專利名稱：一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體涉及是一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
隨著以太網(wǎng)迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)應(yīng)用早已深入人們的生活生產(chǎn)中，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，大大的提高了生產(chǎn)、管理效率。與此同時(shí)，“物聯(lián)網(wǎng)”也同樣飛速發(fā)展，物聯(lián)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，使得工業(yè)生產(chǎn)能大大的降低設(shè)備安裝成本，人力成本，同時(shí)又能大大提高效率與可靠性。而物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中的嵌入式設(shè)備連入以太網(wǎng)，其難點(diǎn)在于:單片機(jī)既要處理大量的IP數(shù)據(jù)包；由于應(yīng)用在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，這些數(shù)據(jù)包同時(shí)還注重“實(shí)時(shí)性”，因此單片機(jī)還要運(yùn)行實(shí)時(shí)內(nèi)核，而單片機(jī)自身的資源有限。目前比較成熟的嵌入式設(shè)備連入以太網(wǎng)的方法很多，比較成熟的技術(shù)有以下兩種方案:1、PC機(jī)+專用網(wǎng)絡(luò):采用PC機(jī)作為物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，利用專用網(wǎng)絡(luò)如RS-232把一小批嵌入式設(shè)備連接在一起，首先讓嵌入式設(shè)備通過專用網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳遞給PC，然后PC作為網(wǎng)關(guān)將專用網(wǎng)絡(luò)上的信息轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包，然后發(fā)到網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)信息共享。該方案可以連接多種單片機(jī)。缺點(diǎn):a.需要依賴PC機(jī)作網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，在多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)分散的情況下，專用網(wǎng)絡(luò)布線極為不便；b.需要在PC機(jī)上安裝專門的協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件，該軟件通常由專門的第三方軟件商
提供，費(fèi)用較高。2,Scenix MCU+虛擬軟件包(網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)):采用Scenix公司提供的8位單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入功能。由于該單片機(jī)是迄今世界上最快的單片機(jī)(每秒I億條指令)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作(時(shí)間片輪詢)。在MCU執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制功能的同時(shí)把數(shù)據(jù)打包，發(fā)送到以太網(wǎng)上。該方案優(yōu)點(diǎn):a.不依賴PC機(jī)或高檔單片機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)8位單片機(jī)系統(tǒng)直接接入以太網(wǎng)，整個(gè)系統(tǒng)完全自給自足；b.使用外圍器件少，系統(tǒng)成本低；c.由于Scenix公司免費(fèi)提供用于以太網(wǎng)處理的軟件模塊，使開發(fā)周期大大縮短，開發(fā)成本大大降低。缺點(diǎn):外圍資源少，不是占先式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，無法應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的環(huán)境下。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服PC機(jī)的高費(fèi)用、8位或16位機(jī)外圍資源少，運(yùn)行實(shí)時(shí)內(nèi)核上的困難，本發(fā)明的目的是提供一種不依賴PC機(jī)、費(fèi)用低、易推廣、使用靈活、易于維護(hù)、外圍資源豐富，采用占先式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法。為了實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:總體構(gòu)思:通過32位單片機(jī)外連一款物理層網(wǎng)絡(luò)芯片實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；并對(duì)外提供WEB瀏覽器，管理員可以通過任何一臺(tái)在線的PC機(jī)，通過WEB瀏覽器遠(yuǎn)程登陸完成網(wǎng)絡(luò)的配置、管理以及對(duì)在網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、診斷、維護(hù)和升級(jí)，并借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的維修和故障排除。一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)，其特征在于:包括物聯(lián)網(wǎng)接入模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊兩部分，其中:物聯(lián)網(wǎng)接入模塊采用獨(dú)立的兼容IEEE 802.15.4協(xié)議的物理層射頻芯片，一端與各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為外部設(shè)備無線連接，完成數(shù)據(jù)交互，其另一端與網(wǎng)絡(luò)模塊互連接，該網(wǎng)絡(luò)模塊采用獨(dú)立的物理層網(wǎng)卡，提供三種接口有:RJ_45接口、RS-232接口經(jīng)調(diào)制解調(diào)器和USB接口經(jīng)無線網(wǎng)卡分別接以太網(wǎng)，所述網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將接收到的物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)經(jīng)其輸出到遠(yuǎn)程的以太網(wǎng)。所述物聯(lián)網(wǎng)接入模塊還包括:與物理層射頻芯片連接的外圍驅(qū)動(dòng)電路，所述射頻芯片采用TI公司生產(chǎn)的CC2420。