一种智能网关及物联网系统的制作方法

1.本实用新型涉及电子技术领域，具体地说，涉及一种智能网关及物联网系统。


背景技术：

2.物联网最初在1999年提出：即通过射频识别(rfid)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。
3.楼宇自动化技术是利用计算机及其网络技术、自动控制技术和通信技术构建的高度自动化的综合管理和控制系统，将大楼内部各种设备连接到一个控制网络上，通过网络对其进行综合的控制，这些设备包括空调、照明设备、电梯、消防设备、安防设备等等。它确保建筑物内的舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能的要求。
4.但是，现有技术中的楼宇自动化存在的以下问题：
5.1、智能楼宇中采用的各种系统为封闭式系统，各系统彼此独立，不能彼此联动进而支持智能决策；
6.2、各系统独立维护，维护成本高；
7.3、楼宇间数据无分享，无法支撑大数据分析。
8.因此，针对以上现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种智能网关及物联网系统。


技术实现要素：

9.为解决上述现有技术的问题，本实用新型提供了一种智能网关，所述智能网关包含：
10.外接设备电路，其用于通过rs-485串口管理支持modbus和bacnet协议的外接设备；
11.单片机，其与所述外接设备电路连接，支持运行lua脚本，用于采集所述外接设备的相关参数；
12.通信电路，其与所述单片机连接，支持mqtt通信协议，用于将所述相关参数传输至物联网云服务器。
13.根据本实用新型的一个实施例，所述外接设备电路包含：隔离半双工rs-485收发器，具有失效保护功能，在接收状态时，如果输入端开路或短路则输出低电平。
14.根据本实用新型的一个实施例，所述通信电路包含：4g/5g通信芯片，其支持所述物联网云服务器通过mqtt通信协议，对所述单片机各个端口和所述外接设备信息的上传和下发。
15.根据本实用新型的一个实施例，所述智能网关包含：模拟输入电路，其包含四路模拟电流输入电路以及四路模拟电压输入电路，用于在所述单片机的控制下，采集所述外接
设备的模拟输入数据。
16.根据本实用新型的一个实施例，所述智能网关包含：模拟输出电路，其包含两路模拟电流输出电路以及两路模拟电压输出电路，并且支持pwm输出。
17.根据本实用新型的一个实施例，所述智能网关包含：继电器电路，其与所述单片机连接，包含四路继电器端口。
18.根据本实用新型的一个实施例，所述智能网关包含：usb配置电路，其包含usb接口，支持对所述单片机进行固件升级以及更改配置。
19.根据本实用新型的一个实施例，所述智能网关包含：lua计算机语言解释器，其通过lua编程控制端口，支持pid以及pwm控制算法。
20.根据本实用新型的一个实施例，所述智能网关包含：电源电路，其用于为所述智能网关提供电能。
21.根据本实用新型的另一个方面，还提供了一种物联网系统，所述物联网系统包含：
22.如上任一项所述的一种智能网关；
23.物联网云服务器，其与所述智能网关连接，用于接收所述智能网关上传的所述相关参数。
24.上位机，其与所述智能网关连接，具备gpio设置、modbus/bacnet设备设置、变量设置、触发器编程、iot设置功能，并具有通过串口通信协议上传配置文件，以及下载日志的功能。
25.本实用新型提供的一种智能网关及物联网系统通过单片机实现了一种可通过lua脚本控制的智能mqtt网关。利用lua语言的简单易学，为维护人员提供了一个方便灵活的方式控制复杂多样的楼宇设备。可采集众多通讯协议设备的数据，实时设备连接，简单配置，使用易操作的工具来帮助安装和连接新设备，轻松集成边缘端ot设备和传感器。建立标准化，进行数据分析利用，做数据过滤清洗，达到数据有效利用，降低网络负载。
26.本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
27.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
28.图1显示了根据本实用新型的一个实施例的一种智能网关结构框图；
29.图2显示了根据本实用新型的一个实施例的外接设备电路图；
30.图3显示了根据本实用新型的一个实施例的通信电路图；
31.图4显示了根据本实用新型的一个实施例的四路模拟电压输入电路图；
32.图5显示了根据本实用新型的一个实施例的四路模拟电流输入电路图；
33.图6显示了根据本实用新型的一个实施例的模拟输出电路图；
34.图7显示了根据本实用新型的一个实施例的继电器电路图；
35.图8显示了根据本实用新型的一个实施例的usb配置电路图；
36.图9显示了根据本实用新型的一个实施例的逻辑输入电路图；
