一种具有物联功能的仪表接口系统的制作方法

本发明属于物联网技术领域，特别涉及一种具有物联功能的仪表接口系统。

背景技术：

随着d2d技术，“工业4.0”和国家“互联网+”行动计划的提出，物联网、云计算与大数据等新一代信息技术逐步融合到了一起，使人类的生产、生活和社会活动通过无处不在的网络联系在一起。物联网是继计算机、互联网之后信息技术的第三次革命，受到世界各国政府、企业和学术界的高度重视。无线传感器网络(wirelesssensornetworks,wsns)作为物联网的“末梢神经”，综合了信息感知、无线通信、分布式信息处理等技术，实现物理世界、计算世界和人类社会三元世界的互联互通。同时，wsns作为物联网推广的重要载体、未来延伸internet覆盖范围和实现普适计算的一项关键技术，得到国家、社会和学术界广泛重视。目前wsns的应用主要集中在军事、环境监测、安防监控、智能家居、灾难现场搜救等领域，特别是在一些人类无法到达或无法工作的恶劣环境下，可以代替人类收集、传递和处理需要的信息。无线传感器网络技术的研究、开发和应用，关系到国家安全、经济发展、社会建设等各个重大方面，近年来在国内和国际上引起了广泛的重视和投入。

5g技术的加速推进，使得窄带物联网(narrowbandinternetofthings，nb-iot)已成为万物互联网络的一个重要分支。2018年12月7日，工业和信息化部许可中国电信、中国移动、中国联通自通知日至2020年6月30日在全国开展第五代移动通信系统试验。2019年3月30日，首个行政区域5g网络在上海建成并开始试用,同时拨通了首个5g手机通话，上海计划年内将建成超过1万个5g基站，到2021年全市将累计建设超过3万个5g基站，实现5g网络深度覆盖，将再一次掀起基于nb-iot的无线传感网络的研究浪潮。nb-iot是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术，为万物互联提供了更便利的连接方式。

目前，基于nb-iot的物联网技术存在一些部署难题。一方面，具有物联功能的接口模块大部分只针对某一结构类型的物联网仪表，导致传统的各类仪表的通信接口、通信协议相互之间都不统一；另一方面，目前针对数据量较小的物联网感知节点，其数据安全问题和功耗问题一直没有得到重视，数据安全问题和功耗问题也亟待解决。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明设计了一种具有物联功能的仪表接口系统，其包括多个开放便捷的仪表接口，使得多个节点能够快速便捷地接入物联网平台；同时采用轻量级加密算法，可以保证数据安全；通过升级模块也可实现物联网节点的远程故障诊断及固件升级。

根据本发明的一方面，提供了一种具有物联功能的仪表接口系统，包括低功耗微控制器以及与所述低功耗微控制器相连的nb-iot模块、升级模块和仪表接口模块，所述仪表接口模块包括0～24v电压接口、4～20ma电流接口、0～100khz频率接口、10us以上脉冲接口、usb/uart接口、rs485接口、rs422接口、spi接口、i²c接口、rs232接口、0～100kω电阻接口和开关量接口。

所述低功耗微控制器接收各仪表接口的数据，并通过轻量级数据加密算法对接收数据进行实时加密，然后通过所述nb-iot模块将加密数据发送到云端服务器；并且，所述低功耗微控制器对从云端服务器发送到所述nb-iot模块的数据进行解析，然后向各仪表接口下发控制指令，

所述升级模块用于接收远程固件升级信息，所述低功耗微控制器和具有modbus接口且支持在线升级的仪表通过所述升级模块进行内部程序的远程升级。

在一些实施方式中，所述轻量级数据加密算法可以包括步骤：利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥对m个明文块逐块加密以得到相应的m个密文块；利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥的前n个字节与剩余的n个字节的明文块异或，得到n个字节的尾密文；依次将密文块与尾密文合并，得到与明文长度相等的密文。

在一些实施方式中，所述升级模块可以使用ota(overtheairtechnology)空中下载技术。ota主要分为2个阶段：下载和升级，其中下载阶段是基于lwm2m(lightweightmachine-to-machine)管理整个升级流程，升级阶段是基于差分、全镜像方案进行flash刷新系统架构分析。

