一种多态智能嵌入式网关系统的制作方法

本实用新型涉及一种网关技术，具体地说是一种多态智能嵌入式网关系统。

背景技术：

智能多态无线互连嵌入式系统是多种无线网络传输方式的综合应用，主机可以展示在不同网络下，通过触摸屏操作收发数据包并解析显示的效果，提供以太网或者自定义网络的功能。

通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线网络。但有线网络在某些场合要受到布线的限制：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网络中的各节点不可移动；特别是当要把相离较远的节点连接起来时，敷设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长，对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞。无线网络就是解决有线网络以上问题而出现的。由于环境及传输数据的不同，需要采用不同的无线网络，比如近距离低速的RF射频网络，GPRS网络，红外网络等以有及远距离的GPRS网络。

同时，信息的采集采用传统的隔离办法即通过光耦等分立完件，对信号影响比较大，传输速度慢。

当一个网关同时采集多个不同协议计量仪表信号时，由于目前采集方式单一，不适应需要同时采集多种数据协议和信号的实际情况，同时现有网关不能本地显示数据，不能本地动态配置各输入输出模块的信号形式，通用性差。

技术实现要素：

针对现有技术中一个网关不适应同时采集多个不同协议计量仪表信号等不足，本实用新型要解决的问题是提供一种可选择通过有线和无线发送、并且可以在本地查阅数据及本地动态配置输入输出模块的多态智能嵌入式网关系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型一种多态智能嵌入式网关系统，具有主控模块、采集控制模块、各类采集模块、发送控制模块、触摸屏，其中主控模块接收触摸屏信号，通过采集控制模块接收各类采集模块的数据，通过发送控制模块分别与无线发送模块、以太网模块以及GPRS发送模块连接。

所述采集控制模块具有第一多路转换子模块和第一输出子模块，第一多路转换子模块接收主控模块的控制指令，第一多路转换子模块的多个接口分别接有不同的采集模块，第一输出子模块接收主控模块的配置信息，配置成不同的输出模式。

采集控制模块的控制端与采集端通过隔离耦合电感完全隔离。

发送控制模块具有第二多路转换子模块和第二输出子模块，第二多路转换子模块接收主控模块的控制指令，第二多路转换子模块的多个接口分别接至无线发送模块、以太网模块以及GPRS发送模块，第二输出子模块接收主控模块的配置信息，配置成不同的输出模式。

主控模块采用具有内部多路交叉开关的MCU。

本实用新型还具有无线WIFI接收模块、无线WIFI发送模块以及手持机，其中无线WIFI接收模块与采集控制模块连接，无线WIFI发送模块与发送控制模块连接，手持机与无线WIFI接收模块、无线WIFI发送模块进行无线通讯连接。

各类采集模块包括RS232采集模块、RS485采集模块、RS422采集模块以及RF433M无线采集模块，其中RS232采集模块通过收发器模块进行电平转换，RS485采集模块和RS422采集模块的采集信号通过隔离差分模块产生差分信号；每组信号均采用DC-DC电源进行隔离。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型一个网关系统同时采集多个不同协议计量仪表信号，选择通过有线和无线发送出去，并且可以在本地查阅数据。

2.本实用新型用于不同类型交换系统网络间连接，采用基于MCU的嵌入式系统结构，采用模块化思想，构建数据采集网关硬件和软件框架；实现设备描述信息和数据处理规则的动态添加，增强数据采集网关的通用性。

3.本实用新型由于数据采集接口网关采用了内置单向数据传输技术，可达到自动化控制系统和实时数据库服务器之间的安全隔离目的。

附图说明

图1为本实用新型结构框图；

图2为本实用新型中采集控制模块输出框图；

图3为本实用新型中多路转换模块结构示意图；

图4为本实用新型中MCU微处理器模块结构示意图；

图5为本实用新型中RS232通讯模块电气原理图；

图6为本实用新型中RS422/RS485通讯模块电气原理图；

图7为本实用新型应用实例示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本实用新型多态智能嵌入式网关系统，具有主控模块、采集控制模块、各类采集模块、发送控制模块、触摸屏，其中主控模块接收触摸屏信号，通过采集控制模块接收各类采集模块的数据，通过发送控制模块分别与无线发送模块、以太网模块以及GPRS发送模块连接。

所述采集控制模块具有第一多路转换子模块和第一输出子模块，第一多路转换子模块接收主控模块的控制指令，第一多路转换子模块的多个接口分别接有不同的采集模块，第一输出子模块接收主控模块的配置信息，配置成不同的输出模式。采集控制模块的控制端与采集端通过隔离耦合电感完全隔离。

发送控制模块具有第二多路转换子模块和第二输出子模块，第二多路转换子模块接收主控模块的控制指令，第二多路转换子模块的多个接口分别接至无线发送模块、以太网模块以及GPRS发送模块，第二输出子模块接收主控模块的配置信息，配置成不同的输出模式。

主控模块采用具有内部多路交叉开关的MCU。

本实施例中，各类采集模块包括RS232采集模块、RS485采集模块、RS422采集模块以及无线采集模块，其中RS232采集模块通过收发器模块进行电平转换，RS485采集模块和RS422采集模块的采集信号通过隔离差分模块ADM2484E产生差分信号；每组信号均采用DC-DC电源进行隔离。

本实用新型中的主控模块以16位单片机PIC33FJ12MC804为控制核心，对于采集信号的输入，每种总线接口对应一路芯片内部UART,可单独产生中断，每个输入可以是不同的信号形式，不同的通讯协议。对于输出信号，可选择有线或无线方式，通过本地LCD触摸屏设置。

