物联网网关以及用于该物联网网关的空压在线存储系统的制作方法

1.本技术涉及空压机管理系统领域，具体而言涉及一种物联网网关以及用于该物联网网关的空压在线存储系统。


背景技术：

2.现有空压机之间运行状态相互独立，无法实现协同运行，缺乏群体效应。cnc机床系统运行过程中各空压机需要频繁加卸载，压力波动范围大，空载运行时间长，使得设备之间运行状态出现偏差，需要定期进行校验调校，影响系统整体运行效率。
3.大型空压站突发停机或其他状况，不仅会造成设备停产，影响生产效率，还会因为发现不及时而形成重大的生产作业安全事故。现有的空压机监控设备常受限于数据协议传输、信道容量或者存储空间的限制而较难实现联动控制。
4.如何提升空压机监控数据的传输效率以实时监测各空压机的运行状态，协同管理各空压机的运行数据以规避、弱化事故概率对保障企业生产安全，提高企业生产效率尤为关键。因此，目前急需一种能够兼容各类型空压设备的在线实时监控系统。


技术实现要素：

5.本技术针对现有技术的不足，提供一种物联网网关以及用于该物联网网关的空压在线存储系统，本技术能够根据空压机监控数据的通讯质量而动态调整存储策略以兼顾不同接口之间对通讯效率与通讯质量的要求。本技术具体采用如下技术方案。
6.首先，为实现上述目的，提出一种用于物联网网关的空压在线存储系统，其包括：数据接口，用于接收信息帧；寄存器组，其根据数据接口所采用的协议类型设置有若干并列运行的寄存器，各寄存器分别根据协议所设定的信息帧结构存储信息帧中的不同数据段，且，各寄存器均设置为按照信息帧的接收顺序确定该信息帧中数据段存储地址的偏移量，将相同信息帧中的数据段存储在具有相同偏移量的地址上，并设置各寄存器中相同偏移位置上所存储的数据段同步存入同步读出；转换模块，其同时读取各寄存器中相同偏移位置上所存储的数据段，根据输出数据所对应的协议类型要求对各数据段进行转换，将各数据段重新按照输出数据的协议类型排列，输出重新排列获得的输出数据。
7.可选的，如上任一所述的用于物联网网关的空压在线存储系统，其中，所述转换模块还设置有偏移指针，用于标记当前读取的数据段相对寄存器首地址的偏移量；各寄存器均分别在其首地址基础上根据同一偏移指针读出偏移量对应位置上所存储的数据段。
8.可选的，如上任一所述的用于物联网网关的空压在线存储系统，其中，所述寄存器组中至少设置有：用于存储信息帧中数据值的数据寄存器，以及用于存储信息帧中校验值的检验寄存器；所述检验寄存器中固定设置至少1bit作为模式标记；各数据寄存器统一根据所述模式标记切换其数据存储模式。
9.可选的，如上任一所述的用于物联网网关的空压在线存储系统，其中，各所述寄存器分别在第一种数据存储模式下按照如下方式存储各信息帧的数据段：在每个数据周期
内，直接存储首个信息帧中的相应数据段，而后根据信息帧的接收顺序，在相应的偏移量对应位置上分别存储后续各信息帧中的数据段与首个信息帧中数据段的异或结果。
10.可选的，如上任一所述的用于物联网网关的空压在线存储系统，其中，所述数据寄存器还在第二种数据存储模式下按照如下方式存储各信息帧的数据段：按照预设的数据周期，直接存储数据周期内首个信息帧中的数据值，而后根据信息帧的接收顺序，在各偏移量对应位置上分别存储后续各信息帧中数据值与首个信息帧中数据值的差值。
11.可选的，如上任一所述的用于物联网网关的空压在线存储系统，其中，各寄存器中偏移量对应的位置数量与数据周期内信息帧的数量对应一致；检验寄存器中固定设置其最高位作为模式标记；检验寄存器中校验值按照由寄存器低位至高位的顺序存储。
12.可选的，如上任一所述的用于物联网网关的空压在线存储系统，其中，当检验寄存器中模式标记设置为第一种数据存储模式时，所述转换模块：分别对各寄存器中存储的数据段及异或结果进行异或校验，获得待校验数据段；根据校验寄存器所获得的待校验数据段判断其他寄存器所获得的待校验数据段是否正确，判断校验正确时输出数据，判断校验错误时丢弃寄存器中当前数据周期内的数据。
