本實(shí)用新型涉及一種網(wǎng)關(guān)技術(shù)，具體地說是一種多態(tài)智能嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

智能多態(tài)無線互連嵌入式系統(tǒng)是多種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的綜合應(yīng)用，主機(jī)可以展示在不同網(wǎng)絡(luò)下，通過觸摸屏操作收發(fā)數(shù)據(jù)包并解析顯示的效果，提供以太網(wǎng)或者自定義網(wǎng)絡(luò)的功能。

通常計算機(jī)組網(wǎng)的傳輸媒介主要依賴銅纜或光纜，構(gòu)成有線網(wǎng)絡(luò)。但有線網(wǎng)絡(luò)在某些場合要受到布線的限制：布線、改線工程量大；線路容易損壞；網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)不可移動；特別是當(dāng)要把相離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)連接起來時，敷設(shè)專用通信線路的布線施工難度大、費(fèi)用高、耗時長，對正在迅速擴(kuò)大的聯(lián)網(wǎng)需求形成了嚴(yán)重的瓶頸阻塞。無線網(wǎng)絡(luò)就是解決有線網(wǎng)絡(luò)以上問題而出現(xiàn)的。由于環(huán)境及傳輸數(shù)據(jù)的不同，需要采用不同的無線網(wǎng)絡(luò)，比如近距離低速的RF射頻網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)，紅外網(wǎng)絡(luò)等以有及遠(yuǎn)距離的GPRS網(wǎng)絡(luò)。

同時，信息的采集采用傳統(tǒng)的隔離辦法即通過光耦等分立完件，對信號影響比較大，傳輸速度慢。

當(dāng)一個網(wǎng)關(guān)同時采集多個不同協(xié)議計量儀表信號時，由于目前采集方式單一，不適應(yīng)需要同時采集多種數(shù)據(jù)協(xié)議和信號的實(shí)際情況，同時現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)不能本地顯示數(shù)據(jù)，不能本地動態(tài)配置各輸入輸出模塊的信號形式，通用性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中一個網(wǎng)關(guān)不適應(yīng)同時采集多個不同協(xié)議計量儀表信號等不足，本實(shí)用新型要解決的問題是提供一種可選擇通過有線和無線發(fā)送、并且可以在本地查閱數(shù)據(jù)及本地動態(tài)配置輸入輸出模塊的多態(tài)智能嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

本實(shí)用新型一種多態(tài)智能嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，具有主控模塊、采集控制模塊、各類采集模塊、發(fā)送控制模塊、觸摸屏，其中主控模塊接收觸摸屏信號，通過采集控制模塊接收各類采集模塊的數(shù)據(jù)，通過發(fā)送控制模塊分別與無線發(fā)送模塊、以太網(wǎng)模塊以及GPRS發(fā)送模塊連接。

所述采集控制模塊具有第一多路轉(zhuǎn)換子模塊和第一輸出子模塊，第一多路轉(zhuǎn)換子模塊接收主控模塊的控制指令，第一多路轉(zhuǎn)換子模塊的多個接口分別接有不同的采集模塊，第一輸出子模塊接收主控模塊的配置信息，配置成不同的輸出模式。

采集控制模塊的控制端與采集端通過隔離耦合電感完全隔離。

發(fā)送控制模塊具有第二多路轉(zhuǎn)換子模塊和第二輸出子模塊，第二多路轉(zhuǎn)換子模塊接收主控模塊的控制指令，第二多路轉(zhuǎn)換子模塊的多個接口分別接至無線發(fā)送模塊、以太網(wǎng)模塊以及GPRS發(fā)送模塊，第二輸出子模塊接收主控模塊的配置信息，配置成不同的輸出模式。

主控模塊采用具有內(nèi)部多路交叉開關(guān)的MCU。

本實(shí)用新型還具有無線WIFI接收模塊、無線WIFI發(fā)送模塊以及手持機(jī)，其中無線WIFI接收模塊與采集控制模塊連接，無線WIFI發(fā)送模塊與發(fā)送控制模塊連接，手持機(jī)與無線WIFI接收模塊、無線WIFI發(fā)送模塊進(jìn)行無線通訊連接。

