CN206452412U - 一种基于物联网的hart仪表分析平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于物联网的HART仪表分析平台，包括上位机和通过无线网关与上位机通讯的多个HART无线适配器；所述HART无线适配器通过HART总线与HART仪表一一对应连接，同时与物联网中网络节点无线通讯，所述HART无线适配器包括壳体和安装在壳体内的电路板；所述电路板上设置有HART处理器、串口自供电电源转换电路、人机交互接口模块、存储器、调制解调模块、ZIGBEE收发模块、GSM收发模块、隔离电路、防雷模块。本实用新型基于物联网技术，通过ZIGBEE/GSM信号实现现场多个HART仪表的实时监控，能耗低、抗干扰性能好。而且，本实用新型中的HART无线适配器采用无源供电模式，有效节能。
Description
技术领域
本实用新型涉及工业控制领域，具体的说，是一种基于物联网的HART仪表分析平台。
背景技术
随着物联网的兴起和快速发展，无线传感器网络(Wirelesssensornetworks，WSNs)综合了嵌入式计算技术、遥感测控技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等多个学科，交叉发展而成的军民两用战略高新技术，是物联网技术的核心，是新一代信息技术革命的重要推动力。
HART（高速可寻址远程传感器）通信广泛用于数字信号传输。HART协议使用FSK技术，在4~20mA信号过程量上叠加一个频率信号，成功地把模拟信号和数字信号双向同时通讯，而不互相干扰。HART协议参照了国际标准化组织的开放性互连模型，使用OSI标准的物理层、数据链路层、应用层。HART协议规定了传输的物理形式、消息结构、数据格式和一系列操作命令，是一种主从协议。当通讯模式为"问答式"的时候，一个现场设备只做出被要求的应答。
目前市场上，虽然已经有手持操作器可以用于现场HART仪表的参数调整和测试维护，但仅在HART仪表需要调校或维护时才接入系统，无法做到实时监控。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于物联网的HART仪表分析平台，基于物联网技术，实现现场多个HART仪表的实时监控。而且，本实用新型中的HART无线适配器采用无源供电模式，有效节能。
本实用新型通过下述技术方案实现：一种基于物联网的HART仪表分析平台，包括上位机和通过无线网关与上位机通讯的多个HART无线适配器；所述HART无线适配器通过HART总线与HART仪表一一对应连接，同时与物联网中网络节点无线通讯，所述HART无线适配器包括壳体和安装在壳体内的电路板；所述电路板上设置有：
HART处理器，进行数据分析处理；
串口自供电电源转换电路，与HART处理器连接并将串口负压转换成稳定的3.3V正电压向HART处理器供电；
人机交互接口模块，包括输入单元、I2C接口电路，输入单元通过I2C接口电路与HART处理器连接；
存储器，与HART处理器连接并用于数据存储；
调制解调模块，分别与HART处理器、HART仪表连接，通过协议转换实现HART处理器、HART仪表之间的数据通讯；
ZIGBEE收发模块，与HART处理器连接并与网络节点通过ZIGBEE无线信号进行通讯；
GSM收发模块，与HART处理器连接并与网络节点通过GSM无线信号进行通讯。
本实用新型中，所述HART无线适配器包括壳体和安装在壳体内的电路板；所述电路板上设置有HART处理器、串口自供电电源转换电路、人机交互接口模块、存储器、调制解调模块、ZIGBEE收发模块、GSM收发模块。
所述HART处理器，通过ZIGBEE收发模块、GSM收发模块接收上位机发送的指令并通过调制解调模块向HART仪表发送请求指令，同时通过调制解调模块将HART仪表返回的参数信号再通过ZIGBEE收发模块、GSM收发模块回传给上位机。
所述串口自供电电源转换电路，与HART处理器连接并将串口负压转换成稳定的3.3V正电压向HART处理器供电。本实用新型通过串口自供电电源转换电路从串口直接向HART处理器进行无源供电，节省资源。
所述人机交互接口模块，包括输入单元、I2C接口电路，用于接收操作者输入的指令。
所述ZIGBEE收发模块、GSM收发模块通过网络节点与上位机进行双向无线通讯。
为了更好的实现本实用新型，所述HART处理器包括主控单元、自动收发控制电路；
所述主控单元，分别与I2C接口电路、ZIGBEE收发模块、GSM收发模块、自动收发控制电路；
所述自动收发控制电路，检测端接主控单元，控制端接调制解调模块的受控端，自动控制调制解调模块的通信方向。
为了更好的实现本实用新型，所述自动收发控制电路包括可重触发单稳态触发器U2、电阻R1、电容C1、反相器U3；
