物联网多功能网关的制作方法

本实用新型属于物联网技术领域，具体涉及一种具有多种通信方式传输的网关。

背景技术：

经过几十年的发展，电子通信技术有了长足的进步，从最初的电报电话到如今的互联网、物联网，通信技术种类繁多。在物联网领域，设备需通过通信网络接入互联网，实现数据远程双向通信。由于从设备到远程服务器可能跨越多个不同种类网络，就需要网关来实现协议转换与数据转发。

网关又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。 网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备，在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。

对于物联网数据采集端，在某些需要大量部署的场合，比如LoRa集中抄表，如果每台水表都使用GPRS等入网通信模块，其成本将大幅增加，不利于设备的推广普及。利用网关可解决这一问题，网关一端负责组织本区域内传感器设备数据的收发，另一端通过以太网或GPRS与云平台通信，既实现了传感设备与云平台交互的目的，又节约了设备成本。但现有网关设备存在以下不足：

1、入网端通信模式定制化、固定化，不能随意更改。常用通信方式有以太网、GPRS、LoRa、NB_iot、WIFI等，现有设备只集成了其中一种，根据不同环境需求需要采用对应的设备，造成设备种类多，生产成本高，采购方需要提前确定准确的通信环境；部分厂家试图在一个设备中集成多种通信，但由于一台设备通常只使用一种通信方式，造成其他通信模块闲置浪费，为避免这种情况，部分厂家只焊接需要的通信模块，但是，不同的通信模块需要烧写不同的程序，造成生产环节复杂化，导致混淆出错。

2、在本地端，市场上常见设备通信硬件接口有LoRa、WIFI 、RS485、RS422、RS232，现有设备只集成了其中一种或少数几种，对于大规模部署的传感器，由于使用环境、传感器种类及生产厂家不同，造成通信模式不同，网关使用一种本地端通信模式已无法满足要求。

3、现有设备程序大多无操作系统，使用裸机运行的方式，内部程序依靠程序员建立的逻辑框架调度，各模块间通信主要由全局变量完成，导致各功能程序间耦合度高，每次添加删除功能程序模块都需对全局的相关部分做修改，这种裸机程序虽然程序简单，降低硬件要求和成本，但不便于修改扩展。随着芯片生产技术的提高，电路硬件成本的差异几乎可以忽略，时间成本愈发重要，能否快速开发、快速扩展成为企业的首要目标，显然，现有程序结构不具备这一特征。

4、软件平台功能单一，现有采集设备一部分采用单机版电脑软件对设备进行配置采集，一部分采用单机版手机app，大部分采用串行通信类接口直接与电脑版串口调试类软件交互，配置过程及内容不利于保存共享，且需要专业人员才能操作，导致普通用户使用困难。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的技术问题，本实用新型提供了一种将以太网通信、GRPS通信、NB_iot通信、WIFI通信和LoRa通信五种通信模式相互透明转换传输的网关，用于将本地数据采集通信网信号与互联网信号相互转换转发，实现本地与远程网络互联互通。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：物联网多功能网关，包括主板，主板上装有远端通信模块、MCU、本地端通信模块和电源模块，电源模块为远端通信模块、MCU及外部基本电路、本地端通信模块供电。

远端通信模块内设有WIFI通信线程，WIFI通信设备手动接入远端通信模块，WIFI通信线程启动，WIFI通信方式建立。

远端通信模块内设有以太网通信线程，以太网通信设备手动接入远端通信模块，以太网通信线程启动，以太网通信方式建立。

远端通信模块内设有NB_IoT通信线程，NB_IoT通信设备手动接入远端通信模块，NB_IoT通信线程启动，NB_IoT通信方式建立。

远端通信模块内设有LoRa通信线程，LoRa通信设备手动接入远端通信模块，LoRa通信线程启动，LoRa通信方式建立。

远端通信模块内设有GPRS通信线程，GPRS通信设备手动接入远端通信模块，GPRS通信线程启动，GPRS通信方式建立。

每种通信设备的程序都做成独立的线程，根据插接的硬件模块启用对应的程序线程，硬件设备的切换需要手动插拔，通过在电脑或手机页面上选择对应的通信接入配置，通信的线程之间无关联，程序运行流程简单可靠，便于新增或删除通信模块，模块与程序都能灵活配置增减。

