CN113625632B - 多场景应用网关、系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多场景应用网关、系统及其控制方法，具体涉及工业控制领域。该网关包括：接口电路板，提供与传感网络的通讯模块接口；交换芯片，连接网络接口实现网络通信；处理器，分别连接多个通讯模块与交换芯片组成内部通讯网络，对通讯模块与交换芯片的通讯进行协调，并在内部进行协议转换、数据处理；根据设定不同的网络标识，根据接收到的数据的不同，对数据进行解析和封装，完成封装后，将封装的数据通过网络接口发送至目标网络；根据当前的应用场景配置接口电路板的接口，结合所述网关的配置以及接收到的数据对网关进行升级和/或维护。本发明通过使用接口电路板的通讯模块接口，能够兼容各个应用场景，提高了网关的兼容性与通用性。

Description

多场景应用网关、系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，特别是涉及一种多场景应用网关、系统及其控制方法。

背景技术

随着通信技术的发展，网关在未来物联网时代将会扮演越来越重要的角色，它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备，网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。此外网关还需要具备设备管理功能，运营商通过网关设备可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制，例如，在工业现场网关担负边缘侧数据采集、处理、传输的重任，与云平台进行融会贯通实现边云一体化。

目前市面上存在着多种网关，包括提供数字量、模拟量采集、输出控制网关；提供串口(232、485)及modbus协议网关；支持各种PLC通信协议、串口通信、IO口采集控制的高端网关。在使用上述网关时，会根据应用场景不同适应选择不同的网关，然而，这样不仅造成各种网关升级维护困难，还导致后期维护成本高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多场景应用网关、系统及其控制方法，用于解决现有技术中根据场景不同选择不同网关，导致后续升级维护成本高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多场景应用网关，包括：

接口电路板，提供与无线或有线传感网络的通讯模块接口，其中，所述通讯模块接口包括：485接口、232接口、CAN接口、网络接口、模拟量接口与数字量接口，所述485接口设置有485通道接口用来连接485网络，所述232接口设置有232通道接口用来连接232网络，所述CAN接口设置有CAN通道接口用来连接CAN网络，所述网络接口用来与网络通信，所述485接口或232接口分别可用来连接Zigbee网络、Bluetooth网络、Wi-Fi网络、可编辑逻辑控制器、智能仪表与工业设备；所述模拟量接口用来采集模拟量信号；所述数字量接口用来采集输入数字信号和控制数字量输出；

交换芯片，连接网络接口与处理器，所述处理器以总线的方式通过交换芯片与各个网络接口相连接实现二层网络通信，所述处理器通过网络接口完成对数据的接收或者发送；

处理器，分别连接接口电路板的多个通讯模块与所述交换芯片组成内部通讯网络，所述内部通讯网络以所述处理器为核心，所述处理器对所述通讯模块与交换芯片的通讯进行协调，并在内部进行协议转换、数据处理；所述处理器根据设定不同的网络标识，根据接收到的数据的不同，对数据进行解析和封装，完成目标通讯网络通信协议的封装后，将封装的数据通过网络接口发送至目标网络；所述处理器用于根据当前的应用场景配置接口电路板的接口，结合所述网关的配置以及接收到的数据对网关进行升级和/或维护。

于本发明的一实施例中，还包括：边缘计算板，连接所述处理器，所述边缘计算板包括SOC核心板与DSP核心板，用于根据网关的配置状况选择相应的核心板来实现对数据处理，调用所述SOC核心板和/或DSP核心板来提高边缘计算的效率与处理的实时性。

于本发明的一实施例中，还包括：电源管理芯片，其分别连接处理器、边缘计算板与交换芯片，用于根据所述处理器、边缘计算板与交换片芯各自的额定电压提供与其匹配的电源电压，控制各模块的供电。

于本发明的一实施例中，所述处理器，还用于检测到所述边缘计算板在未工作时，切断电源管理芯片与边缘计算板之间的电源供给实现节能。

于本发明的一实施例中还包括：所述处理器，利用集成存储器存储地址信息，根据所述地址信息轮询查询接口是否有数据需要发送，若需要发送则在所述接口停留一定的时间t，在时间t内所述接口向所述处理器发送符合接口网络通信协议的报文，所述处理器接收到所述报文后，提取出有效数据载荷，所述有效数据载荷包括网络标识，解析数据帧读取第一个字节，获得源网络与目标网络的标识；通过标识调取协议处理方法，获得目的地址与源地址，并对提取出的数据帧进行封装，由所述处理器将其发送至目标接口进行发送。

