器通过串行外设总线接口与所述高级物理通信模块进行数据交互。

上述的无线网关，可选的，所述嵌入式微处理器使用通用异步收发器接口与所述无线传输模块进行数据交互。

上述的无线网关，可选的，所述嵌入式微处理器执行对所述无线数据进行处理，得到处理数据的过程，包括：

所述嵌入式微处理器确定所述高级物理层通信模块的数据格式以及传输协议，基于所述高级物理层通信模块的数据格式和传输协议对所述无线数据进行转换，得到处理数据。

一种工业控制系统，包括：

设置于中心侧的电源、高级物理层通信耦合器和中心服务器；

所述电源用于向所述高级物理层通信耦合器供能；

设置于现场测2区的无线网关模块，所述无线网关模块中包含至少一个如上所述的无线网关，各个所述无线网关和所述高级物理层通信耦合器依次连接，形成环网；

设置于现场侧0区的至少一个无线传感器，所述无线传感器与所述无线网关模块中对应的无线网关连接，并向与其连接的无线网关发送无线数据；

所述无线网关模块，用于将接收到的无线数据向所述高级物理通信耦合器发送，以及通过5G网络将所述无线数据向所述中心服务器发送；

所述高级物理通信耦合器，用于使用以太网将接收到的无线数据向所述中心服务器发送，以及向所述无线网关模块提供电能信号；

所述中心服务器，用于对接收到的无线数据进行分析，得到分析结果。

上述的工业控制系统，可选的，还包括：

数据展示平台；

所述数据展示平台，用于接收所述中心服务器发送的分析结果，并将所述分析结果进行展示。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种无线网关和工业控制系统，该无线网关包括高级物理层通信模块、电源模块、嵌入式微处理器、存储器、5G模块以及无线传输模块；无线传输模块用于获取对应的无线传感器的无线数据，并将无线数据发送给嵌入式微处理器；高级物理层通信模块用于接收高级物理层通信耦合器提供的电能信号，并基于电能信号向电源模块提供电能，以及应用嵌入式微处理器向无线传输模块发送控制信号，以使无线传输模块将控制信号向无线传感器发送；电源模块用于接收高级物理层通信模块提供的电能，并向嵌入式微处理器、存储器、5G模块以及无线传输模块供能；嵌入式微处理器，用于对无线数据进行处理，得到处理数据，并通过高级物理层通信模块发送处理数据；存储器，用于保存嵌入式微处理器的数据；5G模块，用于使用5G网络将处理数据向预设的中心服务器发送。本发明提供的无线网关使用高级物理层通信模块将高级物理层通信耦合器提供的电能信号进行处理，得到电能，并将该电能向电源模块提供，使得电源模块向无线网关中的其他模块供电，无需在现场侧为无线网关额外提供电源，并增加防爆设备，有效降低工业现场的通讯成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种无线网关的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种工业控制系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种工业控制系统的又一结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

术语解释：

APL：Advanced Physical Layer，高级物理层；

PoDL：数据线供电；

DCS：集散控制系统；

中心侧：指控制系统、机柜间、监控等所在的空间；

现场侧：指工业生产现场的空间，一般具有防爆要求。

随着工业化与信息化之间的融合不断加深，无线技术越来越成为工业测控领域的重要组成部分。在工业现场往往会有许多场景不适合有线连接，例如高温高噪声、位置偏远或者操作困难等。在这样的场景下通过无线技术传递信息和数据具有低成本、高灵活度的优点，因此可以提高工厂效率。

为了得到高稳定性的无线通讯以及无线传输距离限制，工业现场往往会选择把无线网关部署在现场侧。但是将无线网关部署在现场侧会存在两个问题：第一个问题是由于现场侧与中心侧距离往往较远，经常超过100米，因此无法使用常规的以太网连接无线网关和上位机，而使用传统的现场总线连接，支持协议单一，传输速率较慢，无法满足日益丰富的传输格式需要和增长的通讯数据带宽。第二个问题是无线网关属于较大功率设备，无法使用电池供电，而传统的以太网或现场总线大多需要现场侧提供额外的电源。而现场侧往往具有防爆要求，在现场侧进行供电需要安装防爆柜等设备，极大增加了成本，并且额外增加电源也不便于现场布线。

为了解决上述的问题，本发明提供一种无线网关，该无线网关为运用APL(高级物理层)技术的5G无线网关，使用APL技术和PoDL(数据线供电)技术，在搭载高带宽和高灵活性的以太网协议的同时，增加了传输距离，并且可以通过APL双线以太网进行供电，使得无线网关可以在现场侧灵活部署，并且降低了额外现场侧供电的成本。