输入信号分有RS232、RS485、RS422以及RF433M信号，RS232信号通过低功率传送器及接收器MAX3232ESE(利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能)进行电平转换。为保证系统的稳定性和相互隔离性，每组信号输入均采用隔离DC-DC电源进行隔离。RS485/RS422信号采用专用隔离差分芯片ADM2484E产生差分信号。RF433M信号采用专用的无线采集模块。LCD采用串口触屏显示屏，分辨率为800*600，可预先存储图片进行动画编辑等。

采集控制模块控制端与采集端完全隔离，传统隔离办法采用光耦等分立完件，对信号影响比较大，传输速度慢。本实用新型采用隔离耦合电感(如图5中，RS232通讯模块采用ADUM1201隔离芯片进行信号的隔离输入，该芯片的作用相当于同一闭合磁路中的两个电感线圈)，对信号影响小，传输速度快。

如图2所示，为数据采集控制模块输出框图，通过MCU可以配置成不同的输出模式。如图3所示，为多路转换模块，通过R1RXR控制输入模块通道，实现多通道智能控制。

本实用新型中，发送控制模块使用类拟于输入采集控制模块方案，也经MCU内部多路开关切换到需要输出的通道，通过通道配置位智能控制输出模式。发送控制模块具有第二多路转换子模块和第二输出子模块，第二多路转换子模块接收主控模块的控制指令，第二多路转换子模块的多个接口分别接至无线发送模块、以太网模块以及GPRS发送模块，第二输出子模块接收主控模块的配置信息，配置成不同的输出模式。

数据采集冗余设计。过滤重复冗余数据，通过触摸屏进行模块切换肯查看实时数据传输流。通用数据包头、尾，将数据有效数据验证冗余后打包。

如图4所示，微处理器采用PIC系列16位单片机，dsPIC33FJ128MC804采用16位(数据)的改进型哈佛架构，具有增强指令集，其中包括对DSP的强大支持。本实用新型采用MCU内部多路交叉开关代替传统的模拟开关转换，使控制器更灵活，影响速度更高。

电源模块包括5V接口电源和3V系统电源，5V接口电源与外界供电隔离，抗干拢能力强，对外界电源影响小。

无线采集模块RF433为专用通讯模块，与微处理器通过UART交换数据。M0,M1选择模块的工作方式，模块基于SEMTECH公司进口芯片SX1278的无线透明传输模块，收发一体，采用先进的LoRa扩频技术，传输距离与穿透能力比传统FSK提升1倍以上，同时使用FEC前向纠错算法，能主动纠正被干扰数据包，使通讯距离更远，搞干扰能力更强，具有空中唤醒功能。

如图5所示，RS232采集模块通讯芯片通过磁隔离芯片ADUM1201与系统隔离，使系统与通讯完全隔离，速度快，延时小，提高通讯的稳定性，降低对传统设备的影响。

如图6所示，RS422采集模块它定义了接口电路的特性。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接256个节点。RS422支持点对多的双向通信。

RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)。RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1219米)，最大传输速率为10Mb/s。RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

传统无线网关只是固定信号输入，固定解码方式，这在现场应用中很不方便。本实用新型突破传统网关的限制，配有本地触摸屏人机操作接口，可实现现场配置总线接口，通讯协议等。

同时，本实用新型还具有无线WIFI接收模块、无线WIFI发送模块以及手持机，其中无线WIFI接收模块与采集控制模块连接，无线WIFI发送模块与发送控制模块连接，手持机与无线WIFI接收模块、无线WIFI发送模块进行无线通讯连接。

手持机能够无线发送指令，显示接收内容。手持机连接无线WIFI，通过APP软件发送操作指令，由服务器发送给无线WIFI接收模块。无线WIFI发送模块可以将命令反馈内容发送到服务器，手持APP软件显示反馈信息内容。这样，本实用新型还可以通过手持机(如手持APP软件安装的手机)实现配置总线接口、通讯协议等，实现各类数据的采集、传输，极大方便了用户。

如图7所示，在某厂火车装卸站，所有仪表计量数据均为操作室本地显示，没有进入数据管理中心，不能统一管理、综合应用。由于火车装卸站操作室内距离数据管理中心较远，施工布线困难，为解决上述问题，在火车装卸站操作室内，依据就近原则配置5台多态智能嵌入式网关系统，每台通过RS485连接1台流量计，通过RS422连接1台大口径流量计，通过RF433连接1台密度表，通过RS232连接1台压力计，5台网关共计连接了20个不同协议、不同接口的仪表，最后将所有仪表的数据通过GPRS发送到远程网络监控端，实现装和卸的同步更新，便于管理，提高工作效率。

多态智能网关用于对厂区公用工程计量仪表远程集中管理、综合监控，根据厂区应用实际情况采用433Mhz、2.4G、GPRS多种网络协议，实现火车装卸站、汽车衡、物料包装生产线和装车的实时监测。公用工程管理部应用本系统之后，实时监测火车装卸站36个流量计、2个汽车衡、1个轨道衡，取得了良好的应用效果。

所有数据上传至服务器平台，实现装和卸的同步更新，便于管理，提高工作效率。

本实用新型用于不同类型交换系统网络间连接，基于MCU的嵌入式系统结构，采用模块化思想构建数据采集网关硬件和软件框架；实现设备描述信息和数据处理规则的动态添加，增强数据采集网关的通用性。

当数据采集接口网关为实时数据库系统提供实时数据时，它一般位于自动化控制系统和实时数据库服务器之间，由于数据采集接口网关采用了内置单向数据传输技术，可达到自动化控制系统和实时数据库服务器之间的安全隔离目的。

工业标准通讯接口：可连接DCS、PLC等控制系统，读写实时数据，包装成OPC Server标准接口，提供给实时数据库系统、先进控制系统和MES系统集成商。