于本发明的一实施例中，还包括：所述处理器根据当前场景中所述网关接口电路板的配置状况来确定是否使用边缘计算板，当检测到需要使用边缘计算板，发送控制信号闭合电源管理芯片与边缘计算板之间的电源供给。

于本发明的一实施例中，所述边缘计算板采用PCIE接口连接到网关上以实现即插即用。

本发明在第二方面上提供了一种多场景应用网关控制方法，包括：

利用接口电路板提供与无线或有线传感网络的通讯模块接口；其中，所述通讯模块接口包括：485接口、232接口、CAN接口、网络接口、模拟量接口与数字量接口；

对通讯模块与交换芯片的通讯进行协调，并在内部进行协议转换、数据处理；

根据设定不同的网络标识，根据接收到的数据的不同，对数据进行解析和封装，完成目标通讯网络通信协议的封装后，将封装的数据通过网络接口发送至目标网络；

根据当前的应用场景配置接口电路板的接口，结合所述网关的配置以及接收到的数据对网关进行升级和/或维护。

本发明的第三方面上提供了一种多场景应用系统，包括采用上述的多场景应用网关。

如上所述，本发明多场景应用网关、系统及其控制方法。

本发明中网关通过使用接口电路板的各种通讯模块接口，能够兼容各个应用场景，从而避免使用多种不同类型网关的现象，提高了网关的兼容性与通用性，同时，将该网关应用于不同场景，便于网关统一升级和维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种多场景应用网关结构框图；

图2为本发明提供的一种多场景应用网关的原理结构框图；

图3为本发明提供的一种多场景应用网关的控制方法流程图。

元件标号说明：

1、处理器；2、交换芯片；3、边缘计算板；4、电源管理芯片；5、接口电路板。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，为本发明提供的一种多场景应用网关结构框图，包括：

接口电路板5，提供与无线或有线传感网络的通讯模块接口，其中，所述通讯模块接口包括：485接口、232接口、CAN接口、网络接口、模拟量接口与数字量接口，所述485接口设置有485通道接口用来连接485网络，所述232接口设置有232通道接口用来连接232网络，所述CAN接口设置有CAN通道接口用来连接CAN网络，所述网络接口用来与网络通信，所述485接口或232接口分别可用来连接Zigbee网络、Bluetooth网络、Wi-Fi网络、可编辑逻辑控制器、智能仪表与工业设备；所述模拟量接口用来采集模拟量信号；所述数字量接口用来采集输入数字信号和控制数字量输出；

其中，网关具有物理地址、设备ID号或者设备识别码等唯一标识性的信息，能够区分局域网内不同的网关，通过网关标识性的信息实现组网。

其中，需要说明的是，硬件接口电路板完成AI(模拟量输入)、DI(数字量输入)采集，DO(数字量输出)输出控制、modbus/485、232数据通信、CAN通信、以太网通信，协助完成数据采集、数据透传、协议转换，实现网关的基本功。

交换芯片2，连接网络接口与处理器1，所述处理器1以总线的方式通过交换芯片与各个网络接口相连接实现二层网络通信(仅通过MAC寻址即可实现通讯)，所述处理器1通过网络接口完成对数据的接收或者发送；

处理器1，分别连接接口电路板的多个通讯模块与所述交换芯片组成内部通讯网络，所述内部通讯网络以所述处理器为核心，所述处理器对所述通讯模块与交换芯片的通讯进行协调，并在内部进行协议转换、数据处理；所述处理器根据设定不同的网络标识，根据接收到的数据的不同，对数据进行解析和封装，完成目标通讯网络通信协议的封装后，将封装的数据通过网络接口发送至目标网络；所述处理器用于根据当前的应用场景配置接口电路板的接口，结合所述网关的配置以及接收到的数据对网关进行升级和/或维护。

其中，网关提供的通讯模块接口可连接包括Zigbee、WiFi、Bluetooth等无线传感网络，以及PLC、RS485、RS232、CAN等工业网络中的任意一个及以上的网络。Zigbee模块支持串口通信，可连接232、485接口；蓝牙模块、WIFI模块支持USB口、串口；其它常用于工业网络中的通信模块均支持485接口或者CAN接口；Zigbee、蓝牙等自组网为多跳网络，接口上连接的为该自组网的唯一的一个网络汇聚节点，定义为主机，其他为从机。该主机为网络中的每台从机分配一个字节的地址标识符，并对设备的加入和推出进行管理，在通讯过程中将从机向主机发送数据通过接口发送至网关内部。网络接口可形成自组网通过接口以有线或者无线的方式进行连接，以处理器为中心，向处理器发送数据，通过处理器进行协议融合、协议转换、数据处理后，实现两两之间互相通信。

