CN214429551U - 一种物联网数据采集终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种物联网数据采集终端，包括电源模块、通信接口转换模块、WiFi模块、Ethernet网口模块、USB通信模块、ESP32模组，Ethernet网口模块、电源模块、USB通信模块均连接于ESP32模组，WiFi模块集成于ESP32模组，通信接口转换模块与ESP32模组均与工业设备相互连接，该采集终端利用485、232、CAN通信接口、工业设备通信协议、WiFi通信或以太网通信、MQTT通信协议，完成物联网数据采集终端与不同工业设备之间的485、232、CAN通信和物联网数据采集终端与服务器之间的MQTT网络通信，采用轻量级的JSON数据封装格式，实现对设备的运行状态的检测和控制，包括工业设备数据采集、运行数据设定、运行模式选择、运行状态控制等。

Description

一种物联网数据采集终端

技术领域

本实用新型属于物联网采集终端技术领域，具体涉及到一种物联网数据采集终端。

背景技术

互联网在最近几十年取得了长足发展，使得各行各业的应用都离不开互联网的支持，互联网的应用和发展，使人们的生活质量和工作效率都得到了极大的提高，为了满足不断增长的市场需求和适应社会发展的需要，在互联网的基础上又发展了更加智能便捷高效的物联网，物联网是互联网、传感网络等信息的载体，通过射频设备（RFID）装置、全球定位系统（GPS）等信息传感设备实现物品与互联网的信息交互，完成管理和监控的网络。随着传感器网络技术和物联网技术的发展和深化，各个节点设备可以通过物联网完成数据信息上报，另外也可以通过物联网控制中心对各个节点设备进行监控和管理，如数据信息的采集、远程管理、远程设备控制等。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上。MQTT最大的优点在于可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较为广泛的应用。

JSON（JavaScript Object Notation）是一种轻量级的数据交换格式，采用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示数据。简洁和清晰的层次结构使得JSON成为理想的数据交换语言,易于人的阅读和编写，同时也易于机器解析和生成，并能够有效地提升网络传输效率。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的主要目的在于设计一种物联网数据采集终端, 基于MQTT通讯协议的、支持多种工业设备，可实时地获取工业设备的温度、湿度、气压、腐蚀气体的浓度、沙尘的浓度等各项运行数据、运行状态、运行模式等信息，实现有效、准确地监控设备的运行情况，也可在远程设置设备的工作参数、控制设备运行/停止等，此外，由于各个厂商的设备接口可能存在不同，该物联网数据采集终端可以根据需求，使用终端上集成的通信接口转换模块，按照指定通信协议处理数据，来支持不同工业设备，满足人们远程监测、控制不同工业设备的需求，并且该物联网数据采集终端成本低廉、功耗低、稳定性好，同时支持无线和有线连接。

为了实现上述目的本实用新型采用如下技术方案：

一种物联网数据采集终端，该采集终端与服务器通过MQTT通信连接，通过发布/订阅对应主题的方式，实现物联网数据采集终端与服务器之间的数据通信，服务器与该采集终端的通信数据设置为JSON格式，通过键值对的方式来存储数据，在JSON封装和解析时，读写速度更快，使用更加便捷。

包括电源模块、通信接口转换模块、WiFi模块、Ethernet网口模块、USB通信模块、ESP32模组；所述的Ethernet网口模块、电源模块、USB通信模块均连接于ESP32模组；所述的WiFi模块集成于ESP32模组；所述的通信接口转换模块与ESP32模组均与工业设备相互连接；所述的通信接口转换模块包括485模块、232模块、CAN模块。

通过采用上述技术方案，实现该采集终端与不同工业设备之间的通信，利用485模块、232模块、CAN模块、工业设备通信协议、WiFi模块或Ethernet网口模块、MQTT通信协议，完成物联网数据采集终端与不同工业设备之间的485、232、CAN通信和物联网数据采集终端与服务器之间的MQTT网络通信，同时采用轻量级的JSON数据封装格式，实现对工业设备的运行状态的检测和控制，包括工业设备数据采集、运行数据设定、运行模式选择、运行状态控制等。

作为本实用新型进一步的描述，所述的485模块设置为ADM2483芯片，232模块设置为MAX232芯片，CAN模块设置为SN65HVD232D芯片，用于转换电平信号，将ESP32模组处理后的数据由TTL信号转换为485信号或232信号或CAN信号，将工业设备的485信号或232信号或CAN信号转换为TTL信号。

