工业智能网关的制作方法

1.本发明涉及数据采集及数据处理领域，特别涉及工业数据转换技术领域，具体的，其展示一种工业智能网关。


背景技术：

2.工业现场底层对设备的数据采集是工业数据监控系统基础且重要的环节。工业现场设备的数据采集是将现实物理世界的信息转换成电信号的过程，在设备进行产品生产时需要对设备的运转状态和生产过程进行监控，比如机床转轴的转速、风机的转速、设备工作温度、成品数量、工位状态等生产数据。工业现场数据采集需要适应各种复杂的工业现场环境，集成多种接口以及现场总线通信协议。
3.工业数据监控系统数据采集要考虑工业环境的复杂性和数据采集的实时性。工业现场协议种类繁多且结构不同，数据采集时需要兼容尽可能多的现场通信协议，现阶段的协议转换一般是通过opc等技术和协议转换器实现的，opc 等技术的实时性不高，协议转换器仅适应于实时性和效率要求较高、部署简单的工业场景。
4.本发明提供一种工业智能网关，来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种工业智能网关，良好的实现协议转换的通用性、兼容性与实时性。
6.技术方案如下：
7.一种工业智能网关，包括中央处理器模块，中央处理器模块包括通过总线彼此连接的arm，arm分别与数据采集模块、以太网模块、无线通讯模块、设备对接模块、通讯接口模块、外设模块、设备协议库和数据处理模块连接；中央处理器模块对应匹配有协议转换器；通过以太网模块、无线通讯模块实现对应不同工业现场的数据采集传输，通过协议转换器进行采集数据的转换，形成工业数据智能采集转换的智能工业网关管理系统。
8.进一步的，协议转换器基于osi 7层模型，全部复用于网关的7层模型中，每一层都部署协议转换所需协议；数据或者命令从应用层经过不断的打包、解析，并且翻译后打包成另一种协议或者以另一种协议的方式解析，在不同的层次具有不同传输介质和数据转发机制。
9.进一步的，网络层的网关设备和应用层服务器，都具有数据存储能力；网络层的网关设备主要存储感知层设备的数据以及自身操作系统、应用程序和数据映射内存；应用层服务器存储用户信息、历史数据。
10.进一步的，数据采集模块接受云平台命令采集感知设备数据。
11.进一步的，兼容多种工业现场通信协议和采集的实时性，至少支持西门子 profibus、modbustcp、modbusrtu、欧姆龙hostlink、三菱mc、信捷plc。
12.进一步的，通讯接口模块在中央处理器模块与周边设备之间建立一个数据通道，
实现数据信息的共享，主要包括rs-485通讯接口、rs-232通讯接口、 rj45通讯接口、usb通讯接口。
13.进一步的，还包括4g、5g通讯方式适应各种工业现场的数据传输。
14.进一步的，网络层和应用层之间采用轻量型小型化的mqtt协议通信传输。
15.与现有技术相比，本发明具备数据采集、协议解析、边缘计算、wifi数据传输和接入工业云平台等功能，支持采集plc、传感器、仪器仪表和各种控制器，适合作为大规模的分布式设备的接入节点；满足工业级标准和工业用户需求。
附图说明
16.图1是本发明的示意图之一。
17.图2是本发明的示意图之二。
18.图3是本发明的示意图之三。
19.图4是本发明的示意图之四。
20.图5是本发明的示意图之五。
21.图6是本发明的示意图之六。
22.图7是本发明的示意图之七。
具体实施方式
23.实施例：
24.本实施例展示一种工业智能网关，为了实现良好的通用性、兼容性与实时性，工业智能网关搭载翼辉sylixos嵌入式操作系统；
25.使用mt7628an芯片作为网关核心板的中央处理器模块；
26.mt7628an芯片有效提升射频效能表现、降低功耗，并将整体物料清单(bom) 成本优化，是性价比最高的2x2lln解决方案；
27.mt7628an芯片整合了wifi收发器、580mhzmips24kcpu核、5端口的高速以太网端口物理层(ethernetphy)以及连接不同传感器的多个慢速输入输出 (i/o)；
28.mt7628an芯片采用的是qfn封装形式；
29.mt7628an芯片包括mt7628核心板，mt7628核心板对应设置有电源管理模块、串口通信模块、usb模块、网络接口模块、wifi模块；
30.工业智能网关中部署协议转换器，保证翼辉sylixos嵌入式操作系统在数据采集时能够兼容多种工业现场通信协议并且具备实时性好、部署简单的能力；
31.协议转换器基于osi 7层模型，全部复用于网关的7层模型中，每一层都部署协议转换所需协议；数据或者命令从应用层经过不断的打包、解析，并且翻译后打包成另一种协议或者以另一种协议的方式解析，在不同的层次具有不同传输介质和数据转发机制，协议转换器可以借助工业智能网关的硬件条件将所需协议分层部署在工业智能网关网关各个层次，实现不同总线协议的转换；
32.协议转换将源设备的数据通过建立的通信连接传输到目标设备，实现数据于工业现场的高效传输，详见图1展示的工业现场中总线协议在不同设备间的传输方式；
33.工业现场的工业协议种类繁多，现对profibus-dp和modbus这两种比较常用的协
议进行分析，其他协议的分析方式与其类似；
34.两协议结构分析如图2所示：
35.profibus-dp协议结构包括物理层、数据链路层和应用层三层，其中物理层协议为iec61158-2,包含了iec61158标准的各种协议；数据链路层协议为 fdl,fdl协议有着与硬件提供的数据吞吐率几乎相同的优点，并且有较高的灵活性；应用层为s7协议族，包括了表示层、会话层和应用层；