各類采集模塊包括RS232采集模塊、RS485采集模塊、RS422采集模塊以及RF433M無線采集模塊，其中RS232采集模塊通過收發(fā)器模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，RS485采集模塊和RS422采集模塊的采集信號通過隔離差分模塊產(chǎn)生差分信號；每組信號均采用DC-DC電源進(jìn)行隔離。

本實(shí)用新型具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

1.本實(shí)用新型一個網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)同時采集多個不同協(xié)議計量儀表信號，選擇通過有線和無線發(fā)送出去，并且可以在本地查閱數(shù)據(jù)。

2.本實(shí)用新型用于不同類型交換系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)間連接，采用基于MCU的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用模塊化思想，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)硬件和軟件框架；實(shí)現(xiàn)設(shè)備描述信息和數(shù)據(jù)處理規(guī)則的動態(tài)添加，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的通用性。

3.本實(shí)用新型由于數(shù)據(jù)采集接口網(wǎng)關(guān)采用了內(nèi)置單向數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可達(dá)到自動化控制系統(tǒng)和實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的安全隔離目的。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本實(shí)用新型中采集控制模塊輸出框圖；

圖3為本實(shí)用新型中多路轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型中MCU微處理器模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型中RS232通訊模塊電氣原理圖；

圖6為本實(shí)用新型中RS422/RS485通訊模塊電氣原理圖；

圖7為本實(shí)用新型應(yīng)用實(shí)例示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

如圖1所示，本實(shí)用新型多態(tài)智能嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，具有主控模塊、采集控制模塊、各類采集模塊、發(fā)送控制模塊、觸摸屏，其中主控模塊接收觸摸屏信號，通過采集控制模塊接收各類采集模塊的數(shù)據(jù)，通過發(fā)送控制模塊分別與無線發(fā)送模塊、以太網(wǎng)模塊以及GPRS發(fā)送模塊連接。

所述采集控制模塊具有第一多路轉(zhuǎn)換子模塊和第一輸出子模塊，第一多路轉(zhuǎn)換子模塊接收主控模塊的控制指令，第一多路轉(zhuǎn)換子模塊的多個接口分別接有不同的采集模塊，第一輸出子模塊接收主控模塊的配置信息，配置成不同的輸出模式。采集控制模塊的控制端與采集端通過隔離耦合電感完全隔離。

發(fā)送控制模塊具有第二多路轉(zhuǎn)換子模塊和第二輸出子模塊，第二多路轉(zhuǎn)換子模塊接收主控模塊的控制指令，第二多路轉(zhuǎn)換子模塊的多個接口分別接至無線發(fā)送模塊、以太網(wǎng)模塊以及GPRS發(fā)送模塊，第二輸出子模塊接收主控模塊的配置信息，配置成不同的輸出模式。

主控模塊采用具有內(nèi)部多路交叉開關(guān)的MCU。

本實(shí)施例中，各類采集模塊包括RS232采集模塊、RS485采集模塊、RS422采集模塊以及無線采集模塊，其中RS232采集模塊通過收發(fā)器模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，RS485采集模塊和RS422采集模塊的采集信號通過隔離差分模塊ADM2484E產(chǎn)生差分信號；每組信號均采用DC-DC電源進(jìn)行隔離。

本實(shí)用新型中的主控模塊以16位單片機(jī)PIC33FJ12MC804為控制核心，對于采集信號的輸入，每種總線接口對應(yīng)一路芯片內(nèi)部UART,可單獨(dú)產(chǎn)生中斷，每個輸入可以是不同的信號形式，不同的通訊協(xié)議。對于輸出信號，可選擇有線或無線方式，通過本地LCD觸摸屏設(shè)置。

