一种网关及其控制方法、计算机可读存储介质与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种网关及其控制方法、计算机可读存储介质。

背景技术：

工业总线是应用于工业测量与控制领域传输信息的公共通路。工业总线中的rs485总线适应了工业仪表间的组网需求，采用平衡发送与差分接收的方式，具有抑制共模干扰的能力，适合几十米到几百米间的通信距离。市场上支持rs485总线的装置类型较多，使其容易构成中小型短距离分布式测量与控制系统。基于rs485总线发展出来的很多类型现场总线，如modbus、can(controllerareanetwork，控制器局域网络)、profibus(processfieldbus，过程现场总线)、devicenet等在控制系统中应用也很广泛。工业以太网兼容ieee802.3标准，按照ieee802.1*规范(如ieee802.1d的mac(multipleaccesschannel，多址接入信道)网桥规范和ieee802.1q局域网虚拟网桥规范)，对其进行实时、可靠、材料、安全、以及设计安装等方面扩展后以适应工业现场需求。

在机械和电气设备状态监测系统中，很多具有特殊需求或者对性价比要求较高的场合，rs485总线广泛应用。在获取分布设备状态数据的同时，需要采用工业以太网将采集的数据传输至服务器。因此需要以太网和rs485转换的网关装置。此外，在监测系统中所用的电气电子设备和传感器不具备rs232和rs485总线接口，需要具有接入传感器和电子电气设备的接入装置。

而现有的以太网转485接口装置、485转232接口装置、以及传感器和电气电子装置接入设备存在的问题是：

1)、现有的以太网转485接口装置、485转232接口装置、以及传感器和电气电子装置接入设备是相互独立的。在一些分布式状态监测系统中，采用这些分离的模块无法满足系统要求的实时性；分离模块间的交互不仅降低实时性，同时也降低可靠性。

2)、现有的以太网转485接口装置、485转232接口装置、以及传感器和电气电子装置接入设备对数据不加处理，直接传输至服务器，会造成传输数据量大、有效数据占整个传输数据量比例小，数据冗余度大，误码率高；容易发生信号碰撞产生时延等问题。

3)、直接采用以太网转485接口装置、485转232接口装置、以及传感器和电气电子装置接入设备构成监测与控制系统，组网能力差、扩展性不强。难以使用常用的协议，如modbus协议。

因此在一些实时性和可靠性要求高的设备状态监测和控制系统的开发中，如电源设备、高速机械试验台等，现有的以太网转485接口装置、485转232接口装置、以及传感器和电气电子装置接入设备不能满足性能要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种网关及其控制方法、计算机可读存储介质，以解决在机械和电气设备状态监测系统中，现有分离装置存在的实时性、可靠性较低，数据传输量大而有效信息少、冗余度大、误码率高、碰撞概率大易产生时延，以及组网能力差、扩展性不强的问题。

本发明实施例解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本发明实施例的一个方面，提供的一种网关，所述网关包括：中央处理单元、与所述中央处理单元连接的控制信号模块、信号调理模块以及串行接口模块；

所述信号调理模块，用于对不具备串行接口的设备进行数据采集；

所述串行接口模块，用于对具备串行接口的设备进行数据采集；

所述控制信号模块，用于获取数据采集的控制信号；

所述中央处理单元，用于根据所述控制信号模块获取的数据采集的控制信号，获取所述信号调理模块和所述串行接口模块采集到的数据；对采集到的数据进行处理；将处理后的数据封装为以太网帧，并将所述以太网帧发送到服务器中。

根据本发明实施例的另一个方面，提供的一种网关控制方法，所述方法包括步骤：

根据数据采集的控制信号，对不具备串行接口和具备串行接口的设备进行数据采集；

对采集到的数据进行处理；

将处理后的数据封装为以太网帧后发送到服务器中。

根据本发明实施例的另一个方面，提供的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有网关控制程序，所述网关控制程序被处理器执行时实现上述的网关控制方法的步骤。

本发明实施例的网关及其控制方法、计算机可读存储介质，集成数据采集和数据处理的功能，通过软件的控制和资源调度与分配，实现采集、数据处理、协议转换等功能融合为一体，构成符合实时性、可靠性、多功能和可扩展的网关；解决了现有分离装置存在的实时性、可靠性较低，数据传输量大而有效信息少、冗余度大、误码率高、碰撞概率大易产生时延，以及组网能力差、扩展性不强的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的网关结构示意图；