所述網(wǎng)絡(luò)模塊還包括:MCU 采用 AT91RM9200 芯片或 32 位 ARM MCU ；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM，采用大于8MB的SDRAM，用來存儲(chǔ)MCU運(yùn)行的控制程序，還存儲(chǔ)所述物聯(lián)網(wǎng)接入模塊接收到的數(shù)據(jù)；非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器NVRAM，采用大于IMB的NVRAM，主要存放為網(wǎng)絡(luò)模塊與物聯(lián)網(wǎng)接入模塊設(shè)定的參數(shù)信息；程序存儲(chǔ)器FLASH，采用大于4MB的FLASH，用來存放操作系統(tǒng)內(nèi)核程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP和各功能控制程序，時(shí)鐘，為所述網(wǎng)絡(luò)模塊提供時(shí)間信息；所述獨(dú)立的物理層網(wǎng)卡采用KS8721BL芯片，其引腳TX+、TX-、RX+、RX-接MUC的對(duì)應(yīng)端；所述各存儲(chǔ)器和時(shí)鐘分別接MUC對(duì)應(yīng)端。一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于包括如下步驟:建立射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口 ；建立軟件網(wǎng)絡(luò)模塊包括自行裁剪的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和管理模塊，由射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采集物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，經(jīng)該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧模塊，將物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合在以太網(wǎng)上傳送的TCP/IP數(shù)據(jù)包，同時(shí)又將以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合WIA協(xié)議的數(shù)據(jù)；管理模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)管理和設(shè)備管理的控制信息并對(duì)其控制，用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就可以訪問物聯(lián)網(wǎng)中各設(shè)備的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)及查詢?cè)O(shè)備的報(bào)警信息，同時(shí)通過該模塊采用嵌入式WEB服務(wù)器方式與用戶進(jìn)行交互。該方法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下:A 步驟:利用射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，接收來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)；將接收到的數(shù)據(jù)傳入軟件網(wǎng)絡(luò)模塊；軟件網(wǎng)絡(luò)模塊依據(jù)WIA標(biāo)準(zhǔn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理；對(duì)解包處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否需要存儲(chǔ)，若不存儲(chǔ)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)，即IP數(shù)據(jù)包；
將IP數(shù)據(jù)包通過RJ-45接口、RS-232接口或USB接口發(fā)送到以太網(wǎng)；B 步驟:當(dāng)接收到來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)傳入軟件網(wǎng)絡(luò)模塊；軟件網(wǎng)絡(luò)模塊依據(jù)TCP/IP協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理；對(duì)解包處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否為管理信息，若是管理信息，依據(jù)得到的管理信息調(diào)用管理模塊對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置控制或?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，將經(jīng)其處理后，獲得新的配置控制信息或管理信息，然后則接續(xù)執(zhí)行將解包處理后的數(shù)據(jù)或處理后的配置控制信息或管理信息轉(zhuǎn)換成符合WIA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包步驟，利用射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)包發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)步驟如下:進(jìn)入中斷入口，MCU開始接收數(shù)據(jù)；接完數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷，若有效，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器NVRAM中，然后將該數(shù)據(jù)發(fā)送給軟件網(wǎng)絡(luò)模塊，最后中斷返回。A步驟中的解包處理過程:數(shù)據(jù)首先傳入MAC層，經(jīng)過校驗(yàn)、解包處理，得到數(shù)據(jù)鏈路層幀；數(shù)據(jù)鏈路層幀經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層處理后，將有效的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包傳給網(wǎng)絡(luò)層；網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中的源地址對(duì)應(yīng)得到源設(shè)備，即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；判斷源設(shè)備是否有效，若有效，解包后將數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用層；應(yīng)用層根據(jù)包頭判斷工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)類型包括溫度、濕度、壓力或流量；解包后得到所需的源設(shè)備數(shù)據(jù)。