36.s7协议在建立连接之后必须发送通信请求，否则，服务端会将连接断开；
37.modbus协议包括modbusrtu/ascii和modbustcp/udp两种，前者物理层协议为rs-485/232,后者物理层协议为以太网口modbustcp/udp；
38.协议传输层和网络层是tcp/ip协议，modbus协议的应用层都定义了应用数据单元；
39.两种协议除物理层外每一层协议规范和层数都不相同，为实现系统智能化生产监控功能，系统需要协议转换建立从感知层设备到应用层服务器的通信传输路径；
40.profibus/modbus的协议转换是基于tcp/ip协议栈，应用层为mqtt协议传输的形式；
41.本发明还包括工业现场多协议通信模型；
42.如图3所示:
43.图3中的多协议通信模型是基于分层设计的，其转换的核心思想是将需要转换的profibus或modbus协议携带的数据内容经过一层层解析后存储到映射区(readmap),然后通过应用层mqtt协议将数据发布到服务器，完成数据上行传输。服务器数据经过mqtt传输存储到写映射区(writemap),然后通过层层封装到达plc设备，实现数据下行传输，完成了协议转换；
44.http协议和mqtt协议在工业物联网环境下相对比，在带宽资源有限条件下使用mqtt协议进行通信传输是理想的选择；通过对mqtt协议通信原理和报文进行分析，提出系统mqtt协议通信架构设计；
45.mqtt协议通信架构：
46.mqtt协议通信如图4所示：
47.基于mqtt协议的通信架构主要有三种身份，分别为发布者(pub)、订阅者 (sub)和消息代理。发布者和订阅者都为mqtt的客户端，消息代理为消息代理服务器。订阅者和发布者之间不直接通信，需要经过消息代理服务器进行消息过滤、转发，将发布者发布的消息发送给订阅者，两者互不干扰；
48.mqtt客户端之间通信主要通过主题topic实现，利用不同的主题的层级来区分不同信息，订阅者通过订阅不同主题以及不同层级可以获取相应的数据；
49.mqtt协议通过已定义的服务质量(qos)等级来确定分发应用消息，一共分为 3个服务等级，可供用户在不同工作环境下选择不同的服务等级来确保消息的可靠准确传输；
50.基于mqtt协议消息传输模型和三层系统架构，设计mqtt协议通信架构如图5所示；
51.网关和云平台部署的mqtt客户端都处于应用层，通过网络配置好ip和端口号后连接到消息代理服务器，服务器会分配给客户端一个唯一标识的id号，客户端可以向消息代理服务器发布任意主题的消息，消息代理服务器会将此主题消息转发给所有订阅该主题消
息的订阅者，实现发布者和订阅者之间的通信。
52.网关硬件设计与实现
53.网关核心板外围扩展相应的功能模块和接口，工业智能网关采用的方案主要是采用mips架构的主控芯片控制网口和串口采集工业现场设备的数据，然后通过外接模块实现多种入网方式和应用层的云服务器进行数据通信：
54.工业智能网关提供3个rj45的以太网接口和提供wifi接入支持，具备基本的联网能力；
55.工业智能网关提供usb接口作为4g、5g模块(移远ec20)的接口，使设备具备4g、5g上网能力；
56.工业智能网关具备一定的电源管理能力，降低功耗或意外断电处理以及添加抗干扰隔离等；
57.工业智能网关具备一定的存储能力，包括存储系统、程序、配置文件和历史数据；
58.工业智能网关提供rs-232和rs-485串口接口，实现网关与感知层设备的通信；
59.工业智能网关网关提供标准的usb接口，使其能够实现u盘程序升级；
60.工业智能网关采用risc的微控制器mt7628为网关的主控制器，外围搭载各种功能模块电路，设计网关设备硬件架构如图6所示；
61.网关主处理器集成wifi和5端口百兆网口，电源模块提供主处理器和外围电路的工作电压；串口通信模块实现网关与感知层设备的数据通信，负责采集设备生产数据；
62.usb模块提供接口保证用户程序升级和实现usb接口功能；网络接口模块保证网关与感知设备的有线网络连接和网关与云平台的通信，以及完成网关软件的远程调试；
63.4g、5g模块主要提供网关的4g、5g入网方式，以及提供gps定位的服务，提高网关通用性；
64.翼辉sylixos嵌入式操作系统主要由网关软件和云平台软件组成；工业智能网关主要实现系统数据采集、传输、安全等功能；云平台主要实现数据显示、存储、监控等功能；云平台选用信捷云平台，不仅部署简单，使用方便，而且还供用户免费使用；网关软件以sylixos系统为基础，主要由通用模块、协议转换、mqtt协议通信和数据安全模块组成。
65.在网关软件系统中，包括mqttclient、工业协议驱动程序(opcua协议、 modbus协议、西门子s7协议)和其他功能，主要任务是完成工业数据与mqtt数据之间的双向传输和根据相关协议进行数据格式转换；实现数据通过mqtt协议与云平台进行交互；协议参数配置模块负责工业协议数据的接入参数配置，数据解析模块负责对上行和下行的数据进行标准和格式的转换，网关日志模块负责对云网关运行过程中的动作进行记录，数据同步模块负责数据的本地备份存储。
66.网关软件架构框图如图7所示。
67.与现有技术相比，本实施例具备数据采集、协议解析、边缘计算、wifi数据传输和接入工业云平台等功能，支持采集plc、传感器、仪器仪表和各种控制器，适合作为大规模的分布式设备的接入节点；满足工业级标准和工业用户需求。
68.以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。