13.可选的，如上任一所述的用于物联网网关的空压在线存储系统，其中，当检验寄存器中模式标记设置为第二种数据存储模式时，所述转换模块：对数据寄存器中存储的数据值及数据值的差值按照数据帧的接收顺序进行拼接，获得合并数据；分别对其他各寄存器中存储的数据段及异或结果进行异或校验，获得待校验数据段；根据校验寄存器所获得的待校验数据段判断其他寄存器所获得的待校验数据段以及合并数据首部的数据值是否正确，判断校验正确时输出数据，判断校验错误时丢弃寄存器中当前数据周期内的数据。
14.同时，为实现上述目的，本技术还提供一种物联网网关，用于在空压机与控制平台之间提供数据帧交互链路，其中各物联网关之间相互连接组网，各所述物联网网关中分别设置有如上任一所述的在线存储系统，由所述在线存储系统存储以转发下级各空压机或物联网关的信息帧。
15.可选的，如上任一所述的物联网网关，其中，各所述物联网网关之间按照如下方式组网交互：各网关利用其内部相互独立的寄存器组分别接收并存储各数据接口的信息帧，通过转换模块将各数据接口的信息帧转换为输出数据后，同步建立各输出数据中地址值与数据接口之间的映射关系，将输出数据上传至上一级网关或控制平台；在接收到上一级网关或控制平台下发的指令帧后，按照指令帧中地址值查找与之存在映射关系的数据接口，将指令帧下发至相应数据接口。
16.有益效果
17.本技术提供一种物联网网关以及用于该物联网网关的空压在线存储系统。本技术的各物联网网关在直接连接空压机或控制平台以外，还可分别通过其数据接口连接上下级物联网网关实现组网。组网时，各物联网网关可通过其内部的寄存器组分别缓存信息帧，并通过寄存器组中并列运行的各寄存器实现对信息帧中不同数据段的拼接或校验，而后再通过转换模块以并行的方式同时将各寄存器中数据段映射至输出数据通讯协议所需的形式。由此，本技术能够更为高效地兼容不同数据交互接口，通过网关的中转而灵活组网，以提高整个空压系统的运行效率和联动协作能力，确保各空压机安全运行以提高企业产线效率。
18.本技术可利用差错校验数据段存储空间中空余的高位空间设置模式标记，以灵活
标记寄存器中对数据段的不同压缩和拼接模式，适应不同的数据传输场景。对于对数据传输准确率要求更高的场景，本技术可在一个数据周期内采用冗余方式仅传输一个或有限的几个数据值，通过存储过程中对各数据段的异或校验以及转换模块依据校验码来对各数据段校验结果的二次校验，确定数据周期内的非法信号跳变，促使系统仅在能够确保数据准确的情况下才输出数据，以而提高数据传输过程的准确性。
19.对于数据传输量更大的应用场景，本技术还可通过模式标记，使得网关能够确定该数据帧中数据段的全部数据值对应的是一个数据周期内各数据值的变化状况，从而根据数据段中第一个完整的数据值作为基数，从后续以缩略方式填入数据段后续字节中的各增量或变化量而通过简单的加减运算获得完整数据周期内数据值的变化情况。考虑到数据周期内，设备的采样频率较高，各采样数据之间增减数值大小有限，因此，一般，可在输出数据的数据段中，在第一个完整采样值的存储字段之后，将每个存储字段分为高位低位两部分，在高低两部分分别存储连续的两个采样数据增量。由此，可将数据周期中各数据帧的数据段压缩至原先所需字长的一般进行传输，在节约数据周期内数据源地址、目标地址、供能码等统一信息所占的传输带宽的同时，提高上传的每一个数据帧所携带的信息量，从而适应空压机等工业化系统中高实时性、高精度要求的数据交互场景。
20.本技术创新性地将上述对数据的压缩和处理步骤放在接口寄存器硬件中实现，可通过简单的接口配置程序或驱动程序，实现对接口数据的高效压缩和高安全性的校验验证。通过接口程序或驱动程序配置的上述寄存器组，能够有效提高系统对空压机数据的吞吐量。并且，这种配置方式还方便直接利用烧录方式对现有网关接口进行升级。由此，本技术能够直接应用于现有网关中，对现有网关的吞吐量和数据校验过程进行升级，以获得更佳传输效果。