本地设备与本地端通信模块进行双向信号传输，本地端通信模块的信号输出端与上行信息缓存队列的信号输入端连接，上行信息缓存队列的信号输出端与远端通信模块的信号输入端连接，远端通信模块与云平台进行双向信号传输，远端通信模块的信号输出端与下行信息缓存队列的信号输入端连接，下行信息缓存队列的信号输出端与本地端通信模块的信号输入端连接。

本实用新型内总共设有三个任务，一个启动配置升级任务、一个面向远端云平台的通信任务、一个面向本地设备的通信任务。设备上电启动后，首先启动远端通信任务，读取eeprom通信配置参数，根据通信模块编号调用对应的通信模块程序建立起通信任务；启动配置升级任务，经过设备注册、时间设置、设备参数读取等过程后进入循环接收远程命令模式；最后，启动本地端通信任务，读取用户设置通信模块类型，读取对应通信模块配置内容，建立本地通信任务，至此，系统开始正常运行。

当云平台向本地设备发出命令后，远端通信模块接收数据，经过处理后发送至下行信息缓存队列，因等待队列信息被阻塞的本地端通信任务进入运行状态，从下行信息缓存队列信息读出数据后，将数据信息发送至本地端通信模块；当本地端通信模块发送上传数据后，本地通信任务接收处理后发送至上行信息缓存队列，此时，因等待上行信息缓存队列被阻塞的远端通信模块进入运行状态，读取上行消息并发送至服务器，配置及运行任务，唤醒监控系统状态并接受处理云平台下发的配置命令。

远端通信模块程序与本地端通信模块程序分别以线程的方式异步运行，相互间通过队列通信，不同的通信方式对应不用的通信模式，在同一设备中，同一时间只存在一个远端通信线程和一个本地端通信线程。

本实用新型采用灵活切换的远端通信模块：可根据现场通信环境与用户需求插接启用相应的通信模块，增加了设备基板的通用性，降低了设备生产成本，各通信模块采用相同的硬件接口，增加了切换的通用性。

当设备安装在城市城镇中工厂、办公楼、住宅等位置时，可就近获得220V电源和以太网入网端口，此时优先选择以太网通信方式，它具有速度快、带宽高、流量成本低等特点，可大量传输视频图片类信息；对于安装在室内空旷或室外距离无线路由较近的设备，如果不方便连接有线网络，也可以使用WIFI通信模式，减少布线工作量和成本，通信基本稳定；当设备用于市区城镇管网监控等用途时，由于设备安装在地井等不易取电和无法接入以太网的位置，需要使用NB_iot通信模式，运营商在市区布设了大量的NB_iot基站，安装密度高，覆盖范围大，NB_iot具有低功耗、远距离、窄带宽的特点，一块3200mAh锂电池可支持设备工作5年以上，非常适合作为市区内物联网设备采集端通信方式；当设备安装在郊区、山区，不易获取220V电源、无光纤宽带、无运营商网络，就需要使用LoRa通信方式，LoRa具有低功耗、远距离、窄带宽的特点，灵活的组网方式可适合绝大部分野外需求。

根据设备安装环境与功能需求，在安装前设定相应的通信模式，实现了同一设备多种通信模式的灵活切换。

本实用新型可灵活配置本地通信方式：本地端通信模块基本覆盖了常见采集方式，极大地增强了设备的适应性，降低了硬件复杂度，便于扩展，加快了开发速度。

本地常见通信方式有LoRa、WIFI、RS485、RS422、RS232等，网关设备中，只集成了其中一种。在当前大型项目中，往往有多种传感器通信接口，这就需要多种网关，由于项目现场环境的变化导致网关使用数量变更，造成网关备货量增加，极不利于项目实施，而本实用新型可很好地解决这一问题。

本网关具有一个硬件通信接口，，标准的硬件通信接口可插接LoRa、WIFI 、RS485、RS422、RS232等通信模块中的任何一种，根据现场传感器的使用种类快速切换至相应的网关通信模式，即一种网关即可适应所有的通信要求，极大地方便设备采购与安装施工，也增大了后续传感器变更的灵活性。