本发明的有益效果：

1)将涵盖了市面上绝大部分仪表的通讯接口集成到一个接口模块中，并利用nb-iot模块将各类仪表接入物联网平台，形成了一种具备物联功能的便携式仪表接口模块系统，其涵盖了市面上绝大部分传统仪表的通讯接口，从而方便了各类仪表接入互联网、降低了研发成本。此外，由于本发明涵盖了市面上绝大部分仪表接口，老旧设备只要具有本发明支持的仪表接口，将本发明通过仪表接口与老旧设备相接即可完成老旧设备物联网化的改造，从而也可提高老旧设备的改造效率，亦不需要额外对仪表进行改造施工。

2)实现了兼容0～24v电压(含±10v、±5v、±2.5v量程)、4～20ma电流、0～100khz频率、10us以上脉冲、usb/uart、rs485、rs422、spi、i²c、rs232(含uart)、0～100kω电阻、开关量共12种类型的仪表传感器输出接口的标准仪表的物联网通讯与远程故障诊断(仅限modbus接口的仪表)。

3)通过轻量级数据加密算法对接收数据进行实时加密，保障了数据的安全。

4)利用升级模块实现了具有modbus接口且支持在线升级的仪表的升级。

5)采用嵌入式低功耗微处理器，功耗低、成本低、体积小并且方便使用。

6)低功耗微控制器内部对各个仪表接口进行了适配优化，微控制器内部程序可以自动识别接入本发明的仪表的接口类型，并选择适配相应的通信协议，实现仪表的物联网功能，实现即插即用；并且可避免仪表接入互联网的二次开发，从而节约了开发成本及时间。

附图说明

图1为本发明的具有物联功能的仪表接口系统的结构框图；

图2为本发明的轻量级数据加密算法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本发明的具有物联功能的仪表接口系统，包括嵌入式低功耗微控制器以及与其相连的nb-iot模块、ota升级模块和仪表接口模块。其中，仪表接口模块包括0～24v电压接口、4～20ma电流接口、0～100khz频率接口、10us以上脉冲接口、usb/uart接口、rs485接口、rs422接口、spi接口、i²c接口、rs232接口、0～100kω电阻接口和开关量接口。本发明提供多种标准仪表的接口，可以实现多数传统仪表的便携式物联网升级改造，降低研发成本。

低功耗微控制器用于控制整个系统的运行，本发明通过对低功耗微控制器的内部程序优化，对微控制器的各个引脚进行相应配置，可以进一步降低低功耗微控制器的功耗，使得其闲时电流小于0.1ma。在工作状态下，一方面，低功耗微控制器接收各仪表接口的数据，并通过轻量级数据加密算法对接收数据进行实时加密，保证数据的安全性，然后通过nb-iot模块将加密数据发送到云端服务器。另一方面，云端服务器也能下发数据到nb-iot模块，低功耗微控制器解析nb-iot模块接收到的数据，再通过各个仪表通讯接口，将控制指令下发到仪表，双向的数据交互，可以实现仪表的远程故障诊断，实现设备的24小时在线。

特别地，低功耗微控制器和具有modbus接口且支持在线升级的仪表可以通过升级模块进行内部程序的远程升级。在本实施例中，升级模块可以使用ota空中下载技术，其主要分为2个阶段：下载和升级，其中下载阶段是基于lwm2m管理整个升级流程，升级阶段是基于差分、全镜像方案进行flash刷新系统架构分析。

如图2所示，本发明的轻量级数据加密算法可以包括步骤：利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥对m个明文块逐块加密以得到相应的m个密文块；利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥的前n个字节与剩余的n个字节的明文块异或，得到n个字节的尾密文；依次将密文块与尾密文合并，得到与明文长度相等的密文。此基于公网的小数据加密方法，使得数据安全性更高。

本发明的物联网功能仪表接口系统体积小、功耗低，涵盖了市面上绝大部分仪表的通讯接口，方便各类仪表接入互联网；微控制器内部对各个仪表接口进行了适配优化，微控制器内部程序可以自动识别接入本发明的仪表的接口类型，并选择适配相应的通信协议，实现仪表的物联网功能，实现即插即用；并且可避免仪表接入互联网的二次开发，从而节约了开发成本及时间；低功耗微控制器还可通过例如ota的升级模块进行内部程序的远程升级。

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，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。