一种应用于监测系统的网关的制作方法

本实用新型涉及计算机通信技术领域，特别涉及一种应用于监测系统的网关。

背景技术：

随着物联网飞速发展，各种监测系统对数据采集的要求也来越高，目前桥梁检测、污染源监测、水利状况监测等监测系统大多采用有线网络进行数据采集，但是采用有线的方式成本较高，铺设线路也十分繁琐，采用4g通信网关是一种较好的解决方案。

现有的4g通信网关大多专注于数据传输，没有针对监测采集类应用场景进行较好的专业化定制。这类通信网关只能将数据传输至单一数据中心，未考虑多数据中心备份，且传输的数据未做任何处理，数据中心不能获知数据采集时间，且不能对采集的数据进行有效性检测，这将严重影响系统数据采集的实时性和整个监测系统的安全性。因此，有必要研究出能解决以上问题的通信网关。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于监测系统的网关，该网关可将采集数据封装成带有采集时间和有效性校验码的数据，实现与多个数据中心交互，保证数据采集的实时性和监测系统的安全性。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种应用于监测系统的网关，包括：用于封装数据的微处理器、通信模块、3g/4g模块和时钟模块，其中，

通信模块连接微处理器和监测系统的传感器采集仪，并且将传感器采集仪的采集数据发送给微处理器；

微处理器通过3g/4g模块登录3g/4g无线网络并连接多个数据中心，并且通过3g/4g模块获取网络时间和数据中心下发的返回数据；

时钟模块连接微处理器，并且向微处理器提供与网络时间同步的采集时间。

优选的，微处理器封装采集数据所采用的封装格式为json格式，封装后的json包包括传感器id、采集时间、采集数据、有效性校验码。

优选的，数据中心下发的返回数据有两种，分别是下发给传感器采集仪的数据和网关的控制指令；

当返回数据为控制指令时，控制指令包括判定前导码和json包，其中，判定前导码由前两个字节组成，前两个字节分别表示协议版本和fctrl标识符；json包为网关配置信息。

优选的，微处理器通过通信模块连接本地上位机，并且通过通信模块获取本地上位机发送的网关配置信息。

更进一步的，还包括连接微处理器的存储模块，存储模块存储有网关配置信息和采集数据；

网关配置信息中的配置参数包括：各个数据中心的数据中心ip/域名、端口号和连接方式、是否封装采集数据、是否重启、传感器采集仪所连接传感器的传感器id、有效性校验码、网关登录包、心跳包、心跳包间隔时间以及通信模块中接口的波特率。

优选的，通信模块包括rs485接口模块、rs232接口模块和蓝牙模块，微处理器通过rs485接口模块、rs232接口模块或蓝牙模块与传感器采集仪通信。

更进一步的，rs485接口模块和rs232接口模块内分别设有emc保护电路。

优选的，3g/4g无线模块采用移远ec20系列模块或合宙air720系列模块。

优选的，还包括电源模块和第一状态显示模块，电源模块内设有电源管理电路和连接电源管理电路的emc保护电路，电源管理电路连接微处理器、通信模块、3g/4g模块和时钟模块；

第一状态显示模块连接微处理器，并且进一步设有电源状态指示灯，电源状态指示灯连接电源模块的电源管理电路。

优选的，还包括连接微处理器的第二状态显示模块，第二状态显示模块分别设有网络状态指示灯和多个数据传输状态指示灯，其中，网络状态指示灯表示网络连接情况，多个数据传输状态指示灯分别表示不同的数据传输情况，包括数据发送、数据接收和数据等待收发。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本实用新型网关，包括用于封装数据的微处理器、通信模块、3g/4g模块和时钟模块，其中，通信模块连接微处理器和监测系统的传感器采集仪，并且将传感器采集仪的采集数据发送给微处理器；微处理器通过3g/4g模块登录3g/4g无线网络并连接多个数据中心，并且通过3g/4g模块获取网络时间和数据中心下发的返回数据；时钟模块连接微处理器，并且向微处理器提供与网络时间同步的采集时间。本实用新型网关通过微处理器将采集数据封装成带有采集时间和有效性校验码的数据，数据中心根据采集数据可以获知采集时间和对采集数据进行有效性检测，保证了数据采集的实时性和监测系统的安全性，可专用于监测系统，适用于监测采集类应用场景。并且，网关通过3g/4g无线网络实现与多个数据中心交互，相较于现有的监测系统利用有线网络获取采集数据的方式，有利于降低成本和监测难度。