本实用新型的通信程序任务化：将程序功能任务化，启动过程标准化，便于新通信模块和传感器模块程序开发，开发人员只需将相应程序开发完保存为独立的.c好.h文件，给模块编号，通过配置界面将模块配置为相应的任务或槽，设备在上电启动后会自动启动该程序。该功能程序模块几乎不与其他模块和系统框架程序产生任何耦合，大大降低了程序复杂度，使得开发新通信模块的时间缩短至几天甚至几小时内。省去大量的重复劳动，极大的提高企业研发研发效率、降低研发成本，适应了物联网行业快速研发、快速部署的要求。提高了企业竞争力。

远端通信模块与本地端通信模块程序以独立线程运行，以队列相互通信，降低了模块耦合性。启动时根据配置信息调用对应的通信程序建立线程，减小了启动程序的复杂度，当增加新通信模块时只需添加对应的程序，并在线程建立函数中注册即可。

本实用新型的服务程序平台化：配置服务程序运行在云平台，可使用电脑或手机通过web登录，以页面的方式进行配置，简单易操作，且系统保存操作记录。

配置服务程序部署在远程云服务器上，采用微服务架构，多模块组合搭建，多服务器冗余备份运行，避免了一台服务器宕机造成系统服务瘫痪。

B/S结构的服务，可满足任意电脑与手机用户在任意地点进行相关操作，极大地降低了用户使用地点的限制，特别适用于安装现场施工。

本实用新型具有优美的界面、丰富的功能和人性化的交互操作，为工作人员提供了轻松便捷的工作方式，后台的数据库记录所有操作信息，便于事件追溯。

附图说明

图1为本实用新型的设备功能框图。

图2为本实用新型的任务启动流程图。

图3为本实用新型的任务运行流程图。

图4为远端通信模块的任务流程图。

图5为本地端通信模块的任务流程图。

图6为WIFI通信设备在远端通信设备上的引脚连接示意图。

图7为以太网通信设备在远端通信设备上的引脚连接示意图。

图8为NB_IoT通信设备在远端通信设备上的引脚连接示意图。

图9为LoRa通信设备在远端通信设备上的引脚连接示意图。

图10为GPRS通信设备在远端通信设备上的引脚连接示意图。

图中，1为主板，2为远端通信模块，3为MCU，4为本地端通信模块，5为电源模块，6为本地设备，7为上行信息缓存队列，8为云平台，9为下行信息缓存队列，10为WIFI通信线程，11为太网通信线程，12为NB_IoT通信线程，13为LoRa通信线程，14为GPRS通信线程。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，物联网多功能网关，包括主板1，主板1上装有远端通信模块2、MCU3、本地端通信模块4和电源模块5，电源模块5为远端通信模块2、MCU3及外部基本电路和本地端通信模块4供电。

如图6所示，远端通信模块2上PC11接口、PC12接口、PC13接口、RADIO-VCC接口、GND接口和PB11接口，WIFI通信设备上设有串口收发引脚、数据接收中断引脚、复位引脚、电源引脚和地引脚，串口引发引脚与PC11接口、PC12接口连接，数据接收中断引脚与PC13接口连接，复位引脚与PB11接口连接，电源引脚与RADIO-VCC接口连接，地引脚与GND接口连接。

远端通信模块2内设有WIFI通信线程10，WIFI通信设备手动接入远端通信模块2，WIFI通信线程10启动，WIFI通信方式建立。

如图7所示，远端通信模块2上还设有PB2接口和PB10接口，以太网通信模块上设有串口收发引脚、数据接收中断引脚、复位引脚、配置引脚、电源引脚和地引脚，串口收发引脚与PC11接口、PC12接口连接，数据接收中断引脚与PB2接口连接，复位引脚与PB10接口连接，配置引脚与PB11接口连接，电源引脚与RADIO-VCC接口连接，地引脚与GND接口连接。

远端通信模块2内设有以太网通信线程11，以太网通信设备手动接入远端通信模块2，以太网通信线程11启动，以太网通信方式建立。

如图8所示，NB_IoT通信设备上设有串口收发引脚、数据接收中断引脚、复位引脚、电源引脚和地引脚，串口收发引脚与PC11接口、PC12接口连接，数据接收中断引脚与PB10接口连接，复位引脚与PB11接口连接，电源引脚与RADIO-VCC接口连接，地引脚与GND接口连接。