图2为本发明实施例的网关另一结构示意图；

图3为本发明实施例的网关与设备的连接结构示意图；

图4为本发明实施例的网关的一种应用结构示意图；

图5为本发明实施例的网关控制方法流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例

如图1所示，本发明第一实施例提供一种网关，所述网关包括：中央处理单元21、与所述中央处理单元21连接的信号调理模块22、串行接口模块23以及控制信号模块24。

所述信号调理模块22，用于对不具备串行接口的设备进行数据采集。

请参考图2所示，在本实施例中，所述信号调理模块22包括电流信号调节模块(图中的电流信号调节电路2211和电流信号调节电路接口2212所示)、电压信号调节模块(图中的电压信号调节电路2221和电压信号调节电路接口2222所示)、开关量调节模块(图中的开关量调节电路2231和开关量调节电路接口2232所示)中的至少一种；

所述电流信号调节模块，用于采集所述不具备串行接口的设备的电流信号数据，对所述电流信号数据进行电压转换和频率变换，输出变换后的第一频率信号数据给所述中央处理单元21；

所述电压信号调节模块，用于采集所述不具备串行接口的设备的电压信号数据，将所述电压信号数据进行电压调节和频率变换，输出变换后的第二频率信号数据给所述中央处理单元21；

所述开关量调节模块，用于采集所述不具备串行接口的设备的开关量信号数据，将所述开关量信号数据进行电压转换和频率变换，输出变换后的第三频率信号数据给所述中央处理单元21。

所述串行接口模块23，用于对具备串行接口的设备进行数据采集。

请参考图2所示，在本实施例中，所述串行接口模块23包括rs-485接口模块(图中的光耦隔离电路2321、rs-485总线收发器2322和rs-485总线接口2323所示)和/或rs-232接口模块(图中的串口控制器2311和rs-232总线接口2312所示)；

所述rs-485接口模块包括依次连接的光耦隔离电路2321、rs-485总线收发器2322和rs-485总线接口2323；所述rs-485接口模块通过所述rs-485总线接口2323对具备rs-485总线接口的设备进行数据采集，并通过所述光耦隔离电路2321将采集到的数据输出给所述中央处理单元21；

所述rs-232接口模块包括依次连接的串口控制器2311和rs-232总线接口2312；所述rs-232接口模块通过所述rs-232总线接口2312对具备rs-232总线接口的设备进行数据采集，并通过所述串口控制器2311将采集到的数据输出给所述中央处理单元21。

所述控制信号模块24，用于获取数据采集的控制信号。

请参考图2所示，在本实施例中，所述控制信号模块24包括依次连接的控制信号输出电路241和控制信号接口242；所述控制信号模块24通过所述控制信号接口242获取数据采集的控制信号，并通过所述控制信号输出电路241将获取到的数据采集的控制信号输出给所述中央处理单元21。

所述中央处理单元21，用于根据所述控制信号模块24获取的数据采集的控制信号，获取所述信号调理模块22和/或所述串行接口模块23采集到的数据；对采集到的数据进行处理；将处理后的数据封装为以太网帧，并将所述以太网帧发送到服务器中。

请参考图2所示，在本实施例中，所述中央处理单元21可以通过以太网模块25将所述以太网帧发送到服务器中。以太网模块25包括但不限于以太网控制器、以太网接口等。

在本实施例中，所述中央处理单元25对采集到的数据进行处理。具体地，在进行数据处理时，首先获取采集数据的地址信息，从地址信息确定数据类型，读取该数据类型的阈值；然后将采集数据与该数据类型的阈值进行比较，在采集到的数据的值超过阈值时判断采集的数据是否为离群点；若所述采集到的数据是离群点(可根据采集到的数据的值超过阈值的比例进行判断)，则存储该数据后继续读取。若所述采集到的数据不是离群点，将采集的数据与既有数据的均值一起计算新的均值，与既有数据的最值(最大值和最小值)相比较计算新的最值，并计算新的方差值，将新的均值、最值以及方差值进行存储。可选的，若所述采集到的数据的值不超过阈值，则可直接将采集的数据与既有数据的值进行计算。

在本实施例中，所述中央处理单元25向服务器发送数据时，确定是udp(userdatagramprotocol，用户数据报协议)还是tcp(transmissioncontrolprotocol，传输控制协议)数据，分别按照tcp或udp进行处理，封装为以太网帧后发送到服务器中。服务器通过以太网向网关轮询时，若收到服务器指令，同样确定是udp还是tcp数据，分别按照tcp或udp进行处理，封装为以太网帧后发送到网关中。

若需要采集的设备较多，而每类设备传输的数据可分为紧急数据和一般数据(周期数据)。在该情形下，所述中央处理单元25可进行实时性划分。具体地，可根据设备的严苛时间限和设备的数量，按照紧急数据和一般数据计算满足实时性的时间限。若计算时间限未超过严苛时间限，则按照一般轮询方法采集和处理。若计算时间限超过严苛时间限，需要划分设备优先级，并确定紧急消息和一般消息的组帧和处理方法，并在此基础上划分不同优先级的采集时隙和处理时隙，在对应时隙对相关设备数据进行采集和处理，高优先级数据可以抢占低优先级的处理时隙。