B步驟中調(diào)用管理模塊對(duì)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，其包括處理步驟如下:采用嵌入式WEB服務(wù)器方式與用戶進(jìn)行交互；接收用戶登陸信息；驗(yàn)證權(quán)限是否成功，如是成功，則判斷是否進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，如選擇否，繼續(xù)判斷是否對(duì)設(shè)備進(jìn)行配制，如果是，則調(diào)用管理模塊配置程序，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行訪問權(quán)限配置、IP地址配置、信道配置，使該設(shè)備按新配置參數(shù)進(jìn)行工作；如選擇結(jié)束，返回接續(xù)執(zhí)行將獲的管理信息轉(zhuǎn)換為符合WIA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)程序步驟。如選擇進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，則調(diào)用管理模塊管理程序?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配通信資源，控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備加入或離開網(wǎng)絡(luò)的操作，同時(shí)對(duì)該設(shè)備還可進(jìn)行停機(jī)、重啟控制。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果:1.本發(fā)明具有使用的靈活性。本發(fā)明對(duì)外接口齊全，提供RS-232、RJ-45，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)接入模塊兼容IEEE 802.15.4，除上述WIA協(xié)議外，用戶還可根據(jù)需要擴(kuò)展成ZIGBEE、WirelessHart、SP100等多種現(xiàn)有無線通信協(xié)議,或進(jìn)行二次開發(fā)。2.可靠性高，實(shí)時(shí)性好。本發(fā)明基于WIA協(xié)議，可靠性可達(dá)到99%以上，由于采用搶占式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，端到端的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)小于30ms。3.具有良好的可移動(dòng)性。由于采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用戶可以在任何地點(diǎn)通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，瀏覽該設(shè)備的狀態(tài)，并發(fā)出控制命令。4.本系統(tǒng)為嵌入式設(shè)備，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PC機(jī)。另外，外圍資源豐富，如程序存儲(chǔ)器4M，可擴(kuò)展至8M，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8M，可擴(kuò)展到32M，40個(gè)通用輸入/輸出端口 GP10，I個(gè)RS-232接口，I個(gè)RS-485接口，I個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，32K非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器NVRAM，可擴(kuò)展到256K, PCF8563 時(shí)鐘一片，串行 EEPROM 可連接 256K。5.應(yīng)用廣泛。該系統(tǒng)可以通過簡(jiǎn)單的移植應(yīng)用于其它工業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備；也可以應(yīng)用于機(jī)械制造、石油、化工、石化、制藥、冶金、采礦、電力、食品加工、能源、消防等行業(yè)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域。由于本發(fā)明有以上特點(diǎn)，使其從安裝到正常運(yùn)行及其檢修、維護(hù)，都體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。其效果:1.節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧與WEB服務(wù)器，因此不依賴于PC機(jī)2.節(jié)省安裝費(fèi)用。由于采用多種接口方式連入以太網(wǎng)，使本發(fā)明的連接變得大為簡(jiǎn)化，減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量，節(jié)省了投資，同時(shí)適應(yīng)多環(huán)境。3.節(jié)省維護(hù)開銷。由于用戶可以遠(yuǎn)程查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間；同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，減少連線和維護(hù)工作量。4.提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于本發(fā)明采用WIA無線協(xié)議，同時(shí)由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的使用，設(shè)備間連線減少，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工
作可靠性。5.易于管理、監(jiān)控。由于本發(fā)明采用以太網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以無障礙的直接傳送到管理層，便于企業(yè)管理人員檢索數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況。


圖1是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)原理框圖。圖3是物聯(lián)網(wǎng)接入模塊電路原理圖。圖4是硬件網(wǎng)絡(luò)模塊原理圖。圖5-1是本發(fā)明接收來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)流程框圖。圖5-2是本發(fā)明接收來自以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流程框圖。圖6-1是射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊程序流程圖。圖6-2是射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊中斷程序流程圖。圖7是管理模塊程序流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)框圖。一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)，其特征在于:包括物聯(lián)網(wǎng)接入模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊兩部分，其中，物聯(lián)網(wǎng)接入模塊采用獨(dú)立的兼容IEEE 802.15.4協(xié)議的物理層射頻芯片U1，一端與各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為外部設(shè)備無線連接，完成數(shù)據(jù)交互，其另一端與網(wǎng)絡(luò)模塊互連接，該網(wǎng)絡(luò)模塊采用獨(dú)立的物理層網(wǎng)卡U2，提供三種接口有:RJ-45接口、RS-232接口經(jīng)調(diào)制解調(diào)器和USB接口經(jīng)無線網(wǎng)卡分別接以太網(wǎng)，所述網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將接收到的物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)經(jīng)其輸出到遠(yuǎn)程的以太網(wǎng)。