所述的电源模块设置为LM2596-5V芯片，可以提供5V的电源。

所述的Ethernet网口模块设置为IP101GRI芯片，用于以太网连接，实现以太网通信。

所述WiFi模块，用于WiFi连接，实现无线通信。

所述的USB通信模块设置为FT2232HL芯片，用于连接USB线，实现调试、烧录程序功能。

所述的ESP32模组，采用IPEX天线，具体的设置为ESP32-WROVER-B模组，用于实现WIFI无线通信，处理各种数据，实现相应功能，包括处理由服务器通过MQTT协议发送的JSON格式数据，对JSON格式数据进行解析，并封装为相应的工业设备通信协议格式，通过通信接口转换模块将数据发送给工业设备，实现对工业设备参数的读取、设定以及对工业设备的控制，并且通过通信接口转换模块接收工业设备回复的数据，按照工业设备通信协议格式对数据进行解析，并封装为相应的JSON格式数据，通过MQTT协议发送至服务器，实现对工业设备数据读取的上传、操作结果的上传等。

作为本实用新型进一步的描述，所述的485模块、232模块、CAN模块与工业设备相连，支持多种工业设备通信接口，能够按照指定通信协议封装和解析数据。

作为本实用新型进一步的描述，所述的ESP32模组上包括UART、FIFO、Bit-Bang IO接口，所述的USB通信模块与UART、FIFO、Bit-Bang IO接口之间进行转换，用于为整个物联网数据采集终端供电，同时实现程序烧录、调试等功能。

相对于现有技术，本实用新型的技术效果为：

本实用新型提供了一种物联网数据采集终端，通过通信接口转换模块与工业设备进行通信，支持不同的工业设备接口，自动按照采样时间发送相应指令读取如温度、湿度、气压、腐蚀气体的浓度、沙尘的浓度等工业设备的各项运行数据以及运行状态、运行模式、故障情况等信息，并接收工业设备回复的信息，对数据进行解析，并采用JSON格式将各项数据进行封装，通过MQTT通信协议将数据上传至服务端；并且服务端可以下发动作指令，通过MQTT协议将相应JSON格式数据发送给数据采集终端，数据采集终端接收到MQTT数据后，会对其进行解析并比对ID，所述ID是指由特定字符及采集终端MAC地址组成的ID字符串，一致的情况下会将相应指令发送给设备，实现对工业设备运行参数的设定和运行状态的控制。

本实用新型将数据采集和物联网通信相结合，可实时地、有效地、准确地采集工业设备上的如温湿度、气压、腐蚀气体的浓度、沙尘的浓度等各项运行数据以及运行状态、运行模式、故障情况等数据，并实时上传这些数据，同时，也可以从服务端下发指令，实现工业设备的远程控制和工业设备各项运行数据的远程设定。此外物联网数据采集终端支持多种工业接口，实现连接设备种类多、数据信息采集广等功能，并且具有成本低、功耗低、稳定性高等特点。

本实用新型采用MQTT通信协议，MQTT是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占 用的即时通讯协议，其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较为广泛的应用。物联网数据采集终端与服务器通过发布/订阅主题的方式进行通信，根据不同的数据类型，物联网数据采集终端发布/to_server，/to_server/config/status等主题，订阅/to_device等主题，实现设备运行数据上传、远程操作结果上传、远程控制和远程设定运行数据等功能。

本实用新型采用JSON数据格式，JSON（JavaScript Object Notation）是一种轻量级的数据交换格式，采用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示数据。简洁和清晰的层次结构使得JSON成为理想的数据交换语言,易于人的阅读和编写，同时也易于机器解析和生成，并能够有效地提升网络传输效率。物联网数据采集终端将要发送的数据按照JSON格式封装，采用键值对的格式保存物联网数据采集终端ID、数据类型、工业设备运行数据、工业设备运行状态等信息，通过MQTT协议发送给服务器；物联网数据采集终端接收到服务器发送的数据后，会对其进行JSON解析，获取到其中的数据后，比对ID，当ID与物联网数据采集终端的MAC地址组成的ID字符串一致时，会根据其中的数据封装指令，并发送给工业设备，实现对工业设备的远程控制和参数设定。JSON数据格式中的各个字段为物联网数据采集终端和服务器共同约定的字段。