21.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。
附图说明
22.附图用来提供对本技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本技术的实施例一起，用于解释本技术，并不构成对本技术的限制。在附图中：
23.图1是本技术的物联网网关之间组网方式的示意图；
24.图2是本技术的物联网网关中空压在线存储系统的示意图。
具体实施方式
25.为使本技术实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本技术实施例的附图，对本技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
27.本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
28.本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
29.本技术中所述的“上、下”的含义指的是数据帧或指令帧交互时，由控制平台向空压机传输的方向即为下，由空压机向控制平台传输的方向即为上，而非对本技术的装置机构的特定限定。
30.图1为根据本技术的一种用于空压机的物联网关控制平台系统。该系统包括：
31.一个控制平台，用于接收并处理系统中各空压机的实时运行数据并根据系统运行状况实时向各空压机下达相应的控制指令；
32.若干物联网网关，各物联网关之间相互连接组网，用于在空压机与控制平台之间提供数据帧交互链路，以供上传空压机的实时运行数据并向相应空压机下达控制平台的控制指令。
33.本技术各物联网网关之间、各物联网关与空压机之间、各物联网关与控制平台之间可灵活地通过蓝牙、wifi、can总线、rs-485接口、modbus串行通信协议等各种方式灵活实现通讯连接以及信号交互。由于不同信号介质以及不同通讯协议下，交互过程中传输的数据帧的结构不尽相同，因此，为尽可能的适应更多传输方式，提高空压机数据交互过程中的传输效率和准确率，本技术还分别在各个物联网网关中设置有图2所示的线存储系统，以通过配合于网关中各个设备接口的寄存器组实现不同通讯协议之间数据内容的有效转换。
34.具体而言，本技术的各个物联网网关中可分别为其每一个设备接口设置如下的一组装置：
35.数据接口，用于接收设备接口输入的信息帧；
36.寄存器组，其根据数据接口所采用的协议类型设置有若干并列运行的寄存器，各寄存器分别根据协议所设定的信息帧结构存储信息帧中的不同数据段，且，各寄存器均设置为按照信息帧的接收顺序确定该信息帧中数据段存储地址的偏移量，将相同信息帧中的数据段存储在具有相同偏移量的地址上，并设置各寄存器中相同偏移位置上所存储的数据段同步存入同步读出；
37.转换模块，其同时读取各寄存器中相同偏移位置上所存储的数据段，根据输出数据所对应的协议类型要求对各数据段进行转换，将各数据段重新按照输出数据的协议类型排列，输出重新排列获得的输出数据。
38.由此，各网关可分别通过如下的方式实现不同设备接口之间的数据交互，从而通过网关之间的逐级转发，将空压机运行过程中实时的帧信息上传至控制平台，并相应接收、转发、下达控制平台对各个网关及空压机的控制指令。
39.下面先以系统内任一网关中的modbus协议数据接口向输出接口的can总线转发空压机的运行数据为例说明本技术中空压在线存储系统的具体运行过程，其他接口之间的数据转发过程与之类似：
40.在网关内部设置一个独立的寄存器组，并在该寄存器组中按照modbus协议的信息帧结构设置4个寄存器，分别用于独立存储modbus协议信息帧中的地址段、功能码、数据段以及校验值。