例如，处理器可以是一个中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。

在本实施例中，通过灵活的配置网关，可根据当前使用场景不同选择不同的配置，大大提升了该网关的通用性和兼容性，同时，将该网关应用于不同场景，便于网关统一升级和维护；另外，上述网关可采用同一套结构模具进行生产，从而降低网关的生产成本。

例如，还可利用时间戳记录报文产生的时间，时间戳是指格林威治时间1970年01月01日00时00分00秒(北京时间1970年01月01日08时00分00秒)起至现在的总毫秒数，其可以是一个字符序列，能够唯一地标识报文产生的时间，在报文进行封装时结合其对应的时间戳一同封装，将封装的报文发送至目标网络解析，通过解析报文不仅能够得到报文内容，同时，能够获取报文产生时间，有助于实时监控网关连接的传感网络。

例如，网关可以利用网络接口接收到的数据携带到第五代移动通信技术中，与工业设备或控制设备进行通信。相比现有的通过局域网进行通信，提高了系统的传输速率，进而提升了系统的工作效率。

在另一些实施例中，还包括：边缘计算板5，连接所述处理器，所述边缘计算板包括SOC核心板与DSP核心板，用于根据网关的配置状况选择相应的核心板来实现对数据处理，调用所述SOC核心板和/或DSP核心板来提高边缘计算的效率与处理的实时性。

具体地，所述边缘计算板采用PCIE接口连接到网关的PCB板上，实现即插即用的目的，边缘计算板根据场景进行选配，完成复杂算法处理及私有协议转换，且对其供电进行控制，实现节能的目的。边缘计算板包含使用SOC和DSP的两种核心板，SOC系统核心板提供更高运算效率，通过分析边缘计算效率和算法处理需求进行选用。

其中，SOC核心板称为系统芯片，也有称为片上系统。是指一个将计算机或其他电子系统集成单一芯片的集成电路。系统芯片可以处理数字信号、模拟信号、混合信号甚至更高频率的信号。系统芯片常应用在嵌入式系统中，系统芯片的集成规模很大，一般达到几百万门到几千万门。SoC相对比较灵活，它可以将arm架构的处理器与一些专用的外围芯片集成到一起，组成一个系统。例如，现有的Hisi-3507、hisi3516等处理器都是一个SoC系统。

DSP核心板，即，数字信号处理器，它是一种专用于实时的数字信号处理的微处理器。结构上它采用哈弗结构，同样采用流水线技术。此外，DSP被用于宿主环境时可作为直接内存存取设备运作，还支持从模拟数字转换器(ADC)获得数据，最终输出的是由数字模拟转换器(DAC)转换为模拟信号的数据，支持一定的并行处理。

在另一些实施例中，还包括：电源管理芯片4，其分别连接处理器1、边缘计算板3与交换芯片2，用于根据所述处理器1、边缘计算板3与交换片芯2各自的额定电压提供与其匹配的电源电压，控制各模块的供电。例如，电源管理芯片通过管理电源能够提供电压为9～36伏的电源电压，利用电源转换器将电源转换多个不同档位的电压，例如，处理器1的额定电压为1.8V，交换芯片2的额定电压为3.3V，边缘计算板3的额定电压为3.3V，确保网关中处理器、交换芯片与边缘计算板能够正常和稳定工作。

在另一些实施例中，所述处理器，还用于当检测到所述边缘计算板在未工作时，切断电源管理芯片与边缘计算板之间的电源供给，从而实现节能的目的，通过智能监控的方式降低网关的功耗。

另外，在另一些实施例中，所述处理器根据当前场景中所述网关接口电路板的配置状况来确定是否使用边缘计算板，例如，根据接收到数据量的大小，如果达到预设数据量时，则表示需要使用边缘计算板；或，接收到需要进行复杂计算时，也表示需要使用边缘计算板；当检测到需要使用边缘计算板，发送控制信号闭合电源管理芯片与边缘计算板之间的电源供给，例如，如图1和图2所示，通过发送控制信号控制开关或继电器的方式，来切断或导通电源管理芯片与边缘计算板之间电源连接，从而实现智能化控制和节能的目的。