远端通信模块2内设有NB_IoT通信线程12，NB_IoT通信设备手动接入远端通信模块2，NB_IoT通信线程12启动，NB_IoT通信方式建立。

如图9所示，远端通信模块2上还设有PC4接口、PC5接口、PB0接口、PB1 接口、PC8接口、PC9接口和PC13接口，LoRa通信设备上设有SPI收发引脚、中断DIO1/2/3中断引脚、复位引脚、电源引脚和地引脚，SPI收发引脚与PC4接口、PC5接口、PB0接口、PB1接口连接，中断DIO1/2/3中断引脚与PC8接口、PC9接口、PC13接口连接，复位引脚与PB11接口连接，电源引脚与RADIO-VCC接口连接，地引脚与GND接口连接。

远端通信模块2内设有LoRa通信线程13，LoRa通信设备手动接入远端通信模块2，LoRa通信线程13启动，LoRa通信方式建立。

如图10所示，GPRS通信设备上设有串口收发引脚、数据接收中断引脚、复位引脚、电源引脚和地引脚，串口收发引脚与PC11接口、PC12接口连接，数据接收中断引脚与PC9接口连接，复位引脚与PC13连接，电源引脚与RADIO-VCC接口连接，地引脚与GND接口连接。

远端通信模块2内设有GPRS通信线程14，GPRS通信设备手动接入远端通信模块2，GPRS通信线程14启动，GPRS通信方式建立。

每种通信设备的程序都做成独立的线程，根据插接的硬件模块启用对应的程序线程，硬件设备的切换需要手动插拔，通过在电脑或手机页面上选择对应的通信接入配置，通信的线程之间无关联，程序运行流程简单可靠，便于新增或删除通信模块，模块与程序都能灵活配置增减。

本地设备6与本地端通信模块4进行双向信号传输，本地端通信模块4的信号输出端与上行信息缓存队列7的信号输入端连接，上行信息缓存队列7的信号输出端与远端通信模块2的信号输入端连接，远端通信模块2与云平台8进行双向信号传输，远端通信模块2的信号输出端与下行信息缓存队列9的信号输入端连接，下行信息缓存队列9的信号输出端与本地端通信模块4的信号输入端连接。

本实用新型内总共设有三个任务，一个启动配置升级任务、一个面向远端云平台8的通信任务、一个面向本地设备6的通信任务。设备上电启动后，首先启动远端通信任务，读取eeprom通信配置参数，根据通信模块编号调用对应的通信模块程序建立起通信任务；启动配置升级任务，经过设备注册、时间设置、设备参数读取等过程后进入循环接收远程命令模式；最后，启动本地端通信任务，读取用户设置通信模块类型，读取对应通信模块配置内容，建立本地通信任务，至此，系统开始正常运行。

如图2和图3所示，当云平台8向本地设备6发出命令后，远端通信模块2接收数据，经过处理后发送至下行信息缓存队列9，因等待队列信息被阻塞的本地端通信任务进入运行状态，从下行信息缓存队列9信息读出数据后，将数据信息发送至本地端通信模块4；当本地端通信模块4发送上传数据后，本地通信任务接收处理后发送至上行信息缓存队列7，此时，因等待上行信息缓存队列7被阻塞的远端通信模块2进入运行状态，读取上行消息并发送至服务器，配置及运行任务，唤醒监控系统状态并接受处理云平台8下发的配置命令。

远端通信模块2程序与本地端通信模块4程序分别以线程的方式异步运行，相互间通过队列通信，不同的通信方式对应不用的通信模式，在同一设备中，同一时间只存在一个远端通信线程和一个本地端通信线程。

如图4和图5所示，本实用新型可根据用户实际需求，配置远端通信模块2和本地端通信模块4。用户配置内容包括俩部分，一部分为远端通信模块2，另一部分本地端通信模块4；远端通信模块2配置任务包括通信模块类型号（一种通信模块对应一个编号，编号为2字节16进制数）、心跳包周期、目标网络IP和端口等网络参数；本地端通信模块4配置任务包括通信模块编号、模块地址、通信速率等参数。这种标准化的配置模式符合生活习惯，便于用户掌握。