所述可重触发单稳态触发器U2的外部电容连接脚Cext以及外部电容和电阻连接脚RCext之间连接电容C1，外部电容和电阻连接脚RCext通过电阻R1接电源V1，清除脚CLR以及正边沿触发输入脚B接电源V1，负边沿触发输入脚A作为自动收发控制电路的检测端接主控单元，正脉冲输出脚Q接反相器U3的输入端；
所述反相器U3的输出端作为自动收发控制电路的控制端接调制解调模块的受控端。
为了更好的实现本实用新型，所述调制解调模块包括集成振荡器的HART芯片U1以及HART芯片U1外围设置的时钟电路；所述HART芯片U1采用AD5700系列芯片，同时时钟电路采用标准晶振ZTE460E晶振；
所述HART芯片U1的请求发送连接脚RTS作为调制解调模块的受控端与反相器U3的输出端连接，发送数据连接脚TXD与中控单元的数据输出端连接并向调制器输入数据，载波检测连接脚CD与主控单元的载波信号接收端连接并进行有效载波反馈，接收数据连接脚RXD与主控单元的UART接口连接并将解调器输出的数据发送至中控单元，HART FSK信号输入脚HART_IN和HART FSK信号输出脚分别通过2.2nF电容与HART仪表连接并进行HART信号的输入输出；
所述HART芯片U1的晶振电路使能引脚XTAL_EN、时钟配置控制引脚CLK_CFG1、时钟配置控制引脚CLK_CFG0、时钟输出引脚CLKOUT分别与时钟电路连接进行时钟配置和时钟输出。
所述HART芯片U1与HART仪表之间还设置有其隔离作用的第一隔离电路。
为了更好的实现本实用新型，所述串口自供电电源转换电路包括与串口连接的反压电路和与HART处理器连接的稳压电路，接入串口的+10V/-10V电压先通过反压电路转换成+10V电压再经过稳压电路转换成+3.3V电压输出至HART处理器。
为了更好的实现本实用新型，所述人机交互接口模块还包括与I2C接口电路连接的用于反映工作状态的LED指示灯电路以及与HART处理器连接的用于显示的显示器。
为了更好的实现本实用新型，所述GSM收发模块为一集成GSM射频芯片、基带处理芯片、存储单元、功放单元的电路板。
为了更好的实现本实用新型，所述HART处理器与ZIGBEE收发模块、GSM收发模块之间还设置有隔离电路。
为了更好的实现本实用新型，所述ZIGBEE收发模块、GSM收发模块还分别连接一防雷模块；所述防雷模块采用压敏电阻。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本实用新型中与HART仪表一一对应连接的HART无线适配器通过调制解调模块与HART仪表进行双向数据通讯，同时通过ZIGBEE收发模块、GSM收发模块与上位机进行双向数据通讯，基于物联网实现现场多个HART仪表的实时监控；
（2）本实用新型中HART无线适配器通过串口自供电电源转换模块实现无源供电，HART无线适配器与HART仪表通过HART总线连接时无需进行供电线路排布且节约能源；
（3）本实用新型结构简单、抗干扰性能强。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型中HART无线适配器电路板上电路原理框图；
图3为HART处理器与调制解调模块连接示意图；
图4为AD5700芯片功能框图；
其中，1-自动收发控制电路；2-调制解调模块。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1、图2所示，本实施例所述的一种基于物联网的HART仪表分析平台，包括上位机和通过无线网关与上位机通讯的多个HART无线适配器；所述HART无线适配器通过HART总线与HART仪表一一对应连接，同时与物联网中网络节点无线通讯，所述HART无线适配器包括壳体和安装在壳体内的电路板；所述电路板上设置有HART处理器、串口自供电电源转换电路、人机交互接口模块、存储器、调制解调模块、ZIGBEE收发模块、GSM收发模块、隔离电路、防雷模块。
所述HART处理器，第一接入端接串口自供电电源转换电路，第二接入端接人机交互接口模块，第三接入端接存储器，第四接入端接调制解调模块，第五接入端接隔离电路连接并通过隔离电路分别与ZIGBEE收发模块、GSM收发模块连接。
所述串口自供电电源转换电路，与HART处理器连接并将串口负压转换成稳定的3.3V正电压向HART处理器供电。
所述人机交互接口模块，包括依次连接的输入单元、I2C接口电路、LED指示灯电路，同时I2C接口电路与HART处理器连接。
所述存储器，与HART处理器连接并用于数据存储。
所述调制解调模块，分别与HART处理器、HART仪表连接，通过协议转换实现HART处理器、HART仪表之间的数据通讯。
所述ZIGBEE收发模块，与HART处理器连接并与网络节点通过ZIGBEE无线信号进行通讯。