所述網(wǎng)絡(luò)模塊還包括:單片機(jī)MCU 采用 AT91RM9200 芯片或 32 位 ARM MCU ；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM，采用大于8MB的SDRAM，用來存儲(chǔ)MCU運(yùn)行的控制程序，還存儲(chǔ)所述物聯(lián)網(wǎng)接入模塊接收到的數(shù)據(jù)；非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器NVRAM，采用大于IMB的NVRAM，主要存放為網(wǎng)絡(luò)模塊與物聯(lián)網(wǎng)接還入模塊設(shè)定的信息參數(shù)；程序存儲(chǔ)器FLASH，采用大于4MB的FLASH，用來存放操作系統(tǒng)內(nèi)核程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP和各功能控制程序，時(shí)鐘，為所述網(wǎng)絡(luò)模塊提供時(shí)間信息；所述獨(dú)立的物理層網(wǎng)卡U2的引腳TX+、TX-、RX+、RX-引腳接MUC的對(duì)應(yīng)端，所述各存儲(chǔ)器和時(shí)鐘分別接MUC對(duì)應(yīng)端。如圖2、3所示，圖2為本發(fā)明整體電路框圖，圖3物聯(lián)網(wǎng)接入模塊原理圖。該模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2420射頻芯片U1，兼容IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單，可靠性。
如圖4所示，為硬件網(wǎng)絡(luò)模塊電路原理圖，物理層網(wǎng)卡芯片U2選擇KS8721BL，它是IOBASE-T, 100BASE-TX, 100BASE-FX 物理層，完全兼容 ffiEE 802.3u,采用低功耗的 CMOS 設(shè)計(jì)。單片機(jī)MCU芯片選擇ATMEL公司的AT91RM9200，該單片機(jī)是32位機(jī)，RISC結(jié)構(gòu)，集成有10/100BaseT以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器MAC、IOMB ENDEC接口、10通道DMA控制器、2個(gè)獨(dú)立的串行口、總線接口、定時(shí)器、通用I/O等等。一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括如下處理步驟:建立射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口 ；建立軟件網(wǎng)絡(luò)模塊包括自行裁剪的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和管理模塊，由射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采集物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，經(jīng)該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧模塊，將物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合在以太網(wǎng)上傳送的TCP/IP數(shù)據(jù)包，同時(shí)又將以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合WIA協(xié)議的數(shù)據(jù)；管理模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)管理和設(shè)備管理的控制信息并對(duì)其控制，用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就可以訪問物聯(lián)網(wǎng)中各設(shè)備的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)及查詢?cè)O(shè)備的報(bào)警信息，同時(shí)通過該模塊采用嵌入式WEB服務(wù)器方式與用戶進(jìn)行交互。如圖5-1所示，本發(fā)明接收來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)流程框圖。本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下:A步驟:利用射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，接收來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)；將接收到的數(shù)據(jù)傳入軟件網(wǎng)絡(luò)模塊；軟件網(wǎng)絡(luò)模塊依據(jù)WIA標(biāo)準(zhǔn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理；對(duì)解包處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否需要存儲(chǔ)，若不存儲(chǔ)，將解包處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)，即IP數(shù)據(jù)包；將IP數(shù)據(jù)包通過RJ-45接口、RS-232接口或USB接口發(fā)送到以太網(wǎng)；如是需要存儲(chǔ)，則將解包處理后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到NVRAM中，然后再接續(xù)執(zhí)行將解包處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)步驟；如圖5-2所示，是本發(fā)明接收來自以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流程框圖。B 步驟:當(dāng)接收到來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)傳入軟件網(wǎng)絡(luò)模塊；