37.图10显示了根据本实用新型的一个实施例的电源电路图；
38.图11显示了根据本实用新型的一个实施例的单片机电路图；以及
39.图12显示了根据本实用新型的一个实施例的一种物联网系统结构框图。
具体实施方式
40.以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。
41.同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本实用新型实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
42.图1显示了根据本实用新型的一个实施例的一种智能网关结构框图。
43.如图1所示，一种智能网关100包含：外接设备电路101、单片机102以及通信电路103。本实用新型提供的一种智能网关100涉及物联网和边缘计算在楼宇自动化方面的应用。
44.在一个实施例中，外接设备电路101用于通过rs-485串口管理支持modbus和bacnet协议的外接设备。具体来说，外接设备电路101包含modbus串口连接1011、bacnet串口连接1012、pmw电机控制1013以及gpio设备支持模块1014。
45.在一个实施例中，单片机102与外接设备电路101连接，支持运行lua脚本，用于采集外接设备的相关参数。具体来说，相关参数包含但不限于设备名称、端口类型、设备类型、数据大小端、设备地址、寄存器高低位、波特率、数据位数、奇偶校验、停止位。
46.进一步地，设备名称：用户可以自行定义，比如温度传感器可以叫temperaturedevice。端口类型：包含串口和网口。设备类型：modbus外接设备为modbusrtu，bacnet外接设备为bacnet。数据大小端：modbus外接设备需要配置参数，根据外接设备的产品说明书配置(大端模式，是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中；小端模式，是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中)。设备地址：需要根据外接设备的产品说明书进行设置。若存在多个modbus外接设备，需要配置每个外接设备不同的设备地址。寄存器高低位：modbus外接设备需要配置参数，根据外接设备的产品说明书配置。一般情况下和数据大小端对应，大端模式选择高位在前，小端模式选择低位在前。波特率：外接设备的波特率，具体需要查看外接设备的产品说明书。数据位数：具体需要查看外接设备的产品说明书。奇偶校验：具体需要查看外接设备的产品说明书。停止位：具体需要查看外接设备的产品说明书(大部分产品默认都是数据位数：8，停止位1，奇偶校验：无)。
47.在一个实施例中，通信电路103与单片机102连接，支持mqtt通信协议，用于将相关参数传输至物联网云服务器。
48.本实用新型支持的mqtt通信协议是一种轻量级的机器对机器(m2m)消息传递协议，由于其代码占用量非常小且消息大小较小，因此是大型网络(尤其是在缺乏网络带宽的情况下)的理想选择。mqtt还可以帮助减少技术和集成层。为此，它消除了在不同组件之间
转换数据的需求，并且消除了使用第三方中间件在设备和iot平台之间进行通信的需求。
49.图2显示了根据本实用新型的一个实施例的外接设备电路图。
50.如图2所示，外接设备电路101包含：隔离半双工rs-485收发器(ca-is3082w)，具有失效保护功能，在接收状态时，如果输入端开路或短路则输出低电平。具体来说，ca-is3082w是一款高可靠性的隔离半双工rs-485收发器，将数字隔离器和rs-485收发器集成在一起符合tia/eia-485-a标准，具有高电磁抗扰度和低辐射特性。具有失效保护功能，在接收状态时，如果输入端开路或短路接收器侧输出低电平。同时具有高绝缘能力，有助于防止数据总线或其他电路上的噪声和浪涌进入本地接地端，从而干扰或损坏敏感电路。高cmti能力有望保证数字信号的正确传输。ca-is3082w器件采用16引脚宽体soic封装，支持绝缘耐压高达5kvrms。优点是需要较少的pcb板空间，外围电路需要的更少。
51.如图2所示，本实用新型通过两个隔离半双工rs-485收发器构建外接设备电路，分别与单片机102的485en1端、485en2端连接。
52.图3显示了根据本实用新型的一个实施例的通信电路图。
53.如图3所示，通信电路包含：4g/5g通信芯片，其支持物联网云服务器通过mqtt通信协议，对单片机102各个端口和外接设备信息的上传和下发。在一个实施例中，通信电路还可以采用nb模块。
54.如图3所示，本实用新型通过es200s-cn-model构建通信电路，分别与单片机102的uart rxd4端、uart txd4端、4g reset端、4g pwr端连接。