参照图1，为本发明实施例提供的一种无线网关的结构示意图，具体说明如下所述。

无线网关包括高级物理层通信模块101、电源模块102、嵌入式微处理器103、存储器104、5G模块105以及无线传输模块106。

无线传输模块106，用于获取对应的无线传感器的无线数据，并将无线数据发送给嵌入式微处理器。

需要说明的是，无线传输模块和与其预设的无线通信协议一致的无线传感器进行数据交互，进一步的，无线传输模块可以通过接插件的形式设置自身的无线通信协议，优选的，无线通信协议包括但不限于蓝牙协议、Wi-Fi协议、WirelessHART、ZigBee以及LoRa协议等。无线传感器可以为无线仪表。

无线传输模块向和其使用的无线通信协议一致的无线传感器进行数据交互，示例性的，当无线传输模块使用ZigBee协议时，该无线传输模块与使用ZigBee协议的无线传感器进行通信。进一步的，无线传输模块通过UART(通用异步收发器)接口与嵌入式微处理器通信兵传输数据。

高级物理层通信模块101，用于接收预设的高级物理层通信耦合器提供的电能信号，并基于电能信号向电源模块提供电能，以及应用嵌入式微处理器向无线传输模块发送控制信号，以使无线传输模块将控制信号向无线传感器发送。

高级物理层通信模块可以表示为APL模块，高级物理层通信耦合器可以表示为APL耦合器。

优选的，此处的电能信号可为APL耦合器提供的电压电流；高级物理层通信模块对电能信号进行分离，得到供电电压和包含以太网物理层数据的脉冲信号，然后对脉冲信号进行解码，得到以太网数据帧；高级物理层通信模块使用供电电压为电源模块供能，高级物理层通信模块还将以太网数据帧向嵌入式微处理器发送。

进一步的，高级物理层通信模块包括两个高级物理层端口，优选的，高级物理层端口可以表示为APL端口，高级物理层端口使用10BASE-T1L通信标准，高级物理层端口通过APL双线以太网进行数据交互。

高级物理层通信模块的工作模式有两种，分别为独立工作模式和环网冗余工作模式；不同的工作模式有不同的通信模式；优选的，独立工作模式为无线网关独立工作，没有与其他无线网关组成环网结构；当多个无线网关组成环网结构时，环网结构中的无线网关的工作模式为环网冗余工作模式。

当高级物理层通信模块处于独立工作模式时，高级物理层通信模块应用第一通信模式或是第二通信模式。需要说明的是，第一通信模式可以表示为PHY(物理层)通信模式；第二通信模式可以表示为PHY+MAC(物理层+数据链路层)通信模式。

当高级物理层通信模块为第一通信模式时，通过高级物理层端口将以太网数据帧向嵌入式微处理器发送；进一步的，当高级物理层通信模块为第一通信模式时，高级物理层通信模块中的每个高级物理层端口直接将接收到的以太网数据帧向嵌入式微处理器发送。

当高级物理层通信模块为第二通信模式时，高级物理层端口获取以太网数据帧的MAC地址，当以太网数据帧的MAC地址与该高级物理层端口的MAC地址不一致时，将以太网数据帧丢弃，当以太网数据帧的MAC地址与高级物理层端口的MAC地址一致时，将以太网数据帧项向嵌入式微处理器发送。

优选的，在高级物理层通信模块为第二通信模式时，高级物理层通信模块的每个高级物理层端口需要对接收到的以太网数据帧进行过滤，具体如：高级物理层端口将自身的MAC地址和接收到的以太网数据帧的MAC地址进行对比，若两者不一致，则将该以太网数据帧丢弃，即不将该以太网数据帧向嵌入式微处理器发送，若两者一致，则将该以太网数据帧向嵌入式微处理器发送。

当高级物理层通信模块处于环网冗余工作模式时，高级物理层通信模块应用双端口通信模式，此时高级物理层通信模块中的高级物理层端口需要对接收到的以太网数据帧进行过滤，每个高级物理层端口对以太网数据帧进行过滤的方式如：当高级物理层端口确定以太网数据帧的MAC地址与该高级物理层端口的MAC地址不一致时，应用另一高级物理层端口发送以太网数据帧，由于高级物理成通信模块处于环网冗余工作模式，此时应用另一高级物理层端口将以太网数据发送给下一设备，此时的下一设备可为下一无线网关。

