CN210223030U - 一种基于LoRa与HMI网关的采集传输系统 - Google Patents

一种基于LoRa与HMI网关的采集传输系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,包括用于采集数据的传感器检测仪表、LoRa终端节点设备、LoRaWAN网关、HMI网关、无线通讯模块和云服务器;传感器检测仪表与LoRa终端节点设备连接,LoRa终端节点设备与LoRaWAN网关无线连接,LoRaWAN网关与HMI网关连接,HMI网关与无线通讯模块连接,无线通讯模块与云服务器无线连接。本实用新型通过LoRa终端节点设备和LoRaWAN网关能将传感器检测仪表的数据发到HMI网关处,同时传输给终端控制机电设备和云服务器,达到工业、农业等物联网数据无线采集与监测的目的。

Description

一种基于LoRa与HMI网关的采集传输系统
技术领域
本实用新型涉及数据采集传输技术领域,具体涉及一种基于LoRa与HMI网关的采集传输系统。
背景技术
在工业处理过程中使用各类在线仪表,如PH、电流表、压力表等仪表对工业处理过程进行监测,但在实际安装过程中需要对各种类型的仪表进行接线与维护,工作量十分巨大,相关的仪表数据也没有更好的传递回路,符合标准模拟量信号或Modbus RTU的通讯协议仪表数值均需要在各自系统内进行相互转换,无法相互之间进行有效传递与共享,而且在工业环境中的高电磁干扰、雷电天气中会发生信号中断,会出现在线仪表计量数值发送、自动控制信号中断的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足,本实用新型提出一种基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,通过LoRa终端节点设备和LoRaWAN网关能将传感器检测仪表的数据发到HMI网关处,同时传输给终端控制机电设备和云服务器,达到工业、农业等物联网数据无线采集与监测的目的。
为了达到上述目的,本实用新型采用以下技术方案:
本实用新型提供一种基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,包括:用于采集数据的传感器检测仪表、LoRa终端节点设备、LoRaWAN网关、HMI网关、无线通讯模块和云服务器;
所述传感器检测仪表与LoRa终端节点设备连接,所述LoRa终端节点设备与LoRaWAN网关无线连接,所述LoRaWAN网关与HMI网关连接,所述HMI网关与无线通讯模块连接,所述无线通讯模块与云服务器无线连接。
作为优选的技术方案,所述传感器检测仪表采用RS485通讯线与LoRa终端节点设备连接,所述LoRaWAN网关采用RJ-45接口网线与HMI网关连接,所述HMI网关采用RJ-45接口网线与无线通讯模块连接;
所述HMI网关包括HMI网关RS485接口模块和HMI网关RJ45接口模块,所述HMI网关RS485接口模块设有RS485通讯接口,用于与设有RS485通讯接口的第一终端控制机电设备通讯,所述HMI网关RJ45接口模块设有RJ45通讯接口,用于与设有RJ45通讯接口的第二终端控制机电设备通讯。
作为优选的技术方案,所述LoRa终端节点设备设有MCU芯片和LORA芯片,所述MCU芯片设有SPI接口和JTAG接口,所述SPI接口与LORA芯片连接,所述JTAG接口设为RS485通讯接口。
作为优选的技术方案,所述LoRaWAN网关设有MCU芯片和LORA芯片,所述MCU芯片设有第一SPI接口、第二SPI接口和JTAG接口,所述第一SPI接口与LORA芯片连接,所述第二SPI接口连接有以太网控制芯片,所述以太网控制芯片上设有RJ45通讯接口,所述JTAG接口设为RS485通讯接口。
作为优选的技术方案,所述LoRa终端节点设备连接有第一数字量串口输入输出模块,所述第一数字量串口输入输出模块设有多个数字量输入输出接口,所述第一数字量串口输入输出模块与传感器检测仪表连接;
所述LoRaWAN网关连接有第二数字量串口输入输出模块,所述第二数字量串口输入输出模块设有多个数字量输入输出接口,所述第二数字量串口输入输出模块与传感器检测仪表连接。