(2)本实用新型网关中，时钟模块可向微处理器提供与网络时间同步的采集时间，传感器采集仪可以避免维持时钟和进行复杂的时间同步算法，大大减小了传感器采集仪的设计复杂度。

(3)本实用新型网关中，可根据实际情况灵活选择本地配置或者远程配置的方式设定网关配置信息，实现对网关配置参数的设定以及网关重启操作。

附图说明

图1是本实用新型网关的结构框图。

图2是图1中网关与数据中心连接后进行数据发送和掉线重连的过程示意图。

图3是图1中网关初始化的过程示意图。

图4是图1中网关与传感器采集仪和数据中心数据交互的过程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

本实施例公开了一种应用于监测系统的网关，如图1所示，包括：用于封装数据的微处理器、通信模块、3g/4g模块和时钟模块。

其中，通信模块连接微处理器和监测系统的传感器采集仪，并且将传感器采集仪的采集数据发送给微处理器。

通信模块包括rs485接口模块、rs232接口模块和蓝牙模块，rs485接口模块和rs232接口模块内分别设有emc保护电路，emc保护电路能够起到隔离电流、保护模块内部电路的作用。微处理器可以通过rs485接口模块、rs232接口模块或蓝牙模块与传感器采集仪通信。

微处理器通过3g/4g模块登录3g/4g无线网络并连接多个数据中心，并且通过3g/4g模块获取网络时间和数据中心下发的返回数据。数据中心为部署在远端的服务器，也可以是部署在服务器端的应用软件，3g/4g模块具体是采用at指令集与数据中心进行交互。

在本实施例中，微处理器为arm系列处理器，内置linux操作系统或其他嵌入式操作系统，微处理器通过uart1串口与rs485接口模块相连接，通过uart2串口与rs232接口模块相连接，通过uart3串口与蓝牙模块相连接，通过uart4串口与3g/4g模块相连接，uart5串口保留作为调试串口。

3g/4g无线模块可采用移远ec20系列模块或合宙air720系列模块，可根据运营商选择仅支持单一运营商的模块或者全网通模块。

时钟模块连接微处理器，在3g/4g模块连接3g/4g无线网络后，微处理器通过ntp服务将网络时间同步到时钟模块，并每隔3600秒同步一次，使得时钟模块与网络时间保持一致，并且可以向微处理器提供与网络时间同步的采集时间。

如表1所示，微处理器对采集数据做封装处理，所采用的封装格式为json格式，封装后的json包包括传感器id、采集时间、采集数据、有效性校验码。

表1

在本实施例中，参见如下json包(以“{”开始，以“}”结束)，采集数据为ds4cgadcdg+48ejnm3vaizdpsr71pn9cpa9ucon84，传感器id为000102030405060708，说明该传感器id所对应的采集数据能够封装处理成发送给数据中心的数据。时间戳为2019-09-01t21:17:52+08:00，其表示网关系统当前的utc时间，使用iso8601的compact格式表示，该时间戳表示是在2019年9月1号的21点17分52秒采集的数据，可见数据中心可以通过时间戳获知传感器采集仪的数据采集时间，保证数据采集的实时性。有效性校验码为eyjhbgcioijiuzi1niisinr5cci6ik，在数据中心中可根据有效性校验码对上传的采集数据进行有效性检测。