需要说明的是，双端口通信模式也可以称为菊花链通信模式。

进一步的，在第一通信模式和第二通信模式下，每个高级物理层端口均存在MAC地址，每个高级物理层端口的MAC地址是不同的。在环网冗余工作模式下，两个高级物理层端口的MAC地址相同。

示例性的，APL(高级物理层)通信模块将来自10BASE-T1L以太网的APL电压(为上文所述的电能信号)转化为为供电源模块使用的电压电流和以太网物理层数据，并将电能传递给电源模块，将物理层数据解码成数据帧后传递到嵌入式微处理器。通信模块包含三种类型：PHY(物理层)通信型、PHY+MAC(物理层+数据链路层)通信型以及双端口通信(菊花链)型。可以根据需要选择合适的类型。APL模块包含两个APL端口，可以配置独立工作或者冗余工作模式。独立工作模式下两个APL端口独立工作，处理各自传输的数据，互不影响。环网冗余工作模式下，APL端口会根据自身的MAC地址过滤接收的数据，并且对于目标地址不是自身的数据从另一个端口发送出去，此外当模块需要发送数据时，会从2个APL端口同时发送，产生冗余的备份，使得环上任一单点故障都不会影响数据到达耦合器。

电源模块102，用于接收高级物理层通信模块提供的电能，并向嵌入式微处理器、存储器、5G模块以及无线传输模块供能。

电源模块使用使用PoDL技术，接受APL模块提供的电能，为无线网关中的各个单元或模块供能。

嵌入式微处理器103，用于对无线数据进行处理，得到处理数据，并通过高级物理层通信模块发送处理数据。

优选的，嵌入式微处理器将处理数据发送给高级物理层通信模块，然后高级物理层通信模块将处理数据发送给下一设备，示例性的，在无线网关未处于环网结构的情况下，高级物理层通信模块可将处理数据发送给高级物理层通信耦合器；在无线网关处于环网结构的情况下，高级物理层通信模块可将处理数据发送给一下无线网关的高级物理层通信模块，直至与高级物理层通信耦合器连接的无线网关将处理数据传输给高级物理层通信耦合器。

需要说明的是，当高级物理层通信模块处于第一通信模式或是双端口通信模式时，嵌入式微处理器通过简化媒体独立接口与高级物理通信模块进行数据交互；当高级物理通信模块处于第二通信模式时，嵌入式微处理器通过串行外设总线接口与高级物理通信模块进行数据交互。

进一步的，嵌入式微处理器的简化媒体独立接口可以表示为RMII接口，串行外设总线接口可以表示为SPI接口。

嵌入式微处理器使用通用异步收发器接口与无线传输模块进行数据交互，其中，通用异步收发器接口可以表示为UART接口。

嵌入式微处理器收到APL模块发送的以太网数据帧时，从以太网数据帧中提取控制信号，嵌入式微处理器确定无线传输模块的传输协议和数据格式，基于无线传输模块的传输协议和数据格式对控制信号进行处理，然后将处理后的控制信号向无线传输模块发送，然后无线传输模块将控制信号向对应的无线传感器发送，从而对无线传感器进行控制。

需要说明的是，无线传感器和无线传输模块的传输协议和数据格式是相同的，而APL模块和无线传输模块所使用的传输协议和数据格式是不同的，为了使无线传输模块以及无线传感器能够识别控制信号，嵌入式微处理器将APL模块提供的控制信号进行处理，以使处理后的控制信号的传输协议和数据格式与无线传输模块的相同。

进一步的，嵌入式微处理器在收到无线传输模块提供的无线数据时，嵌入式微处理器确定高级物理层通信模块的数据格式以及传输协议，基于高级物理层通信模块的数据格式和传输协议对无线数据进行转换，得到处理数据，然后再将传输数据发送给APL模块，使得APL模块将处理数据通过普通以太网向中心服务器发送。

为了保证APL模块能够识别无线数据，嵌入式处理器需要对无线数据进行处理，以使得到的处理数据的数据格式以及传输协议和APL模式的相同，以确保处理数据能够传输给APL模块。