作为优选的技术方案,所述LoRaWAN网关连接有Modbus网关,所述Modbus网关用于Modbus TCP协议和Modbus RTU协议转换,所述Modbus网关一端通过RJ45接口与LoRaWAN网关,所述Modbus网关另一端设有多个RS485通讯接口,所述多个RS485通讯接口用于连接传感器检测仪表。
作为优选的技术方案,所述云服务器还连接有智能终端,所述智能终端与云服务器无线连接,所述智能终端采用电脑、平板或手机中的任意一种或多种。
作为优选的技术方案,所述传感器检测仪表采用水质在线检测仪表、工业检测仪表,风力检测仪表、风向检测仪表或启停开关量监测模块中的任意一种或多种;
所述水质在线检测仪表采用PH检测仪、ORP检测仪、DO检测仪、电导率检测仪、浊度检测仪、流量检测仪、液位检测仪、温湿度计、COD检测仪、氨氮检测仪、总磷值检测仪、总氮值检测仪中的任意一种或多种;
所述工业检测仪表采用电流检测仪、电压检测仪、功率检测仪、压力计、温度计、称重计、含氧量检测仪、含硫量检测仪、二氧化碳含量检测仪中的任意一种或多种。
作为优选的技术方案,所述无线通讯模块采用WIFI、GPRS或4G无线通讯模块中的任意一种或多种。
作为优选的技术方案,所述LoRa终端节点设备和LoRaWAN网关采用低碰撞的星形拓扑类峰窝网络结构连接,传感器检测仪表与LoRa终端节点设备搭载在移动式测量载体上。
本实用新型与现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
(1)本实用新型将HMI网关作为采集传输系统的采集器与中转点,LoRaWAN网关与HMI网关连接,仪表数据通过LoRaWAN网关传输到HMI网关,HMI网关将仪表数据同时传送到终端控制机电设备(PLC控制器、DCS控制器等)和云服务器,完成仪表数据的有效传递和共享。
(2)本实用新型的HMI网关中设有至少两个RS-485通讯接口和一个以太网接口,通过对RS-485通讯接口与以太网接口对采集的仪表数据进行桥接,可以提高多种类数据交换的便利性。
(3)本实用新型采用LoRa无线传输自组网技术方案,将分散的仪表数据进行采集并集中发送到LoRaWAN网关进行汇总与上传,达到降低通讯费用与减少线缆安装时间的效果。
附图说明
图1为本实施例1基于LoRa与HMI网关的采集传输系统的整体连接示意图;
图2为本实施例1的LORA终端节点电路连接示意图;
图3为本实施例1的LoRaWAN网关电路连接示意图;
图4为本实施例2的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统的整体连接示意图;
图5为本实施例3的LoRaWAN网关与Modbus网关连接示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
实施例1
如图1所示,本实施例提供一种基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,包括:用于采集数据的传感器检测仪表、LoRa终端节点设备、LoRaWAN网关、HMI网关、无线通讯模块和云服务器;
在本实施例中,传感器检测仪表与LoRa终端节点设备连接,所述LoRa终端节点设备与LoRaWAN网关无线连接,所述LoRaWAN网关与HMI网关连接,所述HMI网关与无线通讯模块连接,所述无线通讯模块与云服务器无线连接。
在本实施例中,HMI是Human Machine Interface的缩写,“人机接口”,也叫人机界面。人机界面(又称用户界面或使用者界面)是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介,连接可编程序控制器(PLC)、变频器、直流调速器、仪表等机电设备,利用显示屏显示,通过输入单元(如触摸屏、键盘、鼠标等)写入工作参数或输入操作命令,实现人与机器信息交互的数字设备。
在本实施例中,通过LoRa低功耗广域无线通讯方式技术进行,基于扩频通信的远距离无线传输方式,解决了传统方案中无法同时兼顾远距离、抗干扰及功耗的问题,提供一种简单实现远距离、低功耗、大容量的解决方案,进而扩展无线传感器网络,并不依赖有线信号传输方式,具有安装、调试简单方便的优点。
在本实施例中,传感器检测仪表采用RS485通讯线与LoRa终端节点设备连接,所述LoRaWAN网关采用RJ-45接口网线与HMI网关连接,所述HMI网关采用RJ-45接口网线与无线通讯模块连接;