軟件網(wǎng)絡(luò)模塊依據(jù)TCP/IP協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理；對(duì)解包處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否為管理信息，若不是，則將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合WIA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包；利用射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)包發(fā)送給各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。若是管理信息，則調(diào)用管理模塊程序?qū)υO(shè)備或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，將處理后管理信息接續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)或管理信息轉(zhuǎn)換步驟。A步驟中的解包處理過程:數(shù)據(jù)首先傳入MAC層，經(jīng)過校驗(yàn)、解包處理，得到數(shù)據(jù)鏈路層幀；數(shù)據(jù)鏈路層幀經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層處理后，將有效的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包傳給網(wǎng)絡(luò)層；網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中的源地址對(duì)應(yīng)得到源設(shè)備，即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；判斷源設(shè)備是否有效，若有效，解包后將數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用層；應(yīng)用層根據(jù)包頭判斷工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)類型包括溫度、濕度、壓力或流量；解包后得到所需的源設(shè)備數(shù)據(jù)。B步驟中的WIA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程:數(shù)據(jù)首先傳入應(yīng)用層，應(yīng)用層根據(jù)數(shù)據(jù)的類型，首先將數(shù)據(jù)封裝成應(yīng)用層數(shù)據(jù)包，然后傳給網(wǎng)絡(luò)層；網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)源設(shè)備的地址與目的設(shè)備的地址封入網(wǎng)絡(luò)層包頭，然后將網(wǎng)絡(luò)層包傳入數(shù)據(jù)鏈路層；數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層包的類型，判斷此包是數(shù)據(jù)包還是管理信息包，然后根據(jù)判斷后的結(jié)果將包類型封入數(shù)據(jù)鏈路層包頭，然后將數(shù)據(jù)鏈路層幀傳入MAC層；MAC層進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算，將計(jì)算的結(jié)果封入MAC層幀頭，最后得到符合WIA協(xié)議的數(shù)據(jù)。開發(fā)環(huán)境及選用的軟件開發(fā)包括如下:Green HillsMulti 2000 IDE ；建立射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，選用Nuclues搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，構(gòu)建自行裁剪的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和管理模塊包括管理程序和參數(shù)配置程序，采用嵌入式WEB服務(wù)器方式與用戶進(jìn)行交互；其中，TCP/IP協(xié)議棧、WEB服務(wù)器與管理模塊構(gòu)成軟件網(wǎng)絡(luò)模塊。如圖6-1所示，是射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊軟件流程圖。B步驟中的調(diào)用射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，其數(shù)據(jù)發(fā)送包括處理步驟如下:系統(tǒng)上電后，首先對(duì)MCU進(jìn)行初始化，初始化過程主要包括:MCU首先從非易失性存儲(chǔ)器中讀出配置參數(shù)，配置RF射頻芯片的地址、信道、工作模式；完成初始化后，此模塊處于查詢等待狀態(tài)，實(shí)時(shí)查詢是否有數(shù)據(jù)要傳入物聯(lián)網(wǎng)中，如果有，則將數(shù)據(jù)按物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議輸出，再返回查詢步驟；若無數(shù)據(jù)，則繼續(xù)等待。如圖6-2所示，是射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的中斷服務(wù)流程圖。本發(fā)明采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，可以提聞單片機(jī)效率，并能提聞實(shí)時(shí)性與可罪性。當(dāng)有中斷到來時(shí)，MCU開始接收數(shù)據(jù)；接完數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)的有效性就行判斷，如無效，則直接丟棄；若有效，則直接發(fā)給軟件網(wǎng)絡(luò)模塊，然后中斷返回。B步驟中調(diào)用管理模塊對(duì)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，其包括處理步驟如下:采用嵌入式WEB服務(wù)器方式與用戶進(jìn)行交互；接收用戶登陸信息；
驗(yàn)證權(quán)限是否成功，如是成功，則判斷是否進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，如選擇否，繼續(xù)判斷是否對(duì)設(shè)備進(jìn)行配制，如果是，則調(diào)用管理模塊配置程序，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行訪問權(quán)限配置、IP地址配置、信道配置，使該設(shè)備按新配置參數(shù)進(jìn)行工作；如選擇結(jié)束，返回接續(xù)執(zhí)行將獲的管理信息轉(zhuǎn)換為符合WIA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)程序步驟。如選擇進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，則調(diào)用管理模塊管理程序?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配通信資源，控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備加入或離開網(wǎng)絡(luò)的操作，同時(shí)對(duì)該設(shè)備還可進(jìn)行停機(jī)、重啟控制。訪問權(quán)限配置包括:普通用戶權(quán)限:通WEB服務(wù)器提供的網(wǎng)頁可以顯示及查詢?nèi)啃畔?；管理員權(quán)限:通WEB服務(wù)器提供的網(wǎng)頁可以顯示及查詢?nèi)啃畔?，同時(shí)還可以根據(jù)需要對(duì)本系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行更改配置；系統(tǒng)管理員權(quán)限:通WEB服務(wù)器提供的網(wǎng)頁可以顯示及查詢?nèi)啃畔?