55.图4显示了根据本实用新型的一个实施例的四路模拟电压输入电路图。
56.如图4所示，智能网关包含模拟输入电路，其包含四路模拟电压输入电路，用于在单片机102的控制下，采集外接设备的模拟输入数据。
57.如图4所示，本实用新型通过两个运放(lm358dr)构建四路模拟电压输入电路，为0-10v的电压输入，分别与单片机102的mcu ad1端、mcu ad2端、mcu ad3端、mcu ad4端连接。
58.图5显示了根据本实用新型的一个实施例的四路模拟电流输入电路图。
59.如图5所示，智能网关包含模拟输入电路，其包含四路模拟电流输入电路，用于在单片机102的控制下，采集外接设备的模拟输入数据。
60.如图5所示，本实用新型通过两个运放(lm358dr)构建四路模拟电流输入电路，为4-20ma的电流输入，分别与单片机102的mcu ad5端、mcu ad6端、mcu ad7端、mcu ad8端连接。
61.图6显示了根据本实用新型的一个实施例的模拟输出电路图。
62.如图6所示，智能网关包含模拟输出电路，其包含两路模拟电流输出电路以及两路模拟电压输出电路，并且支持pwm输出。
63.如图6所示，本实用新型通过一个运放(lm358dr)、两个pac芯片(gp8102s-tc50-ew)构建两路模拟电流输出电路以及两路模拟电压输出电路，分别为4-20ma的电流输出，0-10v的电压输出，分别与单片机102的dac out1端、dac out2端、pwm3端、pwm4端连接。其中，iout＝5v*dpwm/rs rs＝r116(dpwm为pwm信号的占空比)。
64.图7显示了根据本实用新型的一个实施例的继电器电路图。
65.如图7所示，智能网关包含继电器电路，其与单片机102连接，包含四路继电器端口。如图7所示，本实用新型通过达林顿管(uln2003)以及四个继电器(hf46f/5-hs1t)构建
四路继电器端口，支持电压为最高220v，额定电流5a，分别与单片机102的relay1端、relay2端、relay3端、relay4端连接。
66.图8显示了根据本实用新型的一个实施例的usb配置电路图。
67.如图8所示，智能网关包含usb配置电路，其包含usb接口，支持对单片机102进行固件升级以及更改配置。本实用新型通过usb转串口芯片(ch340g)构建usb配置电路，提供usb 2.0/3.0接口，方便固件升级和更改配置，与单片机102的boot0端连接。
68.图9显示了根据本实用新型的一个实施例的逻辑输入电路图。
69.如图9所示，智能网关包含逻辑输入电路，其包含4路逻辑输入端口，上拉电压5v，本实用新型通过光耦隔离器(ps2805-4)构建逻辑输入电路，分别与单片机102的din01端、din02端、din03端、din04端连接。
70.图10显示了根据本实用新型的一个实施例的电源电路图。
71.如图10所示，智能网关包含电源电路，其用于为智能网关提供电能，包含dc-dc电压转换电路以及降压转换电路。具体来说，本实用新型通过电压转换芯片(mc34063s)构建dc-dc电压转换电路，通过降压芯片(tps5430dda)构建降压转换电路。
72.图11显示了根据本实用新型的一个实施例的单片机电路图。
73.如图11所示，本实用新型基于单片机(stm32f103zet6/stmf103fvet6mcu)，搭载通信电路，能通过lua脚本，采集和控制gpio、modbus rtu和bacnet协议的外部模块。智能网关包含lua计算机语言解释器，其通过lua编程控制端口，支持pid以及pwm控制算法。
74.综上，本实用新型提供的智能网关具备以下功能：
75.1、可以通过485串口管理支持modbus和bacnet协议的设备；
76.2、具有4路继电器端口，支持电压为最高220v，额定电流5a；
77.3、具有4路模拟输出端口，其中2路为4-20ma的电流输出，2路为0-10v的电压输出；并且支持pwm输出；
78.4、具有8路模拟输入端口，其中4路为4-20ma的电流输入，4路为0-10v的电压输入；
79.5、具有4路逻辑输入端口，上拉电压5v；
80.6、搭配4g模块，支持物联网云服务器通过mqtt对单片机102各个端口和外接设备信息的上传和下发；
81.7、智能网关内置lua计算机语言解释器，可以通过lua编程控制端口，并且提供了pid和pwm控制算法；
82.8、板载usb桥，提供usb 2.0/3.0接口，方便固件升级和更改配置。
83.图12显示了根据本实用新型的一个实施例的一种物联网系统结构框图。
84.如图12所示，一种物联网系统包含：本实用新型提供的一种智能网关、物联网云服务器以及上位机。
85.物联网云服务器与智能网关连接，用于接收智能网关上传的相关参数。具体来说，物联网云服务器可以采用阿里云服务器来进行构建。