在本实施例中,HMI网关包括HMI网关RS485接口模块和HMI网关RJ45接口模块,HMI网关与终端控制机电设备进行通讯,终端控制机电设备包括设有RS485通讯接口的第一终端控制机电设备和设有RJ45通讯接口的第二终端控制机电设备;HMI网关RS485接口模块设有RS485通讯接口,用于与设有RS485通讯接口的第一终端控制机电设备通讯,HMI网关RJ45接口模块设有RJ45通讯接口,用于与设有RJ45通讯接口的第二终端控制机电设备通讯;本实施例的第一终端控制机电设备采用水质在线检测仪表、工业检测仪表,风力检测仪表、风向检测仪表或启停开关量监测模块中的任意一种或多种;第二终端控制机电设备采用PLC控制器、DCS控制器、水质在线检测仪表、工业检测仪表,风力检测仪表、风向检测仪表、启停开关量监测模块或摄像机的任意一种或多种,其中,摄像机查看现场实时画面,更方便地收集现场的运行数据,做出故障报警,维护预警。本实施例HMI网关通过设有至少两个RS-485通讯接口和一个RJ45以太网接口连接不同型号的PLC、智能仪表、调速器或者变频器等工业控制设备,将这些PLC或传感器检测仪表的数据发布到云服务器中,通过对RS-485通讯接口与RJ-45太网口对采集的仪表数据进行桥接,可以提高多种类数据交换的便利性。
如图2所示,LoRa终端节点设备设有MCU芯片和LORA芯片,MCU芯片采用STM32系列MCU芯片,LORA芯片采用SX1276芯片或者SX1278芯片;MCU芯片设有SPI接口和JTAG接口,SPI接口与LORA芯片连接,JTAG接口设为RS485通讯接口,SPI接口由MISO、MOSI、SCK、NSS引脚组成,MCU芯片还包括VCC、RTC、RTS和SW-DP引脚,VCC、RTC、RTS引脚分别连接常规的3.3V电源稳压电路、时钟晶振电路和复位电路,SW-DP引脚用作程序下载接口;
如图3所示,LoRaWAN网关也设有MCU芯片和LORA芯片,MCU芯片采用STM32系列MCU芯片,LORA芯片采用SX1276芯片或者SX1278芯片;MCU芯片设有第一SPI接口、第二SPI接口和JTAG接口,SPI接口由MISO、MOSI、SCK、NSS引脚组成,第一SPI接口与LORA芯片连接,第二SPI接口连接有以太网控制芯片,以太网控制芯片上设有RJ45通讯接口,JTAG接口设为RS485通讯接口,本实施例中的以太网控制芯片可以采用W5500以太网控制芯片,也可以采用1000MbpS(千兆)的以太网控制芯片,以太网控制芯片还可以连接MTK网络变压器,用于信号隔离,增强信号传输距离和抗干扰能力;MCU芯片还包括VCC、RTC、RTS、SW-DP引脚和USB接口,VCC、RTC、RTS引脚分别连接常规的3.3V电源稳压电路、时钟晶振电路和复位电路,SW-DP引脚用作程序下载接口、USB接口用于连接LoRa无线通讯模块进行无线通讯。
在本实施例中,云服务器还连接有智能终端,智能终端与云服务器无线连接,智能终端采用电脑、平板或手机中的任意一种或多种,无线通讯模块采用WIFI、GPRS或4G无线通讯模块中的任意一种或多种。
在本实施例中,传感器检测仪表采用水质在线检测仪表、工业检测仪表,风力检测仪表、风向检测仪表或启停开关量监测模块中的任意一种或多种;
在本实施例中,水质在线检测仪表采用PH检测仪、ORP检测仪、DO检测仪、电导率检测仪、浊度检测仪、流量检测仪、液位检测仪、温湿度计、COD检测仪、氨氮检测仪、总磷值检测仪、总氮值检测仪中的任意一种或多种;工业检测仪表采用电流检测仪、电压检测仪、功率检测仪、压力计、温度计、称重计、含氧量检测仪、含硫量检测仪、二氧化碳含量检测仪中的任意一种或多种。
在本实施例中,LoRa终端节点设备与LoRaWAN网关之间采用低碰撞的星形拓扑类峰窝网络结构连接,根据物联网应用的不同LoRa终端节点设备一般会装配不同的传感器或开关量控制器件,传感器检测仪表均能对外输出标准4-20mA、Modbus RTU通讯协议的计量信号。
在本实施例中,传感器检测仪表与LoRa终端节点设备还可以搭载在水上载体(船泊、浮标)或者空中载体等(无人机、升空气球、建筑物)移动式测量载体上进行测量,将测量的数据发回到LoRaWAN网关与HMI网关,组成完整的数据采集、云服务器进行远程监控的采集传输系统。
