一种基于物联网的智能远程数据采集系统

摘要

本发明提供了一种基于物联网的智能远程数据采集系统，包括多通道异步数据采集模块、多协议中间件模块、参数管理模块、数据传送模块、紧急事件管理模块、自诊断和断电处理模块，其中多通道异步数据采集模块包括参数读取模块、生成协议包模块、发送数据包模块、接收数据包模块；多协议中间件模块包括协议转换算法模块、数据包生成模块；参数管理模块包括采集分配管理模块、参数自动更新管理模块；数据传送模块包括网络协议管理模块、SOCKET连接模块、数据封装模块和数据传输模块；紧急事件管理模块包括事件配置管理模块、事件处理模块、自动告警模块；自诊断和断电处理模块包括系统检测模块、网络检测模块。

说明书

技术领域

本发明属于物联网技术领域，更具体地，涉及一种基于物联网的智能 远程数据采集系统。

背景技术

在工业制造、化工、环保、医疗设备和智能小区等很多领域中都需要 对相关设备进行管理和监测,以便随时了解和掌握设备的各种参数和运行 状况,保障设备可靠安全稳定运行。

传统的本地监测是现场工程师对控制系统进行跟踪，实时了解生产流 程各个环节中设备运行状态，及时处理报警信息；控制人员需要监测控制 系统各个重要参数，评估控制系统性能；生产管理者需要制定生产策略， 实时方便地获得产品生产进度、状态等。但这种传统的本地监测、多基于 企业局域网络方式，由于受限于地理、环境等多种因素，随着当代新技术 的发展，由于缺乏与数据中心、云、大数据等技术的联结，往往无法在实 际应用中做出快速反应，不足日益突显。此外相对传统、单机版嵌入式采 集系统存在功能单一、支持的工业控制协议较少，系统的灵活性不够灵活 等问题。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明综合运用物联网技术、嵌入式技术、 采集系统技术和移动互联网技术等，提供了一种基于物联网的智能远程数 据采集系统。实现对工业设备运行的分布式移动监测，也兼顾采集系统的 开放性、便捷性、通用性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于物联网的智能远程数 据采集系统，其特征在于，所述系统包括多通道异步数据采集模块、多协 议中间件模块、参数管理模块、数据传送模块、紧急事件管理模块以及自 诊断和断电处理模块，其中：

所述多通道异步数据采集模块，用于利用采集系统设备自动采集多个 工业控制设备中的感知参数和控制数据，所述工业控制设备包括通用数据 采集设备、PLC、工控机；还可以通过多种接口和协议标准，采集IC卡读 写器、RFID读写器、条形码扫描器、二维码扫描器中相关数据；

所述多协议中间件模块，用于处理不同厂家的工控设备发来的数据包， 通过解析与译码协议数据包信号以及动态支持接口方法，屏蔽不同厂家、 不同时期和不同工业标准接口的协议差异，将不同的协议转换为统一的协 议标准与数据中心进行数据交换；所述工控设备包括PLC、工控机、DCS或 CNC；所述不同协议包括ModBus、Profibus、TCP/IP、PPI和MPI多种工业 标准协议；

所述参数管理模块，用于接收和存储用户在数据中心按照事先定义的 接口规范和函数调用所填写提交的配置参数表，并根据所述配置参数表对 采集系统进行配置；所述配置参数表中包含有采集系统ID号、文件目录和 文件名。

所述数据传送模块，用于实现采集系统设备到数据中心以及数据中心 到采集系统之间的双向数据传送；通过多线程技术和数据压缩技术，对需 传送数据的数据特性、传送优先级进行智能分组，创建任务队列，实现数 据的多通道并行流水传送和批量处理；；传送数据采用自定义协议包编码， 利用多种互联网或移动互联网传送协议，作为数据传输与控制通道；所述 互联网或移动互联网传送协议包括Wifi，或以太网络，或GPRS，或CDMA， 或3G；

所述紧急事件管理模块，用于通过采集系统接收采集系统所监测的工 控设备发生的紧急事件或异常，根据所述紧急事件或异常发出自动寻呼至 数据中心，使数据中心对所述紧急事件或异常进行处理；

所述自诊断和断电处理模块，用于检测系统自身异常，通过自检函数， 从设备上电与硬件自检、读取配置文件以及网络的故障等，对系统故障进 行处理和修复。

本发明的一个实施例中，所述多通道异步数据采集模块包括参数读取 模块、生成协议包模块、发送数据包模块和接收数据包模块，其中：

所述参数读取模块，用于从存储设备中读取采集参数，采集参数由参 数管理模块提供，参数包括设备型号、协议类型、采集频率、波特率、寄 存器、地址、数据类型以及数据长度；