41.空压机或者下级网关所上传的数据帧被设备接口接收后先缓存至数据接口的存储单元中，然后依次由数据接口根据各数据帧的接收顺序，分别将各数据帧的地址值存入地址寄存器中、将数据帧的功能码存入功能码寄存器中、将数据帧的数据值存入数值寄存器中，将数据帧的校验值存入校验寄存器中。寄存器组中的上述4个寄存器在接收到第一个数据帧的相应数据段时先将该数据段存储在寄存器的首个地址上，然后将第二个数据帧的相应数据段存储在寄存器首地址之后的一个偏移地址上，将第三数据帧的相应数据段存储在寄存器再后一个偏移地址上，以此类推，直至寄存器存满或者系统需要直接根据现有一已存的各数据段进行转换。
42.转换过程中，转换模块同时读取上述4寄存器中相同偏移位置上所存储的数据段，根据输出数据所对应的协议类型要求分别对各数据段的数据进行转换，将各数据段重新按照输出数据的协议类型的要求进行排列，输出重新排列获得的输出数据，并同步建立该输出数据所对应的源地址值与数据接口或设备接口之间的映射关系，通过输出接口将输出数据上传至上一级网关或控制平台。
43.由于各网关分别在上传数据帧的过程中建立了数据帧来源地址与设备接口之间的映射关系，因此，各网关在接收到上一级网关或控制平台下发的指令帧后，可逆向按照指令帧中的目标地址值查找与该地址值之间存在映射关系的数据接口，从而将该指令帧下发至相应数据接口，使该接口所连网关能够继续根据内部形成的映射关系进一步将指令帧下达至下一级的相应网关中或下达至相应的空压机的设备接口。由此，本技术能够实现双向的数据交互。
44.上述数据交互过程中，考虑到寄存器各便宜位置上可能存储不同数据，为避免转换模块错误地将某个数据帧的地址值组合到其他数据帧的数据段，出现数据帧之间的混杂，本技术还可为寄存器组中的各寄存器统一配置具有全局权限的偏移指针。偏移指针由转换模块调取控制修改，能够标记转换模块当前读取的数据段相对寄存器首地址的偏移量。各寄存器在读写过程中均分别在其首地址的基础上根据该偏移指针所标记的偏移量确定当前需要读写的寄存器地址，从而相应读出偏移量对应位置上所存储的数据段，以分别对寄存器所存储的相应数据帧的数据进行转换。
45.考虑到工业总线中，常常在各数据帧之间采用冗余方式，通过连续发送若干重复的数据帧以避免传输信道中偶然的干扰信号造成数据帧比特跳转引起误读，本技术还可进一步通过寄存器预先对同一批次连续发送的若干相同数据帧进行一致性校验以节约转换模块的运算量。本技术可通过对寄存器的如下设置，仅利用转换模块进行一次转换即可获得准确的输出数据：
46.在连续发送的重复数据帧所对应的数据周期内，直接在各个寄存器中分别存储该数据周期内首个信息帧中的相应数据段，而后，根据数据周期内各信息帧的接收顺序，在各寄存器首地址之后的相应偏移量对应位置上依次存储数据周期内与该偏移量相对应的信息帧中的相应数据段的一致性校验结果。一致性校验结果可简易的通过将相应信息帧中的数据段与首个信息帧中的相同数据段进行异或计算获得：在两者数值相同时异或获得“0”结果，在两者数值不同时异或获得“1”结果。由此，可通过简单的异或计算确定同一数据周期内各信息帧中的相同数据段是否一致，并将一致性比对的结果直接标记在寄存器的偏移地址上。若后续各信息帧中的数据段均保持与数据周期内首个信息帧中的数据段一致，则
认为无干扰信号影响。此时，可通过转换模块的如下步骤获得输出数据：
47.分别对各寄存器中存储的数据段及异或结果进行异或校验，此时由于异或的数据都是“0”，可直接以寄存器首地址的数据层段作为待校验数据段；而后进一步根据校验寄存器中数值异或校验所获得的待校验数据段中的校验值是否符合设备接口通讯协议所约定的规则而判断其他寄存器所获得的待校验数据段是否正确。由此，在判断校验正确时可将若干重复冗余数据合并为一个输出数据，而在判断校验错误时可直接丢弃寄存器中当前数据周期内的数据，以待下一数据周期。
48.若后续各信息帧中的数据段中部分数据与数据周期内首个信息帧中的数据段不一致，则认为受到干扰信号影响。此时，可通过转换模块的以下步骤检测到数据错误避免错误数据继续上传转发：