本实施例的提供的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统的实现过程遵循标准的Modbus RTU、Modbus TCP/IP通讯协议进行传输,实现过程如下所述:
传感器检测仪表数据发送到LoRa终端节点设备,LoRa终端节点设备通过无线透传传输方式发送到LoRaWAN网关,再通过LoRaWAN网关将传感器检测仪表采集的数据发送到HMI网关,可以采用Modbus通讯协议(Modbus RTU、Modbus TCP/IP)转发给HMI网关,或者通过LoRaWAN网关内部的OPC服务器将Modbus RTU转换成Modbus TCP格式,与HMI网关的RS-485通讯接口或以太网接口进行通讯;
HMI网关采集到传感器检测仪表的数据,通过以太网接口(RJ-45接口)将数据发送到云服务器,根据Modbus TCP/IP通讯协议上传到设定IP地址的云服务器,云服务器根据Modbus TCP/IP协议下发控制数据到HMI网关,HMI网关通过RS-485接口或以太网接口将数据发送到终端控制机电设备,如PLC/DCS控制器等,将从云服务器接收到的机电设备开关量启停数据传给现场执行操作的终端控制机电设备,同时也将云服务器的控制数据下传到LoRaWAN网关,并对LoRa终端节点设备的进行启停控制,LoRaWAN网关接收HMI网关、云服务的数据,LoRaWAN网关与LoRa终端节点根据轮询方式进行主从通讯,接收LoRa终端节点设备上传的实时信息及状态反馈,并且经HMI网关向云服务器进行反馈,形成闭环控制回路。其中,HMI网关与LoRaWAN网关之间实现基于UDP协议进行端到端的双向通信功能,HMI网关与云服务器之间是基于MQTT与HTTP协议进行交互。
本实施例将HMI网关作为采集传输系统的采集器与中转点,LoRaWAN网关与HMI网关连接,仪表数据通过LoRaWAN网关传输到HMI网关,HMI网关将仪表数据同时传送到终端控制机电设备和云服务器,完成仪表数据的有效传递和共享。
实施例2
实施例1中的LoRa终端节点设备与传感器检测仪表通过RS485通讯线直连,为了提高多种类数据交换的便利性,本实施例2增加了数字量串口输入输出模块,本实施例2的技术方案除了下述技术特征外,其它技术方案与实施例1相同;
如图4所示,LoRa终端节点设备连接有第一数字量串口输入输出模块,第一数字量串口输入输出模块设有多个数字量输入输出接口,第一数字量串口输入输出模块与传感器检测仪表连接;
LoRaWAN网关连接有第二数字量串口输入输出模块,第二数字量串口输入输出模块设有多个数字量输入输出接口,第二数字量串口输入输出模块与传感器检测仪表连接,数字量输入输出接口与机电设备的继电器或者接触器的开关量接口连接,依据Modbus RTU通讯读取机电设备开关量状态及设置机电设备继电器的开关量状态;
实施例3
本实施例3在LoRaWAN网关增设Modbus网关完成Modbus TCP协议和Modbus RTU协议转换,可以级联更多的串口设备,进一步提高多种类数据交换的便利性,在工业应用环境中更加广泛。本实施例3的技术方案除了下述技术特征外,其它技术方案与实施例1相同,当然,也可以将本实施例3的技术方案与实施例2的技术方案进行结合,上述实施例2中LoRaWAN网关增设数字量串口输入输出模块,本实施例3将LoRaWAN网关中的数字量串口输入输出模块替换为Modbus网关;
如图5所示,LoRaWAN网关连接有Modbus网关,Modbus网关用于Modbus TCP协议和Modbus RTU协议转换,Modbus网关一端通过RJ45接口与LoRaWAN网关连接,Modbus网关另一端设有多个RS485通讯接口,多个RS485通讯接口用于连接传感器检测仪表,在本实施例中,Modbus网关可以采用C2000-M2-SHE0101-CB1型号的单口Modbus网关,最多可以级联32个串口设备。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式,但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,包括:用于采集数据的传感器检测仪表、LoRa终端节点设备、LoRaWAN网关、HMI网关、无线通讯模块和云服务器;