在另一些实施例中，所述处理器，利用集成存储器存储地址信息，根据所述地址信息轮询查询接口是否有数据需要发送，若需要发送则在所述接口停留一定的时间t，在时间t内所述接口向所述处理器发送符合接口网络通信协议的报文，所述处理器接收到所述报文后，提取出有效数据载荷，所述有效数据载荷包括网络标识，解析数据帧读取第一个字节，获得源网络与目标网络的标识；通过标识调取协议处理方法，获得目的地址与源地址，并对提取出的数据帧进行封装，由所述处理器将其发送至目标接口进行发送。

具体地，所述存储器的存储介质包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

例如，当网关配置有通讯模块接口，如，接口1、接口2至接口N，N为网关支持的最大接口数目，通过逐一轮训上述接口查询是否有数据需要发送，如果检查某一个接口存在数据需要发送，则在该接口等待一定时间，例如，几个毫米，处理器调用与该接口相对应的网络通信协议接收报文，处理器接收到报文后，提取出有效数据载荷，所述有效数据载荷包括网络标识，解析数据帧读取第一个字节，获得源网络与目标网络的标识，通过标识调取协议处理方法，获得目的地址与源地址，并对提取出的数据帧进行封装，由所述处理器将其发送至目标接口进行发送，从而实现传感器网络通过接口向目的地址发送报文的作用，起到网关的实际作用。

同理，当网关需要接收上位机的信息，例如，升级信息、维护信息等，通过解析接收到的报文信息，查看报文信息的网关字段的实际含义，从而实现网关的升级和维护，例如，网关接收所述DHCP服务器响应于所述DHCP Request报文而发送的DHCP ACK报文，通过解析DHCP ACK报文确定网关是否为某个模块/协议需要升级，如果是，按照升级策略进行升级。例如，解析DHCP ACK报文确定网关是否某个模块需要维护时，根据维护信息进行维护。

在本实施例中，通过上述方式，避免了在现场使用中，需要选用多种网关进行适配，容易造成升级维护困难的现象，同时，根据当前的应用场景选择相应的接口电路板的配置，基于所述网关的配置状况接收外部(服务器)管理进行升级和维护，大大提高了网关的适用能力。

请参阅图3，为本发明提供的一种多场景应用网关控制方法，包括：

步骤S1，利用接口电路板提供与无线或有线传感网络的通讯模块接口；其中，所述通讯模块接口包括：485接口、232接口、CAN接口、网络接口、模拟量接口与数字量接口；

具体地，所述485接口设置有485通道接口用来连接485网络，所述232接口设置有232通道接口用来连接232网络，所述CAN接口设置有CAN通道接口用来连接CAN网络，所述网络接口用来与网络通信，所述485接口或232接口分别可用来连接Zigbee网络、Bluetooth网络、Wi-Fi网络；所述模拟量接口用来收发模拟信号；所述数字量接口用来收发数字信号。

需要说明的是，有接口电路板支撑多种接口，能够适应不同场景的应用，避免了根据当前场景不同而选择不同的网关，大大提升了网关的通用性与兼容能力。

步骤S2，对通讯模块与交换芯片的通讯进行协调，并在内部进行协议转换、数据处理；

具体地，处理器通过接口通讯模块与交换芯片进行通讯协调，确保了网关内部组成的内网的运行，通过协议转换与数据处理，大大提高了数据处理能力。

步骤S3，根据设定不同的网络标识，根据接收到的数据的不同，对数据进行解析和封装，完成目标通讯网络通信协议的封装后，将封装的数据通过网络接口发送至目标网络；

具体地，按照网络标识对数据进行解析与封装，不仅可确保相应的通讯网络通信协，还能确保封装好的数据能够通过相应网络接口准确发送的目标网络。

步骤S4，根据当前的应用场景配置接口电路板的接口，结合所述网关的配置以及接收到的数据对网关进行升级和/或维护。

需要说明的是，除了配置网络接口电路板的接口，还能配置边缘计算板，例如，根据网关的配置状况选择边缘计算板中相应的核心板来实现对数据处理，调用所述SOC核心板和/或DSP核心板来提高边缘计算的效率与处理的实时性，其中，所述边缘计算板包括SOC核心板与DSP核心板。

在本实施例中，提高了网关的适应能力，可以一种网关适用于多种不同需求的场景，同时，同时，在数据透传和协议转换场景，无需选用高性能网关，适用成本较低，且能够根据需求变化调节网关的功率，达到节能的目的；另外，在处理器处理效率低时，通过边缘计算板的协助，大大提高了网关的计算算力与处理效率。

本发明的第三方面上提供了一种多场景应用系统，包括采用上述的多场景应用网关，网关通过对应接口连接指定的传感网络，同时，其上位机例如采用服务器连接网关，构建一个完整网络的多场景应用系统。