{

"sensorid":"000102030405060708",

"time":"2019-09-01t21:17:52+08:00",

"data":"ds4cgadcdg+48ejnm3vaizdpsr71pn9cpa9ucon84",

"codr":"eyjhbgcioijiuzi1niisinr5cci6ik"

}

数据中心下发的返回数据有两种，分别是下发给传感器采集仪的数据和网关的控制指令。如表2所示，当返回数据为控制指令时，控制指令包括判定前导码和json包，其中，判定前导码具体由前两个字节组成，前两个字节分别表示协议版本和fctrl标识符，判定前导码可用于确定返回数据是否为控制指令；json包为网关配置信息。例如，当网关收到数据中心下发的返回数据时，如果识别到前两个字节为0x01、0x03，即为判定前导码，则可判定返回数据为控制指令，并对后续字节进行json解析，根据解析出的参数对网关参数配置进行更改。如果前两个字节不为0x01、0x03，即判定返回数据为下发给传感器采集仪的数据，直接将整个返回数据发送给传感器采集仪。表2中的“3-结束”表示从第三个字节开始到末尾，都是json包的内容。

表2

在本实施例中，网关配置信息中的配置参数可本地配置或者远程配置。远程配置是指由数据中心通过3g/4g模块下发给微处理器。本地配置是指微处理器通过通信模块连接本地上位机，本地上位机安装有可以设置配置参数的上位机软件，在本地上位机设置好配置参数之后，微处理器通过通信模块获取到本地上位机发送的网关配置信息。在通信模块中，rs485接口模块和rs232接口模块具体是通过转接线连接本地上位机，蓝牙模块与本地上位机蓝牙连接。

如表3所示，网关配置信息中的配置参数包括：各个数据中心的数据中心ip/域名、端口号和连接方式、是否封装采集数据、是否重启、传感器采集仪所连接传感器的传感器id、有效性校验码、网关登录包、心跳包、心跳包间隔时间以及通信模块中接口的波特率。其中，网关登录包可用于身份确认。心跳包间隔时间设置范围为30s～150s，网关以心跳包间隔时间定期向数据中心发送心跳包，以维持与数据中心的连接。通信模块中接口的波特率具体是指rs485或者rs232接口的波特率。数据中心连接方式可选择tcp或者udp传输。有效性校验码、心跳包间隔时间和接口波特率以及网关登录包的内容可自行设置。微处理器可按照自行规定的有效性校验码格式封装采集数据，使采集数据携带有效性校验码，数据中心判断采集数据的有效性校验码是否为预设格式，从而实现对采集数据进行有效性检测。网关可根据数据中心下发的网关配置信息设定网关和进行重启操作。

表3

在本实施例中，参见如下json包(以“{”开始，以“}”结束)和表3，数据中心的数量为3个，分别为主数据中心和两个备用数据中心，主数据中心选用tcp连接，两个备用数据中心选用udp连接，传感器id为000102030405060708，有效性校验码为eyjhbgcioijiuzi1niisinr5cci6ik，心跳包间隔时间设为60s；rs232和rs485两个接口的波特率为115200，三个数据中心ip/域名分别为106.15.46.1、106.15.46.2、106.15.46.3，端口号分别为19800、6060和1199，pkg设为1表示微处理器需要对上传的采集数据做封装处理，reboot设为1表示整个网关设置好参数之后需要立即重启。

{"sensorid":"000102030405060708",

"codr":"eyjhbgcioijiuzi1niisinr5cci6ik",

"login":"login",

"heartbeat":"heartbeat",

"htime":"60",

"baud":"115200",

"ip0":"106.15.46.1",

"port0":"19800",

"modu0":"tcp",

"ip1":"106.15.46.2",

"port1":"6060",

"modu1":"udp",

"ip2":"106.15.46.3",

"port2":"1199",

"modu2":"udp",

"pkg":"1",

"reboot":"1"}

本实施例网关还包括存储模块，微处理器通过spi1接口与存储器模块相连接。存储模块存储有网关配置信息和采集数据。存储模块在网关与数据中心断开连接时，可暂存需要上传的采集数据，暂存采集数据的数目由存储器剩余容量及数据包大小决定，在网关与数据中心恢复连接后，暂存的采集数据可再发送至数据中心。