，可以根?jù)需要對(duì)本系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行更改配置，同時(shí)還可以根據(jù)需要對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行操作控制。如圖7所示，為管理模塊軟件流程圖。當(dāng)用戶從網(wǎng)頁進(jìn)入管理頁面后，首先要求用戶進(jìn)行登陸，單片機(jī)此時(shí)接收用戶輸入的信息，然后在非易失存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)庫中搜索用戶登陸信息進(jìn)行驗(yàn)證，如果不成功，則直接返回登陸界面重新登陸；如驗(yàn)證成功后，選擇是否進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，如果是，調(diào)用管理模塊的管理程序處理；如果不進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，則選擇是否進(jìn)行配置，如果選擇是，調(diào)用配置程序進(jìn)行以太網(wǎng)、設(shè)備參數(shù)的配置處理，程序結(jié)束返回執(zhí)行程序步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)，其特征在于:包括物聯(lián)網(wǎng)接入模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊兩部分，其中: 物聯(lián)網(wǎng)接入模塊采用獨(dú)立的兼容IEEE 802.15.4協(xié)議的物理層射頻芯片(Ul)，一端與各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為外部設(shè)備無線連接，完成數(shù)據(jù)交互，其另一端與網(wǎng)絡(luò)模塊互連接，該網(wǎng)絡(luò)模塊采用獨(dú)立的物理層網(wǎng)卡(U2)，提供三種接口有:RJ_45接口、RS-232接口經(jīng)調(diào)制解調(diào)器和USB接口經(jīng)無線網(wǎng)卡分別接以太網(wǎng)，所述網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將接收到的物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)經(jīng)其輸出到遠(yuǎn)程的以太網(wǎng)。
2.按照權(quán)利要求1所述一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)，其特征在于:所述物聯(lián)網(wǎng)接入模塊還包括:與物理層射頻芯片(Ul)連接的外圍驅(qū)動(dòng)電路，所述射頻芯片(Ul)采用TI公司生產(chǎn)的CC2420。
3.按照權(quán)利要求1所述一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)，其特征在于:所述網(wǎng)絡(luò)模塊還包括:MCU 采用 AT91RM9200 芯片或 32 位 ARM MCU ； 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM，采用大于8MB的SDRAM，用來存儲(chǔ)MCU運(yùn)行的控制程序，還存儲(chǔ)所述物聯(lián)網(wǎng)接入模塊接收到的數(shù)據(jù)； 非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器NVRAM，采用大于IMB的NVRAM，主要存放為網(wǎng)絡(luò)模塊與物聯(lián)網(wǎng)接入模塊設(shè)定的參數(shù)信息； 程序存儲(chǔ)器FLASH，采用大于4MB的FLASH，用來存放操作系統(tǒng)內(nèi)核程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP和各功能控制程序，時(shí)鐘，為所述網(wǎng)絡(luò)模塊提供時(shí)間信息； 所述獨(dú)立的物理層網(wǎng)卡(U2)采用KS8721BL芯片，其引腳(TX+、TX-、RX+、RX-)接MUC的對(duì)應(yīng)端；所述各存儲(chǔ)器和時(shí)鐘分別接MUC對(duì)應(yīng)端。
4.利用權(quán)利要求1所述一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于包括如下步驟: 建立射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口 ； 建立軟件網(wǎng)絡(luò)模塊包括自行裁剪的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和管理模塊，由射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采集物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，經(jīng)該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧模塊，將物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合在以太網(wǎng)上傳送的TCP/IP數(shù)據(jù)包，同時(shí)又將以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合WIA協(xié)議的數(shù)據(jù)； 管理模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)管理和設(shè)備管理的控制信息并對(duì)其控制，用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就可以訪問物聯(lián)網(wǎng)中各設(shè)備的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)及查詢?cè)O(shè)備的報(bào)警信息，同時(shí)通過該模塊采用嵌入式WEB服務(wù)器方式與用戶進(jìn)行交互。
5.按權(quán)利要求4所述一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于該方法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下: A步驟: 利用射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，接收來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)； 將接收到的數(shù)據(jù)傳入軟件網(wǎng)絡(luò)模塊； 軟件網(wǎng)絡(luò)模塊依據(jù)WIA標(biāo)準(zhǔn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理； 對(duì)解包處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否需要存儲(chǔ)，若不存儲(chǔ)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)，即IP數(shù)據(jù)包；將IP數(shù)據(jù)包通過RJ-45接口、RS-232接口或USB接口發(fā)送到以太網(wǎng)； B步驟: 當(dāng)接收到來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù),將接收到的數(shù)據(jù)傳入軟件網(wǎng)絡(luò)模塊； 軟件網(wǎng)絡(luò)模塊依據(jù)TCP/IP協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理； 對(duì)解包處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否為管理信息，若是管理信息，依據(jù)得到的管理信息調(diào)用管理模塊對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置控制或?