综上所述，本发明中的网关通过使用接口电路板的各种通讯模块接口，能够兼容各个应用场景，从而提高了网关的兼容性与通用性，同时，使用该网关应用于不同场景，便于网关统一升级和维护。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种多场景应用网关，其特征在于，包括：

接口电路板，提供与无线或有线传感网络的通讯模块接口，其中，所述通讯模块接口包括：485接口、232接口、CAN接口、网络接口、模拟量接口与数字量接口，所述485接口设置有485通道接口用来连接485网络，所述232接口设置有232通道接口用来连接232网络，所述CAN接口设置有CAN通道接口用来连接CAN网络，所述网络接口用来与网络通信，所述485接口或232接口分别可用来连接Zigbee网络、Bluetooth网络、Wi-Fi网络、可编辑逻辑控制器、智能仪表与工业设备；所述模拟量接口用来采集模拟量信号；所述数字量接口用来采集输入数字信号和控制数字量输出；

交换芯片，连接网络接口与处理器，所述处理器以总线的方式通过交换芯片与各个网络接口相连接实现二层网络通信，所述处理器通过网络接口完成对数据的接收或者发送；

处理器，分别连接接口电路板的多个通讯模块与所述交换芯片组成内部通讯网络，所述内部通讯网络以所述处理器为核心，所述处理器对所述通讯模块与交换芯片的通讯进行协调，并在内部进行协议转换、数据处理；所述处理器根据设定不同的网络标识，根据接收到的数据的不同，对数据进行解析和封装，完成目标通讯网络通信协议的封装后，将封装的数据通过网络接口发送至目标网络；所述处理器用于根据当前的应用场景配置接口电路板的接口，结合所述网关的配置以及接收到的数据对网关进行升级和/或维护；

边缘计算板，采用PCIE接口连接到网关上以实现即插即用，所述边缘计算板包括SOC核心板与DSP核心板，用于根据网关的配置状况选择相应的核心板来实现对数据处理，调用所述SOC核心板和/或DSP核心板来提高边缘计算的效率与处理的实时性。

2.根据权利要求1所述的多场景应用网关，其特征在于，还包括：电源管理芯片，其分别连接处理器、边缘计算板与交换芯片，用于根据所述处理器、边缘计算板与交换片芯各自的额定电压提供与其匹配的电源电压，控制各模块的供电。

3.根据权利要求2所述的多场景应用网关，其特征在于，所述处理器，还用于检测到所述边缘计算板在未工作时，切断电源管理芯片与边缘计算板之间的电源供给实现节能。

4.根据权利要求1所述的多场景应用网关，其特征在于，还包括：所述处理器，利用集成存储器存储地址信息，根据所述地址信息轮询查询接口是否有数据需要发送，若需要发送则在所述接口停留一定的时间t，在时间t内所述接口向所述处理器发送符合接口网络通信协议的报文，所述处理器接收到所述报文后，提取出有效数据载荷，所述有效数据载荷包括网络标识，解析数据帧读取第一个字节，获得源网络与目标网络的标识；通过标识调取协议处理方法，获得目的地址与源地址，并对提取出的数据帧进行封装，由所述处理器将其发送至目标接口进行发送。

5.根据权利要求1所述的多场景应用网关，其特征在于，还包括：所述处理器根据当前场景中所述网关接口电路板的配置状况来确定是否使用边缘计算板，当检测到需要使用边缘计算板，发送控制信号闭合电源管理芯片与边缘计算板之间的电源供给。

6.一种多场景应用网关控制方法，其特征在于，包括：

利用接口电路板提供与无线或有线传感网络的通讯模块接口；其中，所述通讯模块接口包括：485接口、232接口、CAN接口、网络接口、模拟量接口与数字量接口；

对通讯模块与交换芯片的通讯进行协调，并在内部进行协议转换、数据处理；

根据设定不同的网络标识，根据接收到的数据的不同，对数据进行解析和封装，完成目标通讯网络通信协议的封装后，将封装的数据通过网络接口发送至目标网络；

根据当前的应用场景配置接口电路板的接口，结合所述网关的配置以及接收到的数据对网关进行升级和/或维护；

根据网关的配置状况选择边缘计算板中相应的核心板来实现对数据处理，调用SOC核心板和/或DSP核心板来提高边缘计算的效率与处理的实时性，其中，所述边缘计算板包括SOC核心板与DSP核心板，所述边缘计算板采用PCIE接口连接到网关上以实现即插即用。

7.一种多场景应用系统，其特征在于，包括采用权利要求1至5中任一所述的多场景应用网关。

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