所述GSM收发模块，与HART处理器连接并与网络节点通过GSM无线信号进行通讯。
所述隔离电路，分别与HART处理器、ZIGBEE收发模块、GSM收发模块连接对其之间的信号同时起到隔离作用。
所述防雷模块，与ZIGBEE收发模块、GSM收发模块一一对应连接。所述防雷模块采用压敏电阻。
如图1所示，现场有1#HART仪表、2#HART仪表、……、N#HART仪表共N个HART仪表，每个HART仪表通过HART总线连接一个HART无线适配器；1#HART无线适配器、2#HART无线适配器、……、N#HART无线适配器通过ZIGBEE/GSM信号与物联网中网络节点进行无线数据通讯且物联网中无线网关通过CAN总线与上位机进行数据通讯，达到现场实时监控多个HART设备的功能。
工作原理：
本实用新型中，多个与HART仪表一一对应连接的HART无线适配器通过ZIGBEE信号或GSM信号接入物联网中的网络节点，多个网络节点通过无线网关与上位机进行通讯。所述HART无线适配器采用串口自供电电源转换电路对整个设备进行无源供电，在数据通讯方面：HART无线适配器中HART处理器一端通过调制解调模块与HART仪表进行HART数据通讯，另一端通过ZIGBEE收发模块、GSM收发模块接入物联网的网络节点。通过上述方式，实现HART仪表中HART数据的读取，从而基于物联网，实现现场多个HART仪表有效监控。
实施例2：
本实施例的在上述实施例的基础上做进一步优化，如图3所示，所述自动收发控制电路包括可重触发单稳态触发器U2、电阻R1、电容C1、反相器U3。
所述可重触发单稳态触发器U2的外部电容连接脚Cext以及外部电容和电阻连接脚RCext之间连接电容C1，外部电容和电阻连接脚RCext通过电阻R1接电源V1，清除脚CLR以及正边沿触发输入脚B接电源V1，负边沿触发输入脚A作为自动收发控制电路的检测端接主控单元，正脉冲输出脚Q接反相器U3的输入端。
所述反相器U3的输出端作为自动收发控制电路的控制端接调制解调模块的受控端。
本实施例中自动收发控制电路通过控制调制解调模块受控端接收信号为高频或低频，控制调制解调模块的通讯方向。所述自动收发控制电路功率低，可根据上位机发送的指令自动控制调制解调模块的通讯方向，简化控制电路、降低电路开发难度及调试难度。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例的在上述实施例的基础上做进一步优化，如图3所示，所述调制解调模块包括集成振荡器的HART芯片U1以及HART芯片U1外围设置的时钟电路。
所述HART芯片U1采用AD5700系列芯片，同时时钟电路采用标准晶振ZTE460E晶振。如图4所示，AD5700系列芯片功能框图。
所述HART芯片U1的请求发送连接脚RTS作为调制解调模块的受控端与反相器U3的输出端连接，发送数据连接脚TXD与中控单元的数据输出端连接并向调制器输入数据，载波检测连接脚CD与主控单元的载波信号接收端连接并进行有效载波反馈，接收数据连接脚RXD与主控单元的UART接口连接并将解调器输出的数据发送至中控单元，HART FSK信号输入脚HART_IN和HART FSK信号输出脚HART_OUT分别通过2.2nF电容与HART仪表连接并进行HART信号的输入输出。
所述HART芯片U1的晶振电路使能引脚XTAL_EN、时钟配置控制引脚CLK_CFG1、时钟配置控制引脚CLK_CFG0、时钟输出引脚CLKOUT分别与时钟电路连接进行时钟配置和时钟输出。
本实施例中，调制解调模块中HART芯片U1采用AD5700系列芯片、时钟电路采用标准晶振ZTE460E晶振，使得调制解调模块整体功率低、抗干扰性能强、电路结构简单。
所述AD5700系列芯片、ZTE460E晶振均为现有技术，本实用新型的改进点并不在于此，故不再赘述其工作原理。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于物联网的HART仪表分析平台，包括上位机和通过无线网关与上位机通讯的多个HART无线适配器；所述HART无线适配器通过HART总线与HART仪表一一对应连接，同时与物联网中网络节点无线通讯，其特征在于：所述HART无线适配器包括壳体和安装在壳体内的电路板；所述电路板上设置有：
HART处理器，进行数据分析处理；
串口自供电电源转换电路，与HART处理器连接并将串口负压转换成稳定的3.3V正电压向HART处理器供电；
人机交互接口模块，包括输入单元、I2C接口电路，输入单元通过I2C接口电路与HART处理器连接；
存储器，与HART处理器连接并用于数据存储；
调制解调模块，分别与HART处理器、HART仪表连接，通过协议转换实现HART处理器、HART仪表之间的数据通讯；