请再参考图2所示，在本实施例中，所述网关还包括与所述中央处理单元21连接的存储器26；

所述中央处理单元21将采集到的数据、处理后的数据以及未处理的数据暂存在所述存储器26中。

为了更好地阐述中央处理单元25对数据采集的控制，以下结合图3进行说明：

在对具备rs-485总线接口的设备进行组网和数据采集时，网关为主设备，具备rs-485总线接口的设备为从设备，在其地址域按照顺序标记地址。网关采用轮询的方式，通过读取控制信号模块24的数据采集的控制信号可以确定设备为具备rs-485总线接口的设备，因此开通rs-485接口模块与具备rs-485总线接口的设备进行数据采集。网关将区分是采用modbus协议还是定义协议，在modbus协议中还要判断是rtu(remoteterminalunit，远程终端单元)方式还是ascii(americanstandardcodeforinformationinterchange，美国信息交换标准代码)方式。判断类型后，网关将采集的具备rs-485总线接口的设备的地址写入询问帧，发送到485总线上，等待被轮询设备的应答帧。设备收到后，按照轮询指令要求将主机需要的数据组成帧，并在地址域写上自己的地址，通过485总线返回网关。对于modbus协议，当回复帧到达后，首先判断是否为前导码，继而判断帧头，接收地址域、控制域(功能码)、数据域，并判断校验是否正确，正确后将数据或数据字符连同地址存入到网关的存储器中。对于自定义协议，直接读取应答帧的数据域中的数据，并将数据和地址存储到存储器中。

在对不具备rs-485总线接口的设备进行组网和数据采集时，中央处理单元25首先读取控制信号模块24的数据采集的控制信号，确定设备为不具备rs-485总线接口的设备，继而选择对应的信号调理模块对不具备串行接口的设备进行数据采集。具体地，中央处理单元25可选择对应的控制寄存器并对相关变量初始化，对定时器寄存器设置定时时间，开通采集信号的通道，然后开始计时。在计时未结束时，对到来的信号进行计数；当计时结束后，开启中断程序，读取计数器的值，并根据控制信号模块24的数据采集的控制信号，将计数值转换为测量值，完成一次数据采集任务。

图4为本发明实施例的网关，应用于电力电子电源的状态监测中。监测任务要求监测电源的三相电压、电流和用电量，计算功率因数，同时要监测电源设备的门状态、电流输出峰值和器件温度等数据。

因此，可通过485总线读取多功能电表数据(自定义的485帧)，也可通过485总线读取电能采集器数据(采用modbus协议的设备)。同时还能够读取温度传感器(电流输出)、电流互感器(电压输出)和开门状态(开关量输出)的数据。并对采集的数据进行分类处理后，封装为工业以太网帧，发送到服务器中。

本发明实施例的网关，集成数据采集和数据处理的功能，通过软件的控制和资源调度与分配，实现采集、数据处理、协议转换等功能融合为一体，构成符合实时性、可靠性、多功能和可扩展的网关；解决了现有分离装置存在的实时性、可靠性较低，数据传输量大而有效信息少、冗余度大、误码率高、碰撞概率大易产生时延，以及组网能力差、扩展性不强的问题。

第二实施例

如图5所示，本发明第二实施例提供一种网关控制方法，网关的具体结构可参考第一实施例，在此不作赘述。

所述方法包括步骤：

s10、根据数据采集的控制信号，对不具备串行接口和具备串行接口的设备进行数据采集。

在本实施例中，所述对具备串行接口的设备进行数据采集包括步骤：

采用modbus协议或自定义协议通过rs-485总线对具备rs-485总线接口的设备进行数据采集。

具体地，网关将区分是采用modbus协议还是定义协议，在modbus协议中还要判断是rtu方式还是ascii方式。判断类型后，网关将采集的具备rs-485总线接口的设备的地址写入询问帧，发送到485总线上，等待被轮询设备的应答帧。设备收到后，按照轮询指令要求将主机需要的数据组成帧，并在地址域写上自己的地址，通过485总线返回网关。对于modbus协议，当回复帧到达后，首先判断是否为前导码，继而判断帧头，接收地址域、控制域(功能码)、数据域，并判断校验是否正确，正确后将数据或数据字符连同地址存入到网关的存储器中。对于自定义协议，直接读取应答帧的数据域中的数据，并将数据和地址存储到存储器中。