本实用新型支持多种工业设备通信接口，可以支持不同工业设备通信接口，可以按照指定通信协议封装和解析数据，实现物联网数据采集终端与多种工业设备之间的通信。

本实用新型的ESP32模组采用IPEX天线，IPEX天线相对于板载天线，具有场型能控制好、插损低、信号方向指向性好、效率高、抗干扰能力强等优点。

附图说明

图1为本实用新型采集终端的整体框图；

图2为本实用新型采集终端采集工业设备运行信息并上传服务器的流程图；

图3为本实用新型采集终端接收服务器控制指令、对设备控制的流程图；

图4为本实用新型采集终端与工业设备及服务端数据交互的流程图;

图5为本实用新型采集终端、工业设备、服务器之间的配合视图；

图6为本实用新型采集终端功能流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述：

一种物联网数据采集终端，参考图1-6所示，该采集终端与服务器通过MQTT通信连接，通过发布/订阅对应主题的方式，实现物联网数据采集终端与服务器之间的数据通信，服务器与该采集终端的通信数据设置为JSON格式，通过键值对的方式来存储数据，在JSON封装和解析时，读写速度更快，使用更加便捷。

所述发布/订阅的主题为物联网采集终端和服务端所约定的主题；所述JSON数据格式为物联网采集终端和服务端所约定的字段。

所述MQTT消息中，带有服务端分配的ID，所述ID与物联网数据采集终端的MAC地址组成的ID字符串相同，则认证通过，该采集终端在进行MQTT通信时，考虑到安全问题，会通过用户名和密码连接MQTT服务器。

一种物联网数据采集终端，包括电源模块、通信接口转换模块、WiFi模块、Ethernet网口模块、USB通信模块、ESP32模组；所述的Ethernet网口模块、电源模块、USB通信模块均连接于ESP32模组；所述的WiFi模块集成于ESP32模组，用于WiFi通信；所述的通信接口转换模块与ESP32模组均与工业设备相互连接；所述的通信接口转换模块包括485模块、232模块、CAN模块，用于工业设备和物联网数据采集终端的数据通信，通信接口转换模块在两者数据交互的时候，进行电平的转换，实现通信。

通过采用上述技术方案，实现该采集终端与不同工业设备之间的通信，利用485模块、232模块、CAN模块、工业设备通信协议、WiFi模块或Ethernet网口模块、MQTT通信协议，完成物联网数据采集终端与不同工业设备之间的485、232、CAN通信和物联网数据采集终端与服务器之间的MQTT网络通信，同时采用轻量级的JSON数据封装格式，实现对工业设备的运行状态的检测和控制，包括工业设备数据采集、运行数据设定、运行模式选择、运行状态控制等。

该采集终端可以实时上传设备的各项数据，并且服务端可以通过物联网数据采集终端，根据二者约定好的字段，对工业设备的运行状态和运行参数进行修改。

所述的485模块设置为ADM2483芯片，232模块设置为MAX232芯片，CAN模块设置为SN65HVD232D芯片，用于转换电平信号，将ESP32模组处理后的数据由TTL信号转换为485信号或232信号或CAN信号，将工业设备的485信号或232信号或CAN信号转换为TTL信号。

其中，485模块通过设计ADM2483芯片的外围电路，实现了无需软件或驱动控制RTS引脚，模块能够自动切换接收/发送模式，232模块设计MAX232芯片的外围电路，实现TTL信号与232信号的转换，CAN模块设计SN65HVD232D芯片，实现TTL信号与CAN信号的转换。

所述的电源模块设置为LM2596-5V芯片，用于为物联网数据采集终端供电，支持24V的电压输入，能够提供稳定的 5V电压输出。

所述的Ethernet网口模块设置为IP101GRI芯片，用于以太网连接，实现以太网通信。

所述WiFi模块，用于WiFi连接，实现无线通信。

所述的USB通信模块设置为FT2232HL芯片，用于连接USB线，实现调试、烧录程序、供电等功能。

所述的ESP32模组，采用IPEX天线，具体的设置为ESP32-WROVER-B模组，用于实现WIFI无线通信，处理各种数据，实现相应功能，包括处理由服务器通过MQTT协议发送的JSON格式数据，对JSON格式数据进行解析，并封装为相应的工业设备通信协议格式，通过通信接口转换模块将数据发送给工业设备，实现对工业设备参数的读取、设定以及对工业设备的控制，并且通过通信接口转换模块接收工业设备回复的数据，按照工业设备通信协议格式对数据进行解析，并封装为相应的JSON格式数据，通过MQTT协议发送至服务器，实现对工业设备数据读取的上传、操作结果的上传等，具有更好的信号方向指向性、高效率、强抗干扰能力的特点。