远端通信通信模块内容包括通信模块类型号（一种通信模块对应一个编号，编号为2字节16进制数）、心跳包周期、目标网络IP和端口等网络参数；本地端配置任务包括，通信模块编号、模块地址、通信速率等参数。这种标准化的配置模式符合生活习惯，便于用户掌握。

本实用新型采用灵活切换的远端通信模块2：可根据现场通信环境与用户需求插接启用相应的通信模块，增加了设备基板的通用性，降低了设备生产成本，各通信模块采用相同的硬件接口，增加了切换的通用性。

当设备安装在城市城镇中工厂、办公楼、住宅等位置时，可就近获得220V电源和以太网入网端口，此时优先选择以太网通信方式，它具有速度快、带宽高、流量成本低等特点，可大量传输视频图片类信息；对于安装在室内空旷或室外距离无线路由较近的设备，如果不方便连接有线网络，也可以使用WIFI通信模式，减少布线工作量和成本，通信基本稳定；当设备用于市区城镇管网监控等用途时，由于设备安装在地井等不易取电和无法接入以太网的位置，需要使用NB_iot通信模式，运营商在市区布设了大量的NB_iot基站，安装密度高，覆盖范围大，NB_iot具有低功耗、远距离、窄带宽的特点，一块3200mAh锂电池可支持设备工作5年以上，非常适合作为市区内物联网设备采集端通信方式；当设备安装在郊区、山区，不易获取220V电源、无光纤宽带、无运营商网络，就需要使用LoRa通信方式，LoRa具有低功耗、远距离、窄带宽的特点，灵活的组网方式可适合绝大部分野外需求。

根据设备安装环境与功能需求，在安装前设定相应的通信模式，实现了同一设备多种通信模式的灵活切换。

本实用新型可灵活配置本地通信方式：本地端通信模块4基本覆盖了常见采集方式，极大地增强了设备的适应性，降低了硬件复杂度，便于扩展，加快了开发速度。

本地常见通信方式有LoRa、WIFI、RS485、RS422、RS232等，网关设备中，只集成了其中一种。在当前大型项目中，往往有多种传感器通信接口，这就需要多种网关，由于项目现场环境的变化导致网关使用数量变更，造成网关备货量增加，极不利于项目实施，而本实用新型可很好地解决这一问题。

本网关具有一个硬件通信接口，，标准的硬件通信接口可插接LoRa、WIFI 、RS485、RS422、RS232等通信模块中的任何一种，根据现场传感器的使用种类快速切换至相应的网关通信模式，即一种网关即可适应所有的通信要求，极大地方便设备采购与安装施工，也增大了后续传感器变更的灵活性。

本实用新型的通信程序任务化：将程序功能任务化，启动过程标准化，便于新通信模块和传感器模块程序开发，开发人员只需将相应程序开发完保存为独立的.c好.h文件，给模块编号，通过配置界面将模块配置为相应的任务或槽，设备在上电启动后会自动启动该程序。该功能程序模块几乎不与其他模块和系统框架程序产生任何耦合，大大降低了程序复杂度，使得开发新通信模块的时间缩短至几天甚至几小时内。省去大量的重复劳动，极大地提高企业研发研发效率、降低研发成本，适应了物联网行业快速研发、快速部署的要求。提高了企业竞争力。

远端通信模块2与本地端通信模块4程序以独立线程运行，以队列相互通信，降低了模块耦合性。启动时根据配置信息调用对应的通信程序建立线程，减小了启动程序的复杂度，当增加新通信模块时只需添加对应的程序，并在线程建立函数中注册即可。

本实用新型的服务程序平台化：配置服务程序运行在云平台8，可使用电脑或手机通过web登录，以页面的方式进行配置，简单易操作，且系统保存操作记录。

配置服务程序部署在远程云服务器上，采用微服务架构，多模块组合搭建，多服务器冗余备份运行，避免了一台服务器宕机造成系统服务瘫痪。

B/S结构的服务，可满足任意电脑与手机用户，在任意地点进行相关操作，极大地降低了用户使用地点的限制，特别适用于安装现场施工。

本实用新型具有优美的界面、丰富的功能和人性化的交互操作，为工作人员提供了轻松便捷的工作方式，后台的数据库记录所有操作信息，便于事件追溯。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本实用新型范围内。