示例性的，嵌入式微处理器通过RMII(简化媒体独立接口)接口传输APL通信模块传输的以太网物理层数据(针对APL通信模块是PHY通信型或双端口通信型)，或者通过SPI(串行外设总线)接口传输APL数据链路层数据(针对APL通信模块是PHY+MAC通信型)。并且运行以太网协议栈进行处理。通过UART(通用异步收发器)接口传输无线传输模块传输的无线数据，并且根据无线传输模块的类型运行相应的协议栈进行处理。将来自无线传感网络的数据或者来自上位机的控制命令，根据需要的协议和格式进行协议转换并发送。

存储器104，用于保存嵌入式微处理器的数据；示例性的，可以保存接收到的无线数据，以及以太网数据帧等数据。优选的，存储器还可以保存嵌入式代码。

5G模块105，用于使用5G网络将处理数据向预设的中心服务器发送。

优选的，5G模块通过获取SIM卡的信息并进行拨号，使得5G模块的网关加入到5G网络中，然后使用5G网络将处理数据向中心服务器发送，可以实现数据的备份，确保数据的可靠性。

优选的，中心服务器可以为工业云服务器、集散控制系统等。

本发明实施例提供的无线网关中，无线传输模块用于获取对应的无线传感器的无线数据，并将无线数据发送给嵌入式微处理器；高级物理层通信模块用于接收高级物理层通信耦合器提供的电能信号，并基于电能信号向电源模块提供电能，以及应用嵌入式微处理器向无线传输模块发送控制信号，以使无线传输模块将控制信号向无线传感器发送；电源模块用于接收高级物理层通信模块提供的电能，并向嵌入式微处理器、存储器、5G模块以及无线传输模块供能；嵌入式微处理器，用于对无线数据进行处理，得到处理数据，并通过高级物理层通信模块向高级物理层通信耦合器发送处理数据；存储器，用于保存嵌入式微处理器的数据；5G模块，用于使用5G网络将处理数据向预设的中心服务器发送。本发明提供的无线网关使用高级物理层通信模块将高级物理层通信耦合器提供的电能信号进行处理，得到电能，并将该电能向电源模块提供，使得电源模块向无线网关中的其他模块供电，无需在现场侧为无线网关额外提供电源，并增加防爆设备，有效降低工业现场的通讯成本。

本发明提供的无线网关通过使用APL双线以太网布线，具有低成本、长距离布线的优势，并且使用APL双线以太网进行供电，无需额外提供电源，本发明提供的无线网关通过2根线即可完成网关的供电和通信，极大降低了工业现场布线的难度和成本；通过使用APL接口与APL耦合器或交换机相连，可以与传统以太网一样，在10Mbps的速度下，通过多种基于以太网的协议来与上位机通信，如ModbusTCP、MQTT、HTTP等，并且通过5G网络，可以不受距离限制，将数据冗余地传输到DCS系统以及云端服务器，进而可以应用在具有需要更高可靠性或者数据服务器部署在云端的场景。

本发明提供的无线网关可以应用在工业控制系统中，参照图2，为本发明实施例提供的应用本发明提供的无线网关的工业控制系统的结构示意图，参照图3，为本发明实施例提供的另一工业控制系统的结构示意图。

需要说明的是，图2和图3所示的两种工业控制系统的区别在于，图2所示的工业控制系统在现场侧使用多个无线网关进行数据通信，图3所示的工业控制系统在现场侧使用独立、唯一的无线网关进行数据通信。

以图2为例进行说明，工业控制系统包括：设置于中心侧的电源201、高级物理层通信耦合器202和中心服务器203；

电源用于向高级物理层通信耦合器供能；

设置于现场测2区的无线网关模块204，无线网关模块中包含至少一个无线网关，各个无线网关和高级物理层通信耦合器依次连接，形成环网；高级物理层通信耦合器可以称为APL耦合器；

设置于现场侧0区的至少一个无线传感器，无线传感器与无线网关模块中对应的无线网关连接，并向与其连接的无线网关发送无线数据；

无线网关模块，用于将接收到的无线数据向高级物理通信耦合器发送，以及通过5G网络将无线数据向中心服务器发送；

高级物理通信耦合器，用于使用以太网将接收到的无线数据向中心服务器发送，以及向无线网关模块提供电能信号；

中心服务器，用于对接收到的无线数据进行分析，得到分析结果；其中，中心服务器可以为集散控制系统或是工业云服务器等其他处理设备、系统。

需要说明的是，APL耦合器通过普通的以太网和中心服务器进行数据交互；APL耦合器与无线网关模块之间通过APL双线以太网进行数据交互，示例性的，当无线网关模块中只有一个无线网关时，APL耦合器与该无线网关之间通过APL双线以太网进行数据交互；当无线网关中有多个无线网关时，各个无线网关和APL耦合器之间通过APL双线以太网进行数据交互；无线网关与无线传感器之间通过工业无线传输协议进行数据交互。