所述传感器检测仪表与LoRa终端节点设备连接,所述LoRa终端节点设备与LoRaWAN网关无线连接,所述LoRaWAN网关与HMI网关连接,所述HMI网关与无线通讯模块连接,所述无线通讯模块与云服务器无线连接。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,所述传感器检测仪表采用RS485通讯线与LoRa终端节点设备连接,所述LoRaWAN网关采用RJ-45接口网线与HMI网关连接,所述HMI网关采用RJ-45接口网线与无线通讯模块连接;
所述HMI网关包括HMI网关RS485接口模块和HMI网关RJ45接口模块,所述HMI网关RS485接口模块设有RS485通讯接口,用于与设有RS485通讯接口的第一终端控制机电设备通讯,所述HMI网关RJ45接口模块设有RJ45通讯接口,用于与设有RJ45通讯接口的第二终端控制机电设备通讯。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,所述LoRa终端节点设备设有MCU芯片和LORA芯片,所述MCU芯片设有SPI接口和JTAG接口,所述SPI接口与LORA芯片连接,所述JTAG接口设为RS485通讯接口。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,所述LoRaWAN网关设有MCU芯片和LORA芯片,所述MCU芯片设有第一SPI接口、第二SPI接口和JTAG接口,所述第一SPI接口与LORA芯片连接,所述第二SPI接口连接有以太网控制芯片,所述以太网控制芯片上设有RJ45通讯接口,所述JTAG接口设为RS485通讯接口。
5.根据权利要求1所述的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,所述LoRa终端节点设备连接有第一数字量串口输入输出模块,所述第一数字量串口输入输出模块设有多个数字量输入输出接口,所述第一数字量串口输入输出模块与传感器检测仪表连接;
所述LoRaWAN网关连接有第二数字量串口输入输出模块,所述第二数字量串口输入输出模块设有多个数字量输入输出接口,所述第二数字量串口输入输出模块与传感器检测仪表连接。
6.根据权利要求1所述的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,所述LoRaWAN网关连接有Modbus网关,所述Modbus网关用于Modbus TCP协议和Modbus RTU协议转换,所述Modbus网关一端通过RJ45接口与LoRaWAN网关,所述Modbus网关另一端设有多个RS485通讯接口,所述多个RS485通讯接口用于连接传感器检测仪表。
7.根据权利要求1所述的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,所述云服务器还连接有智能终端,所述智能终端与云服务器无线连接,所述智能终端采用电脑、平板或手机中的任意一种或多种。
8.根据权利要求1所述的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,所述传感器检测仪表采用水质在线检测仪表、工业检测仪表,风力检测仪表、风向检测仪表或启停开关量监测模块中的任意一种或多种;
所述水质在线检测仪表采用PH检测仪、ORP检测仪、DO检测仪、电导率检测仪、浊度检测仪、流量检测仪、液位检测仪、温湿度计、COD检测仪、氨氮检测仪、总磷值检测仪、总氮值检测仪中的任意一种或多种;
所述工业检测仪表采用电流检测仪、电压检测仪、功率检测仪、压力计、温度计、称重计、含氧量检测仪、含硫量检测仪、二氧化碳含量检测仪中的任意一种或多种。
9.根据权利要求1所述的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,所述无线通讯模块采用WIFI、GPRS或4G无线通讯模块中的任意一种或多种。
10.根据权利要求1所述的基于LoRa与HMI网关的采集传输系统,其特征在于,所述LoRa终端节点设备和LoRaWAN网关采用低碰撞的星形拓扑类峰窝网络结构连接,传感器检测仪表与LoRa终端节点设备搭载在移动式测量载体上。
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