86.上位机与智能网关连接，具备gpio设置、modbus/bacnet设备设置、变量设置、触发器编程、iot设置功能，并具有通过串口通信协议上传配置文件，以及下载日志的功能。具体来说，上位机中设置有与智能网关配置的上位机软件，上位机软件在上位机运行，分为gpio设置、modbus/bacnet设备设置、变量设置、触发器编程、iot设置五大部分，并具有通过串口
通信协议上传配置文件，以及下载日志的功能。
87.上位机具备以下功能：
88.(一)、gpio设置根据配置文件设置引脚为数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出，可以根据上位机上传到单片机的配置文件设置引脚为数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出。
89.(二)、整个物联网系统支持modbus rtu协议，能通过rs485接口和modbus外接设备连接，并且根据配置文件读取外接设备的寄存器变量，如无设备可以调试，可以通过rs485对接上位机的协议解析软件进行验证。
90.(三)、整个物联网系统支持bacnet ms/tp协议，能通过rs485接口按bacnet ms/tp和bacnet ms/tp设备连接，并且根据配置文件读取外接设备的寄存器变量，如无设备可以调试，可以通过rs485对接上位机的协议解析软件进行验证。
91.(四)、物联网系统中的单片机支持运行lua脚本：
92.1、上位机可对(一)至(三)描述的接口能获取到的modbus寄存器值、bacnet对象值或io值设置一个变量名，lua脚本可以通过这个变量名获取对应的传感器/控制器/gpio值，lua脚本也可以通过set_var函数对前述变量进行修改，set_var函数是lua的全局函数，调用方法如下：
93.set_var(“变量名”，变量值)
94.变量名可以理解为lua和modbus/bacnet/gpio之间的桥梁。
95.2、pwm函数：lua脚本提供set_pwm函数，可以对(一)描述的模拟输出gpio设置pwm，调用方法如下：
96.set_pmw(“变量名”，频率)
97.3、pid函数，lua脚本提供get_pid计算函数，可以根据输入的p、i、d值返回计算浮动类型的结果，调用方法如下：
98.get_pid(p，i，d)
99.4、lua脚本并不是一直在后台运行，而是根据条件触发并运行指定代码。
100.(五)、支持上传数据到物联网云服务器：
101.上位机配置好物流网连接参数，并把要上传的gpio/modbus/bacnet变量和topic对应，单片机可以根据配置文件通过通信电路(包含4g/nb模块)定时发送到物联网云服务器。
102.在整个物联网系统中，智能网关中的单片机和通信电路构成了下位机的主体，其他外接模块只要兼容modbus/bacnet协议，单片机都能作为上位机采集相关参数定时上传至物联网云服务器。单片机还内置lua计算机语言解释器，能将外接设备的参数内嵌为lua公共变量，并能通过扩展的lua函数重新设置变量，达到通过lua脚本控制外接设备的目的。
103.综上分析可知，本实用新型提供的一种智能网关及物联网系统通过单片机实现了一种可通过lua脚本控制的智能mqtt网关。利用lua语言的简单易学，为维护人员提供了一个方便灵活的方式控制复杂多样的楼宇设备。可采集众多通讯协议设备的数据，实时设备连接，简单配置，使用易操作的工具来帮助安装和连接新设备，轻松集成边缘端ot设备和传感器。建立标准化，进行数据分析利用，做数据过滤清洗，达到数据有效利用，降低网络负载。
104.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
105.虽然上述示例用于说明本实用新型在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本实用新型由所附的权利要求书来限定。
106.应该理解的是，本实用新型所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
107.在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
108.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
109.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
110.本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
111.虽然本实用新型所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。