所述的485模块、232模块、CAN模块与工业设备相连，支持多种工业设备通信接口，能够按照指定通信协议封装和解析数据。

所述的ESP32模组上包括UART、FIFO、Bit-Bang IO接口，所述的USB通信模块与UART、FIFO、Bit-Bang IO接口之间进行转换，用于为整个物联网数据采集终端供电，同时实现程序烧录、调试等功能。

该采集终端接收服务端发送的工作状态、运行数据控制信息，工作状态、运行数据信息包括用于控制工业设备运行、停止的工作状态的信息，包括用于添加、删除、修改工业设备运行数据的信息；采集终端采集工业设备的工作状态、运行数据信息，并将该信息上传服务端，工作状态、运行数据信息包括工业设备运行、停止、故障状态，工业设备如温湿度、气压等运行数据信息。

物联网数据采集端，上电后会进行初始化，根据配置好的工作模式连接WiFi或者Ethernet，并配置各个串口的波特率、数据位等，连接MQTT服务器，发布和订阅主题，所述主题包括/to_server、/to_server/config/status、/to_device等主题。

在完成初始化配置后，通过通信接口转换模块采集工业设备的运行数据、运行状态、故障情况等运行信息和控制设备运行状态及运行参数等，通信接口转换模块包括485模块、232模块、CAN模块，以485模块为例，485模块的RX、TX端口分别与ESP32模组的GPIO14、GPIO15相连接，A、B端口分别与工业设备的485接口相连接，该模块电路无需软件或驱动控制RTS引脚，可自动切换接收/发送模式，物联网数据采集终端通过GPIO口、485模块，将相应指令数据包发送到工业设备端，实现对设备的控制、数据采集等操作，工业设备在接收到相应指令后，会进行相应动作并发送一条回复信息，由485模块、GPIO口发送给物联网数据采集终端，数据采集终端会对工业设备回复的信息进行解析，判断相应操作是否成功执行或分析处理从设备读取到的运行数据，从而得到设备的运行数据、运行状态、故障情况等信息；232模块和CAN模块与485模块的连接和使用方式类似。

物联网数据采集终端和服务器通过发布/订阅主题的方式进行数据交互，首先对物联网数据采集终端进行MQTT配置，设置其连接的MQTT服务器、物联网数据采集终端的ID等，然后连接服务器，物联网数据采集终端发布/to_server、/to_server/config/status等主题，订阅/to_device等主题，最后当物联网数据采集终端采集到工业设备的运行数据、运行状态、故障状态等信息后，向/to_server主题发送这些数据，实现工业设备数据及运行情况等信息的上传；物联网数据采集终端订阅了/to_device主题，可以接收到服务器发送的数据，实现远程控制工业设备运行状态和设定工业设备运行参数，并且物联网数据采集终端在完成对工业设备的控制后，根据设备回复的内容，向/to_server/config/status主题发送数据，用于向服务器反馈操作结果。

物联网数据采集终端与服务器之间的通信数据采用JSON格式，JSON（JavaScriptObject Notation）是一种轻量级的数据交换格式，采用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示数据，简洁和清晰的层次结构使得JSON成为理想的数据交换语言,易于人的阅读和编写，同时也易于机器解析和生成，并能够有效地提升网络传输效率，物联网数据采集终端采集到工业设备的运行数据、运行状态、故障状态等信息后，会对其进行JSON数据格式封装，按照键值对的形式保存这些数据信息，并在JSON数据中添加一个ID和数据类型号，ID为物联网数据采集终端的MAC地址所组成的字符串，数据类型号根据不同的动作类型分为0、1、2等，以上信息用于区分不同的物联网数据采集终端和JSON数据中工业设备不同的数据内容，然后将这些数据发送给服务器；物联网数据采集终端可以接收服务器发送的数据，对其进行JSON数据格式解析，首先会判断ID和物联网数据采集终端的MAC地址所组成的字符串是否一致，不一致的情况下，不会进行任何动作，一致的情况下，将其中的数据保存到相应结构体变量中，根据其中的数据封装指令，并将其发送给工业设备，实现对工业设备的远程控制和工业设备各项运行数据的远程设定。