輸入信號分有RS232、RS485、RS422以及RF433M信號，RS232信號通過低功率傳送器及接收器MAX3232ESE(利用雙電荷泵在3.0V至5.5V電源供電時能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS-232性能)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和相互隔離性，每組信號輸入均采用隔離DC-DC電源進(jìn)行隔離。RS485/RS422信號采用專用隔離差分芯片ADM2484E產(chǎn)生差分信號。RF433M信號采用專用的無線采集模塊。LCD采用串口觸屏顯示屏，分辨率為800*600，可預(yù)先存儲圖片進(jìn)行動畫編輯等。

采集控制模塊控制端與采集端完全隔離，傳統(tǒng)隔離辦法采用光耦等分立完件，對信號影響比較大，傳輸速度慢。本實(shí)用新型采用隔離耦合電感(如圖5中，RS232通訊模塊采用ADUM1201隔離芯片進(jìn)行信號的隔離輸入，該芯片的作用相當(dāng)于同一閉合磁路中的兩個電感線圈)，對信號影響小，傳輸速度快。

如圖2所示，為數(shù)據(jù)采集控制模塊輸出框圖，通過MCU可以配置成不同的輸出模式。如圖3所示，為多路轉(zhuǎn)換模塊，通過R1RXR控制輸入模塊通道，實(shí)現(xiàn)多通道智能控制。

本實(shí)用新型中，發(fā)送控制模塊使用類擬于輸入采集控制模塊方案，也經(jīng)MCU內(nèi)部多路開關(guān)切換到需要輸出的通道，通過通道配置位智能控制輸出模式。發(fā)送控制模塊具有第二多路轉(zhuǎn)換子模塊和第二輸出子模塊，第二多路轉(zhuǎn)換子模塊接收主控模塊的控制指令，第二多路轉(zhuǎn)換子模塊的多個接口分別接至無線發(fā)送模塊、以太網(wǎng)模塊以及GPRS發(fā)送模塊，第二輸出子模塊接收主控模塊的配置信息，配置成不同的輸出模式。

數(shù)據(jù)采集冗余設(shè)計。過濾重復(fù)冗余數(shù)據(jù)，通過觸摸屏進(jìn)行模塊切換肯查看實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸流。通用數(shù)據(jù)包頭、尾，將數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)驗(yàn)證冗余后打包。

如圖4所示，微處理器采用PIC系列16位單片機(jī)，dsPIC33FJ128MC804采用16位(數(shù)據(jù))的改進(jìn)型哈佛架構(gòu)，具有增強(qiáng)指令集，其中包括對DSP的強(qiáng)大支持。本實(shí)用新型采用MCU內(nèi)部多路交叉開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換，使控制器更靈活，影響速度更高。

電源模塊包括5V接口電源和3V系統(tǒng)電源，5V接口電源與外界供電隔離，抗干攏能力強(qiáng)，對外界電源影響小。

無線采集模塊RF433為專用通訊模塊，與微處理器通過UART交換數(shù)據(jù)。M0,M1選擇模塊的工作方式，模塊基于SEMTECH公司進(jìn)口芯片SX1278的無線透明傳輸模塊，收發(fā)一體，采用先進(jìn)的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，傳輸距離與穿透能力比傳統(tǒng)FSK提升1倍以上，同時使用FEC前向糾錯算法，能主動糾正被干擾數(shù)據(jù)包，使通訊距離更遠(yuǎn)，搞干擾能力更強(qiáng)，具有空中喚醒功能。

如圖5所示，RS232采集模塊通訊芯片通過磁隔離芯片ADUM1201與系統(tǒng)隔離，使系統(tǒng)與通訊完全隔離，速度快，延時小，提高通訊的穩(wěn)定性，降低對傳統(tǒng)設(shè)備的影響。

如圖6所示，RS422采集模塊它定義了接口電路的特性。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點(diǎn)，最多可接256個節(jié)點(diǎn)。RS422支持點(diǎn)對多的雙向通信。

RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一對單獨(dú)的雙絞線)。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1219米)，最大傳輸速率為10Mb/s。RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。

傳統(tǒng)無線網(wǎng)關(guān)只是固定信號輸入，固定解碼方式，這在現(xiàn)場應(yīng)用中很不方便。本實(shí)用新型突破傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的限制，配有本地觸摸屏人機(jī)操作接口，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場配置總線接口，通訊協(xié)議等。

同時，本實(shí)用新型還具有無線WIFI接收模塊、無線WIFI發(fā)送模塊以及手持機(jī)，其中無線WIFI接收模塊與采集控制模塊連接，無線WIFI發(fā)送模塊與發(fā)送控制模塊連接，手持機(jī)與無線WIFI接收模塊、無線WIFI發(fā)送模塊進(jìn)行無線通訊連接。

手持機(jī)能夠無線發(fā)送指令，顯示接收內(nèi)容。手持機(jī)連接無線WIFI，通過APP軟件發(fā)送操作指令，由服務(wù)器發(fā)送給無線WIFI接收模塊。無線WIFI發(fā)送模塊可以將命令反饋內(nèi)容發(fā)送到服務(wù)器，手持APP軟件顯示反饋信息內(nèi)容。這樣，本實(shí)用新型還可以通過手持機(jī)(如手持APP軟件安裝的手機(jī))實(shí)現(xiàn)配置總線接口、通訊協(xié)議等，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的采集、傳輸，極大方便了用戶。

如圖7所示，在某廠火車裝卸站，所有儀表計量數(shù)據(jù)均為操作室本地顯示，沒有進(jìn)入數(shù)據(jù)管理中心，不能統(tǒng)一管理、綜合應(yīng)用。由于火車裝卸站操作室內(nèi)距離數(shù)據(jù)管理中心較遠(yuǎn)，施工布線困難，為解決上述問題，在火車裝卸站操作室內(nèi)，依據(jù)就近原則配置5臺多態(tài)智能嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，每臺通過RS485連接1臺流量計，通過RS422連接1臺大口徑流量計，通過RF433連接1臺密度表，通過RS232連接1臺壓力計，5臺網(wǎng)關(guān)共計連接了20個不同協(xié)議、不同接口的儀表，最后將所有儀表的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)裝和卸的同步更新，便于管理，提高工作效率。

多態(tài)智能網(wǎng)關(guān)用于對廠區(qū)公用工程計量儀表遠(yuǎn)程集中管理、綜合監(jiān)控，根據(jù)廠區(qū)應(yīng)用實(shí)際情況采用433Mhz、2.4G、GPRS多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)火車裝卸站、汽車衡、物料包裝生產(chǎn)線和裝車的實(shí)時監(jiān)測。公用工程管理部應(yīng)用本系統(tǒng)之后，實(shí)時監(jiān)測火車裝卸站36個流量計、2個汽車衡、1個軌道衡，取得了良好的應(yīng)用效果。

所有數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器平臺，實(shí)現(xiàn)裝和卸的同步更新，便于管理，提高工作效率。

本實(shí)用新型用于不同類型交換系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)間連接，基于MCU的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用模塊化思想構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)硬件和軟件框架；實(shí)現(xiàn)設(shè)備描述信息和數(shù)據(jù)處理規(guī)則的動態(tài)添加，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的通用性。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集接口網(wǎng)關(guān)為實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供實(shí)時數(shù)據(jù)時，它一般位于自動化控制系統(tǒng)和實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間，由于數(shù)據(jù)采集接口網(wǎng)關(guān)采用了內(nèi)置單向數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可達(dá)到自動化控制系統(tǒng)和實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的安全隔離目的。

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊接口：可連接DCS、PLC等控制系統(tǒng)，讀寫實(shí)時數(shù)據(jù)，包裝成OPC Server標(biāo)準(zhǔn)接口，提供給實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)和MES系統(tǒng)集成商。