49.分别对各寄存器中存储的数据段及异或结果进行异或校验，此时部分偏移位置上异或的数据存在“1”，可通过“1”与寄存器首地址的数据段之间的异或运算获得不同于原始数据层的校验数据段；而后进一步根据校验寄存器中通过上述数值异或校验所获得的待校验数据段中的校验值是否符合设备接口通讯协议所约定的规则而判断其他寄存器所获得的待校验数据段是否正确，从而在判断校验错误时直接丢弃寄存器中当前数据周期内的数据，以待下一数据周期。
50.类似的，考虑到工业总线中，各空压机需要连续监控其运行数据，链路中信息帧连续发送，相邻信息帧通常直接具有相同地址对应相同功能，仅在数据值上存在差别，各信息帧中存在大量冗余的地址值、功能值。因此，本技术还可通过如下的另一模式，寄存器预先对同一批次连续发送的若干相同数据帧进行差值标记，将若干连续数据帧合并缩写至同一输出数据中，以节约转换模块的运算量，减少数据链路中反复占空通讯贷款的冗余地址值、功能值。该另一模式可通过对寄存器的如下设置，仅利用转换模块进行一次转换即可拼接若干数据值获得输出数据：
51.在一个预设的数据周期内，直接在各个寄存器中分别存储该数据周期内首个信息帧中的相应数据段，而后，根据数据周期内各信息帧的接收顺序，在各寄存器首地址之后的相应偏移量对应位置上依次存储数据周期内与该偏移量相对应的信息帧中数据值与首个信息帧或前一个信息帧中数据值的差值。由此，获得连续数据帧中数据值相对第一个数据值的变化情况或相邻各数据值之间的递增递减情况。由于连续数据帧之间，间隔时间有限，数据值的变化量、数据值的递增递减量也有限，因此，可在转换模块中将数据值的变化量或数据值的递增递减量以缩略的形式拼接在数据周期首个数据帧之后，使同一数据周期内的各帧合并为同一个输出数据，以避免各单独转发后续各帧时输出数据之间地址值相同、功能码相同而造成的带宽资源浪费。
52.此模式下，所述转换模块可设置为按照如下方式实现对输出数据层的拼接压缩：对数据寄存器中存储的数据值及数据值的差值按照数据帧的接收顺序进行拼接，获得合并数据；分别对其他各寄存器中存储的数据段及异或结果进行异或校验，获得待校验数据段；根据校验寄存器所获得的待校验数据段判断其他寄存器所获得的待校验数据段以及合并数据首部的数据值是否正确，判断校验正确时输出数据，判断校验错误时丢弃寄存器中当前数据周期内的数据。
53.本技术的系统可进一步设置根据通讯链路数据传输的稳定性而灵活选用上述两
种方式存储数据值以实现高精度校验和大容量数据传输两种效果。
54.为区分上述两种不同的数据寄存器存储模式，本技术还可进一步在用于存储信息帧中校验值的检验寄存器中固定设置至少1bit作为模式标记。为避免对其他数据造成干扰，一般，本技术可将该作为模式标记的比特固定设置在检验寄存器中最高位。检验寄存器中原本需要存储的校验值可按照由寄存器低位至高位的顺序，逐步向高位填充，以避免影响对模式标记的存储与识别。
55.该模式标记可在转换模块因校验出错放弃若干输出数据后自动触发由第二模式调整至前述的第一模式，以通过冗余的数据值异或校验避免数据被干扰发生比特跳转；该模式标记也可在转换模块连续若干次均未因为校验出错放弃输出数据后自动触发由第一模式调整为能够压缩更多数据值提高传输效率的第二模式。
56.一般，为避免各接口寄存器过分占用系统资源，可设置各寄存器中最大偏移量所对应的存储位置总数量与系统的一个数据周期内连续发送的信息帧的数量对应一致。或者，也可以设置各寄存器中最大偏移量所对应的存储位置总数量与系统的一个数据周期内连续发送的信息帧的数量成整倍。在存储位置总数成整倍的状况下，可设置若干转换模块同步对不同数据周期内的连续数据帧进行协议转换，以有效提高输出数据效率。
57.寄存器组中各寄存器可设置为fifo存储器以方便按照数据帧的发送顺序进行存储并方便按照相同的顺序读取数据。
58.以上仅为本技术的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本技术的保护范围。