优选的，本发明实施例提供的工业系统还包括数据展示平台；数据展示平台，用于接收中心服务器发送的分析结果，并将分析结果进行展示。

需要说明的是，无线网关可以通过插件的形式更换不同的无线传输协议，以便与对应的无线传输协议的无线传感器进行通信。

优选的，图2和图3中，不同的无线传感器使用不同的无线传输协议，无线传输协议如WirelessHART，ZigBee，LoRa等；无线网关只能连接与其无线传输协议相同的无线传感器，例如均使用ZigBee协议的无线网关和无线传感器之间可以进行数据通信。

图2和图3均可以应用于石化、化工工业控制系统，该工业系统中均应用了本发明提供的无需额外增加电源以及具有5G无线网络的无线网关。本发明提供的工业控制系统可以用于DCS监控或者工业云平台读取现场无线传感器数据。

进一步的，对工业控制系统中的无线传感器、无线网关、APL耦合器等器件进行说明。

1)部署在现场侧防爆要求0区的无线传感器根据其所支持协议(WirelessHART，ZigBee，LoRa)和设定的上送数据间隔时间，定期向无线网关推送自身数据。

2)部署在现场侧防爆要求2区的无线网关，使用不同的无线传输模块，接收不同无线传感器的数据。并且进行处理和协议转换。将转换后的数据，通过APL模块，经过APL双线以太网，传输到中心侧的APL耦合器中。中心侧到现场侧距离一般需要小于1000米。

3)无线网关和APL耦合器之间的连接方式还可以通过环网冗余方式进行连接，如图2所示，APL耦合器和若干个无线网关的第一APL接口和下一个设备的第二APL接口相连接，从而使得数据和电能通过相邻网关的APL接口进行传输。

4)部署在中心侧的APL耦合器通过APL双线以太网给现场侧的无线网关供电，并且接收无线网关传输的数据。之后使用普通以太网，将数据传输到DCS或者工业云服务器中。

5)无线网关同时将转换后的数据，通过5G网络冗余地传输到DCS或者工业云服务器。

6)最后由部署在中心的侧DCS系统或者工业云服务器冗余接收来自普通以太网和5G网络的数据，并处理、显示或分析数据。实现对现场传感器数据的读取。

本发明提出的无线网关，具有防爆外壳，可以在现场侧2区位置灵活部署。可以根据无线仪表的分布位置，选择合适的无线通讯质量最好的位置进行网关的部署。

本发明提供的无线网关只用两根线与APL耦合器进行连接即可完成供电与通信，极大降低了现场侧布线难度，最远距离可以达到1000米，远超使用传统网线的100米。使用APL双线以太网供电，可以在中心侧进行简单的供电，在现场侧不用额外电源供电，避免了在现场侧额外安装防爆配电装置等成本。

本发明的无线网关使用APL双线以太网通信，可以达到10Mbps的高通信速率，超过绝大多数现场总线，并且支持各种类型的以太网协议，如ModbusTCP、MQTT、HTTP等与上位机通信，可扩展性强。使用冗余环网的方式部署无线网关，可以提高数据的可靠性并且降低布线成本。数据通过APL和5G冗余上送，进一步提高了数据的可靠性，在其中一条链路出现异常时可以通过另一条链路将数据完整上送。

需要说明的是，本申请所涉及的信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准。

上述各个实施例的具体实施过程及其衍生方式，均在本发明的保护范围之内。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种无线网关，其特征在于，包括：

高级物理层通信模块、电源模块、嵌入式微处理器、存储器、5G模块以及无线传输模块；

所述无线传输模块，用于获取对应的无线传感器的无线数据，并将所述无线数据发送给所述嵌入式微处理器；

所述高级物理层通信模块，用于接收预设的高级物理层通信耦合器提供的电能信号，并基于所述电能信号向所述电源模块提供电能，以及应用所述嵌入式微处理器向所述无线传输模块发送控制信号，以使所述无线传输模块将所述控制信号向所述无线传感器发送；