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，將經(jīng)其處理后，獲得新的配置控制信息或管理信息，然后則接續(xù)執(zhí)行將解包處理后的數(shù)據(jù)或處理后的配置控制信息或管理信息轉(zhuǎn)換成符合WIA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包步驟，利用射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)包發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
6.按照權(quán)利要求5所述一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)步驟如下: 進(jìn)入中斷入口，MCU開始接收數(shù)據(jù)； 接完數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷，若有效，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器NVRAM中，然后將該數(shù)據(jù)發(fā)送給軟件網(wǎng)絡(luò)模塊，最后中斷返回。
7.按照權(quán)利要求5所述一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于A步驟中的解包處理過程: 數(shù)據(jù)首先傳入MAC層，經(jīng)過校驗(yàn)、解包處理，得到數(shù)據(jù)鏈路層幀； 數(shù)據(jù)鏈路層幀經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層處理后，將有效的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包傳給網(wǎng)絡(luò)層； 網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中的 源地址對(duì)應(yīng)得到源設(shè)備，即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；判斷源設(shè)備是否有效，若有效，解包后將數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用層； 應(yīng)用層根據(jù)包頭判斷工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)類型包括溫度、濕度、壓力或流量；解包后得到所需的源設(shè)備數(shù)據(jù)。
8.按照權(quán)利要求4或5所述一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于B步驟中調(diào)用管理模塊對(duì)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，其包括處理步驟如下: 采用嵌入式WEB服務(wù)器方式與用戶進(jìn)行交互； 接收用戶登陸信息； 驗(yàn)證權(quán)限是否成功，如是成功，則判斷是否進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，如選擇否，繼續(xù)判斷是否對(duì)設(shè)備進(jìn)行配制，如果是，則調(diào)用管理模塊配置程序，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行訪問權(quán)限配置、IP地址配置、信道配置，使該設(shè)備按新配置參數(shù)進(jìn)行工作；如選擇結(jié)束，返回接續(xù)執(zhí)行將獲的管理信息轉(zhuǎn)換為符合WIA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)程序步驟。
9.按照權(quán)利要求8所述一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于如選擇進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，則調(diào)用管理模塊管理程序?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配通信資源，控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備加入或離開網(wǎng)絡(luò)的操作，同時(shí)對(duì)該設(shè)備還可進(jìn)行停機(jī)、重啟控制。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的管理系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法，它是一種可遠(yuǎn)程操作的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，主要應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及其它工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，它包括物聯(lián)網(wǎng)接入模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊兩大部分，其中物聯(lián)網(wǎng)接入模塊采用WIA工業(yè)協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)模塊將接收到的物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)輸出到遠(yuǎn)程的以太網(wǎng)；本發(fā)明提供三種接口有傳統(tǒng)的RJ-45、RS-232經(jīng)調(diào)制解調(diào)器、USB無線網(wǎng)卡接入以太網(wǎng)，使本發(fā)明可以適應(yīng)不同的環(huán)境，使用戶在安裝、使用過程中更加便捷；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方法通過射頻數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和軟件網(wǎng)絡(luò)模塊，同時(shí)向用戶提供嵌入式WEB服務(wù)，依靠WEB瀏覽器便可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制功能，其實(shí)時(shí)性能、網(wǎng)絡(luò)性能、可靠性能是其它系統(tǒng)難以比擬的。
文檔編號(hào)H04L12/24GK103152190SQ20111040207
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者張彥武, 楊祖業(yè), 魏劍嵬, 李勇, 曹景勝 申請(qǐng)人:沈陽中科博微自動(dòng)化技術(shù)有限公司