网关与每个数据中心连接后进行数据发送和掉线重连的过程可参见图2，过程具体如下：

微处理器通过通信模块接收到采集数据，根据已设置好的网关配置信息对采集数据进行封装处理；

微处理器检测与数据中心之间的链路状态，判断是否成功建立连接，在连接的情况下通过3g/4g模块向数据中心发送封装后的采集数据；

在断开的情况下将该采集数据存储在存储模块中，并且重新与数据中心建立连接；

微处理器再次检测数据中心之间的链路状态，判断是否成功建立连接，在没有成功建立连接的情况下继续重新建立连接；在成功建立连接的情况下从存储模块中取出采集数据，并通过3g/4g模块发送给数据中心。

本实施例网关还包括电源模块和第一状态显示模块以及第二状态显示模块，

其中，电源模块内设有电源管理电路和连接电源管理电路的emc保护电路，电源管理电路连接微处理器、通信模块、3g/4g模块和时钟模块，为微处理器、通信模块、3g/4g模块和时钟模块供电。

第一状态显示模块连接微处理器，并且进一步设有电源状态指示灯，电源状态指示灯连接电源模块的电源管理电路，因此可根据电源状态指示灯的亮灭情况判断是否上电。

第二状态显示模块连接微处理器，并且分别设有网络状态指示灯和多个数据传输状态指示灯，网络状态指示灯表示网络连接情况，多个数据传输状态指示灯分别表示不同的数据传输情况，数据传输情况包括数据发送、数据接收和数据等待收发，因此，根据网络状态指示灯的亮灭情况可判断是否连接3g/4g无线网络，根据数据传输状态指示灯的亮灭情况可判断当前属于哪种数据传输情况。

如图3所示，网关上电启动后，内部的微处理器、通信模块、3g/4g模块和时钟模块进行初始化的过程具体如下：

微处理器先进行初始化，同时进行通信模块的初始化，根据本地上位机所发送的上位机指令判断是否需要进行参数初始设定，在需要进行参数初始设定的情况下则进入参数设定模式，通过本地上位机设定配置参数，完成之后将配置参数保存在存储模块中，并进入数据交互模式，在不需要进行参数初始设定的情况下则直接进入数据交互模式；

在进入数据交互模式之后，微处理器读取接收到的网关配置信息，根据网关配置信息依次进行3g/4g模块和时钟模块的初始化，使网关登录到3g/4g无线网络和连接到各个已设定的数据中心，并与数据中心通过网关登录包进行身份确认；

在连接建立完成之后，时钟模块通过3g/4g模块获取网络时间并同步采集时间，以此完成初始化。

如图4所示，网关初始化完成之后，网关与传感器采集仪和各个数据中心进行数据交互的过程如下：

当各个传感器采集仪的采集数据需要上传时，通信模块将各个传感器采集仪的采集数据发送至微处理器；

微处理器根据网关配置信息判断是否需要对采集数据进行封装，在需要封装的情况下封装采集数据并将封装好的采集数据发送至3g/4g模块；在不需要封装的情况下直接将采集数据发送至3g/4g模块；

3g/4g模块再将该采集数据发送至各个数据中心；

当任意一个数据中心需要下发返回数据，通过3g/4g网络将返回数据发送至3g/4g模块；

3g/4g模块将返回数据发送给微处理器，微处理器接收到返回数据后，根据返回数据的前两个字节判断返回数据是否为控制指令：

如果前两个字节是判定前导码，则判定返回数据是控制指令，然后对json对象进行解析，根据解析后的内容更改网关的配置参数和/或者进行重启操作；

如果前两个字节不是判定前导码，即返回数据不是控制指令，则将返回数据发送至通信模块，进而发送给对应的传感器采集仪。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。