所述电源模块，用于接收所述高级物理层通信模块提供的电能，并向所述嵌入式微处理器、所述存储器、所述5G模块以及所述无线传输模块供能；

所述嵌入式微处理器，用于对所述无线数据进行处理，得到处理数据，并通过所述高级物理层通信模块发送所述处理数据；

所述存储器，用于保存所述嵌入式微处理器的数据；

所述5G模块，用于使用5G网络将所述处理数据向预设的中心服务器发送。

2.根据权利要求1所述的无线网关，其特征在于，所述高级物理层通信模块执行基于所述电能信号向所述电源模块提供电能的过程，包括：

所述高级物理层通信模块对所述电能信号进行分离，得到供电电压和以太网数据帧，并使用所述供电电压为所述电源模块提供电能。

3.根据权利要求2所述的无线网关，其特征在于，所述高级物理层通信模块执行应用所述嵌入式微处理器向所述无线传输模块发送控制信号的过程，包括：

所述高级物理层通信模块将所述以太网数据帧向所述嵌入式微处理器发送，使得所述嵌入式微处理器从所述以太网数据帧提取控制信号，并将所述控制信号向所述无线传输模块发送。

4.根据权利要求3所述的无线网关，其特征在于，所述嵌入式微处理器将所述控制信号向所述无线传输模块发送的过程，包括：

所述嵌入式微处理器确定所述无线传输模块的传输协议和数据格式，并基于所述无线传输模块的传输协议和数据格式对所述控制信号进行处理，并将处理后的控制信号向所述无线传输模块发送。

5.根据权利要求2所述的无线网关，其特征在于，所述高级物理层通信模块，包括两个高级物理层端口；

当所述高级物理层通信模块处于独立工作模式时，所述高级物理层通信模块应用第一通信模式或是第二通信模式；

当所述高级物理层通信模块为第一通信模式时，通过所述高级物理层端口将所述以太网数据帧向所述嵌入式微处理器发送；

当所述高级物理层通信模块为第二通信模式时，所述高级物理层端口获取所述以太网数据帧的MAC地址，当所述以太网数据帧的MAC地址与该高级物理层端口的MAC地址不一致时，将所述以太网数据帧丢弃，当所述以太网数据帧的MAC地址与该高级物理层端口的MAC地址一致时，将所述以太网数据帧项向所述嵌入式微处理器发送；

当所述高级物理层通信模块处于环网冗余工作模式时，所述高级物理层通信模块应用双端口通信模式，当所述高级物理层端口确定所述以太网数据帧的MAC地址与该高级物理层端口的MAC地址不一致时，应用另一高级物理层端口发送所述以太网数据帧。

6.根据权利要求5所述的无线网关，其特征在于，当所述高级物理层通信模块处于第一通信模式或是双端口通信模式时，所述嵌入式微处理器通过简化媒体独立接口与所述高级物理通信模块进行数据交互；当所述高级物理通信模块处于第二通信模式时，所述嵌入式微处理器通过串行外设总线接口与所述高级物理通信模块进行数据交互。

7.根据权利要求要求1所述的无线网关，其特征在于，所述嵌入式微处理器使用通用异步收发器接口与所述无线传输模块进行数据交互。

8.根据权利要求1所述的无线网关，其特征在于，所述嵌入式微处理器执行对所述无线数据进行处理，得到处理数据的过程，包括：

所述嵌入式微处理器确定所述高级物理层通信模块的数据格式以及传输协议，基于所述高级物理层通信模块的数据格式和传输协议对所述无线数据进行转换，得到处理数据。

9.一种工业控制系统，其特征在于，包括：

设置于中心侧的电源、高级物理层通信耦合器和中心服务器；

所述电源用于向所述高级物理层通信耦合器供能；

设置于现场测2区的无线网关模块，所述无线网关模块中包含至少一个如权利要求1-8任意一项所述的无线网关，各个所述无线网关和所述高级物理层通信耦合器依次连接，形成环网；

设置于现场侧0区的至少一个无线传感器，所述无线传感器与所述无线网关模块中对应的无线网关连接，并向与其连接的无线网关发送无线数据；

所述无线网关模块，用于将接收到的无线数据向所述高级物理通信耦合器发送，以及通过5G网络将所述无线数据向所述中心服务器发送；

所述高级物理通信耦合器，用于使用以太网将接收到的无线数据向所述中心服务器发送，以及向所述无线网关模块提供电能信号；

所述中心服务器，用于对接收到的无线数据进行分析，得到分析结果。

10.根据权利要求9所述的工业控制系统，其特征在于，还包括：

数据展示平台；

所述数据展示平台，用于接收所述中心服务器发送的分析结果，并将所述分析结果进行展示。