ZIGBEE收发模块，与HART处理器连接并与网络节点通过ZIGBEE无线信号进行通讯；
GSM收发模块，与HART处理器连接并与网络节点通过GSM无线信号进行通讯。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的HART仪表分析平台，其特征在于：所述HART处理器包括主控单元、自动收发控制电路；
所述主控单元，分别与I2C接口电路、ZIGBEE收发模块、GSM收发模块、自动收发控制电路；
所述自动收发控制电路，检测端接主控单元，控制端接调制解调模块的受控端，自动控制调制解调模块的通信方向。
3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的HART仪表分析平台，其特征在于：所述自动收发控制电路包括可重触发单稳态触发器U2、电阻R1、电容C1、反相器U3；
所述可重触发单稳态触发器U2的外部电容连接脚Cext以及外部电容和电阻连接脚RCext之间连接电容C1，外部电容和电阻连接脚RCext通过电阻R1接电源V1，清除脚CLR以及正边沿触发输入脚B接电源V1，负边沿触发输入脚A作为自动收发控制电路的检测端接主控单元，正脉冲输出脚Q接反相器U3的输入端；
所述反相器U3的输出端作为自动收发控制电路的控制端接调制解调模块的受控端。
4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的HART仪表分析平台，其特征在于：所述调制解调模块包括集成振荡器的HART芯片U1以及HART芯片U1外围设置的时钟电路；所述HART芯片U1采用AD5700系列芯片，同时时钟电路采用标准晶振ZTE460E晶振；
所述HART芯片U1的请求发送连接脚RTS作为调制解调模块的受控端与反相器U3的输出端连接，发送数据连接脚TXD与中控单元的数据输出端连接并向调制器输入数据，载波检测连接脚CD与主控单元的载波信号接收端连接并进行有效载波反馈，接收数据连接脚RXD与主控单元的UART接口连接并将解调器输出的数据发送至中控单元，HART FSK信号输入脚HART_IN和HART FSK信号输出脚分别通过2.2nF电容与HART仪表连接并进行HART信号的输入输出；
所述HART芯片U1的晶振电路使能引脚XTAL_EN、时钟配置控制引脚CLK_CFG1、时钟配置控制引脚CLK_CFG0、时钟输出引脚CLKOUT分别与时钟电路连接进行时钟配置和时钟输出。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于物联网的HART仪表分析平台，其特征在于：所述串口自供电电源转换电路包括与串口连接的反压电路和与HART处理器连接的稳压电路，接入串口的+10V/-10V电压先通过反压电路转换成+10V电压再经过稳压电路转换成+3.3V电压输出至HART处理器。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于物联网的HART仪表分析平台，其特征在于：所述人机交互接口模块还包括与I2C接口电路连接的用于反映工作状态的LED指示灯电路以及与HART处理器连接的用于显示的显示器。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于物联网的HART仪表分析平台，其特征在于：所述GSM收发模块为一集成GSM射频芯片、基带处理芯片、存储单元、功放单元的电路板。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于物联网的HART仪表分析平台，其特征在于：所述HART处理器与ZIGBEE收发模块、GSM收发模块之间还设置有隔离电路。
9.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于物联网的HART仪表分析平台，其特征在于：所述ZIGBEE收发模块、GSM收发模块还分别连接一防雷模块；所述防雷模块采用压敏电阻。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110719339A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-01-21 | 宁夏锐波网络有限公司 | 一种hart仪表数据无线采集系统 |
| CN113839903A (zh) * | 2020-06-08 | 2021-12-24 | 海鹰航空通用装备有限责任公司 | 一种基于hart技术的协议转换装置 |
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