物联网数据采集终端根据工业设备的通信协议及通信接口，按照采样时间向工业设备发送采集数据的指令，所述需要采集的数据包括工业设备的运行数据、运行状态、故障情况等数据，当工业设备接收到该指令后，会向物联网数据采集终端返回相应的数据信息，物联网数据采集终端接收到该数据后，根据工业设备的通信协议，对数据进行解析和JSON封装，并在JSON数据中添加物联网数据采集终端的ID及数据类型号，以区分不同的物联网数据采集终端及JSON数据中工业设备不同的数据内容，通过MQTT协议向/to_server主题发送数据，完成工业设备数据的上传，所述/to_server主题为物联网数据采集终端和服务端所约定的主题，用于物联网数据采集终端上传从工业设备采集到的数据信息。具体的，以一种通信协议为例，一种通信协议以RSD和RRD指令读取数据，且每个数据以“，”分隔，数据为十六进制，物联网数据采集终端解析时，按“，”分割每项数据，并通过进制转换即可得到每项数据的十进制值，在JSON封装时，首先添加一个device_id字段，其值为物联网数据采集终端的ID，并添加一个数据类型字段data_type，该值为0，表示该JSON数据的内容是工业设备的运行数据，其他的字段为工业设备的各项数据，包括运行参数、运行状态、故障情况等，完成数据的JSON封装后，向/to_server主题发送该JSON数据，即可实现数据上传。

物联网数据采集终端，订阅/to_device主题，所述/to_device主题为物联网数据采集终端和服务端所约定的主题，用于服务端向物联网数据采集终端下发操作指令。所述操作指令包括控制设备运行、停止、设定运行参数等。所述物联网数据采集终端接收到MQTT消息后，对其中的数据进行解析并比对ID，所述ID是指由特定字符及采集终端MAC地址组成的ID字符串，当ID一致时，物联网数据采集终端根据其中的数据封装操作指令，发送给工业设备，根据工业设备回复的结果，向/to_server/config/status主题发送数据，反馈操作结果。

具体的，物联网数据采集终端接收服务端发送的JSON数据，该JSON数据包括ID、数据类型data_type、动作类型action_type和相应具体设定值，首先物联网数据采集终端比对JSON数据中的ID是否与MAC地址组成的字符串一致，不一致则不进行任何动作，一致则将其中的各项数据存入相应变量中，在switch/case中，通过判断设备类型、协议类型、数据类型和动作类型等，可以得到需要发给设备的指令模板，还需按照工业设备的协议对指令模板进行填写，具体的，以一种通信协议为例，一种通信协议以WSD和WRD指令向设备写数据，首先需要将结构体变量中保存的JSON数据转换成十六进制，然后计算该指令的校验位，最后将所有数据整合到指令模板中，形成一条完整的操作指令并发送给工业设备，实现对工业设备运行状态的控制和运行参数的设定。

此外，物联网数据采集终端还会根据工业设备返回的数据内容向服务端发送一条数据用以反馈操作结果，该条数据采用JSON封装，内容包括字段device_id及采集终端ID、data_type及其值1和相应操作的字段如start_set等及其值OK或Error，其中data_type值为1表示该JSON数据的内容是对工业设备进行操作的结果。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种物联网数据采集终端，该采集终端与服务器通过MQTT通信连接，服务器与该采集终端的通信数据设置为JSON格式，其特征在于：包括电源模块、通信接口转换模块、WiFi模块、Ethernet网口模块、USB通信模块、ESP32模组；

所述的Ethernet网口模块、电源模块、USB通信模块均连接于ESP32模组；

所述的WiFi模块集成于ESP32模组；

所述的通信接口转换模块与ESP32模组均与工业设备相互连接；

所述的通信接口转换模块包括485模块、232模块、CAN模块。

2.根据权利要求1所述的一种物联网数据采集终端，其特征在于：所述的485模块设置为ADM2483芯片，232模块设置为MAX232芯片，CAN模块设置为SN65HVD232D芯片；

所述的电源模块设置为LM2596-5V芯片；

所述的Ethernet网口模块设置为IP101GRI芯片；

所述的USB通信模块设置为FT2232HL芯片；

所述的ESP32模组，采用IPEX天线，具体的设置为ESP32-WROVER-B模组。

3.根据权利要求1所述的一种物联网数据采集终端，其特征在于：所述的485模块、232模块、CAN模块与工业设备相连。

4.根据权利要求1所述的一种物联网数据采集终端，其特征在于：所述的ESP32模组上包括UART、FIFO、Bit-Bang IO接口，所述的USB通信模块与UART、FIFO、Bit-Bang IO接口之间进行转换。

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