在其他实施例中，可通过rs-232总线对具备rs-232总线接口的设备进行数据采集

在本实施例中，所述根据数据采集的控制信号，对不具备串行接口的设备进行数据采集包括：

根据数据采集的控制信号，开通数据采集通道并设置数据采集时间；

在设置的数据采集时间内，通过所述数据采集通道对不具备串行接口的设备进行数据采集。

具体地，在对不具备rs-485总线接口的设备进行组网和数据采集时，首先读取数据采集的控制信号，确定设备为不具备rs-485总线接口的设备，继而选择对应的信号调理模块对不具备串行接口的设备进行数据采集。具体地，可选择对应的控制寄存器并对相关变量初始化，对定时器寄存器设置定时时间，开通采集信号的通道，然后开始计时。在计时未结束时，对到来的信号进行计数；当计时结束后，开启中断程序，读取计数器的值，并根据数据采集的控制信号，将计数值转换为测量值，完成一次数据采集任务。

s20、对采集到的数据进行处理。

在本实施例中，所述对采集到的数据进行处理包括步骤：

若所述采集到的数据的值超过预设阈值，则判断所述采集到的数据是否为离群点；

若所述采集到的数据不是离群点，则根据所述采集到的数据的值、既有数据的均值以及既有数据的最值，计算所述采集到的数据的平均值、最值以及方差值。

具体地，在进行数据处理时，首先获取采集数据的地址信息，从地址信息确定数据类型，读取该数据类型的阈值；然后将采集数据与该数据类型的阈值进行比较，在采集到的数据的值超过阈值时判断采集的数据是否为离群点；若所述采集到的数据是离群点(可根据采集到的数据的值超过阈值的比例进行判断)，则存储该数据后继续读取。若所述采集到的数据不是离群点，将采集的数据与既有数据的均值一起计算新的均值，与既有数据的最值(最大值和最小值)相比较计算新的最值，并计算新的方差值，将新的均值、最值以及方差值进行存储。可选的，若所述采集到的数据的值不超过阈值，则可直接将采集的数据与既有数据的值进行计算。

s30、将处理后的数据封装为以太网帧后发送到服务器中。

在本实施例中，所述将处理后的数据封装为以太网帧后发送到服务器中包括步骤：

将处理后的数据按照传输控制协议tcp或者用户数据报协议udp封装为以太网帧后发送到服务器中。

具体地，向服务器发送数据时，确定是udp还是tcp数据，分别按照tcp或udp进行处理，封装为以太网帧后发送到服务器中。服务器通过以太网向网关轮询时，若收到服务器指令，同样确定是udp还是tcp数据，分别按照tcp或udp进行处理，封装为以太网帧后发送到网关中。

在一种实施方式中，所述根据数据采集的控制信号，对不具备串行接口和/或具备串行接口的设备进行数据采集包括步骤：根据数据采集的控制信号，并按照设备优先级的采集时隙，对所述不具备串行接口和/或具备串行接口的设备进行数据采集；

所述对采集到的数据进行处理包括步骤：按照设备优先级的处理时隙，对采集到的数据进行处理。

具体地，可根据设备的严苛时间限和设备的数量，按照紧急数据和一般数据计算满足实时性的时间限。若计算时间限未超过严苛时间限，则按照一般轮询方法采集和处理。若计算时间限超过严苛时间限，需要划分设备优先级，并确定紧急消息和一般消息的组帧和处理方法，并在此基础上划分不同优先级的采集时隙和处理时隙，在对应时隙对相关设备数据进行采集和处理，高优先级数据可以抢占低优先级的处理时隙。

本发明实施例的网关控制方法，集成数据采集和数据处理的功能，通过软件的控制和资源调度与分配，实现采集、数据处理、协议转换等功能融合为一体，构成符合实时性、可靠性、多功能和可扩展的网关；解决了现有分离装置存在的实时性、可靠性较低，数据传输量大而有效信息少、冗余度大、误码率高、碰撞概率大易产生时延，以及组网能力差、扩展性不强的问题。

第三实施例

本发明第三实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有网关控制程序，所述网关控制程序被处理器执行时用于实现第二实施例所述的网关控制方法的步骤。

本发明实施例的计算机可读存储介质，集成数据采集和数据处理的功能，通过软件的控制和资源调度与分配，实现采集、数据处理、协议转换等功能融合为一体，构成符合实时性、可靠性、多功能和可扩展的网关；解决了现有分离装置存在的实时性、可靠性较低，数据传输量大而有效信息少、冗余度大、误码率高、碰撞概率大易产生时延，以及组网能力差、扩展性不强的问题。

需要说明的是，上述装置实施例与方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，且方法实施例中的技术特征在装置实施例中均对应适用，这里不再赘述。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件来实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。