所述生成协议包模块，用于将设备参数提交给多协议中间件模块，并 获取与设备匹配的协议数据包；

所述发送数据包模块，用于将生成的协议数据包发送给被采集设备， 如PLC；被采集设备包括工控设备及传感器，其中工控设备包括PLC、工控 机、DCS和CNC等，传感器包括温度、湿度、电流、电压传感器,采集系统 通过向被采集设备发送指令的方式，获取设备运行数据；

所述接收数据包模块，用于获取被采集设备的实时运行数据，接受到 的数据包通过协议算法解析后以自定义格式生成数据包，并传给数据传送 模块。

本发明的一个实施例中，所述多协议中间件模块包括协议转换算法模 块、数据包生成模块和数据包解析模块，其中：

所述协议转换算法模块，内置ModBus、Profibus、TCP/IP、PPI和MPI 多种工业标准协议，通过公共函数为其他模块提供协议转换功能，解决采 集系统的开放性与兼容性，实现异构环境下系统的同构化；

所述数据包生成模块，用于生成发送给被采集设备的数据包,将包括数 据格式、数据长度信息的数据包通过协议转换算法生成被采集设备支持的 协议数据包。

所述数据包解析模块，用于处理从被采集设备接受到的数据包，对接 收的数据包进行解析，包括数据点、数据类型、数据值，以获取采集的数 据。

本发明的一个实施例中，所述参数智能配置模块包括参数更新管理模 块、自动分配采集参数模块；其中：

所述参数分配管理模块，用于从存储器读取采集参数，并对采集参数 根据周期、类型、数量进行分组，提高数据采集的效率。

所述参数自动更新管理模块，用于自动更新采集参数，采集参数配置 在后台完成，采集系统通过数据传送模块定时扫描后台，比对参数修改时 间，自动更新最新的采集参数，保证采集参数的准确性。

本发明的一个实施例中，所述数据传送模块包括网络协议管理模块、 SOCKET连接模块、数据封装模块和数据传输模块，其中：

所述网络协议管理模块，用于支持多种网络协议，包括有线、WIFI、 GPRS、CDMA，以适应不同的网络应用环境；

所述SOCKET连接模块,用于实现采集系统和后台服务的通讯，采集系 统和后台服务的通信方式包括UDP和TCP，SOCKET连接方式的选择根据采 集系统的参数特性如采集周期、数据包大小、可靠性要求、传输速度确定；

所述数据封装模块,用于对采集到的数据包进行封装，数据封装采用自 定义格式，自定义格式包括地址、数据包个数、数据长度、校验码，数据 封装长度限制需同时考虑传输效率和网络传输限制；

所述数据传输模块,用于向指定网络地址发送数据包。

本发明的一个实施例中，所述紧急事件管理模块包括事件配置管理模 块、事件处理模块、自动告警模块；

所述配置管理模块，用于管理采集系统本地紧急事件配置表，通过后 台定期更新，配置表包括事件标识和事件描述；

所述事件处理模块,用于在采集系统运行过程中，发现紧急事件或异 常，自动启动紧急事件处理功能，查找事件配置表，定位事件原因或现象；

所述自动告警模块，对事件处理模块产生的紧急事件，实时自动发送 告警信息。

本发明的一个实施例中，所述自诊断和断电处理模块包括系统检测模 块和网络检测模块；

所述系统检测模块,用于系统运行时的自检,以及为防止系统因各种原 因导致的系统死机情况设置的定时检查功能；

所述网络检测模块，支持定时发送网络心跳，用于维持或判断网络连 通状态。

本发明系统针对数控设备远程数据采集，提出了一种基于物联网的智 能远程数据采集系统。本发明可以实现多种设备型号、多种连接和传输协 议的远程数据采集。具体而言，本发明具有如下优点：

(1)数据采集采用多通道采集和传送技术，可以实现大数据量的采集和 传输，发送和接收采用异步方式，可有效避免通道阻塞；

(2)由于系统内置多协议中间件，很大程度提高了系统的扩展性，可 支持多种工业标准和协议，支持不同厂家不同设备的通讯协议，屏蔽不同 厂家、不同时期和不同工业标准接口的协议差异；

(3)系统参数管理模块的自动更新升级功能，使系统具备很强的自适应 性。

(4)组网方式灵活，采用物联网技术，支持有线、无线、GPRS、CDMA等 多种方式实现数据的传输；

(5)可靠性好，系统具备自动检测功能和自动升级功能，可以实现系统 的自动升级和系统故障的自动恢复，保障系统的正常稳定运行；

(6)系统的紧急事件处理功能，能有效提升设备的异常事件诊断和处理 能力。

附图说明

图1为本发明基于物联网的智能远程数据采集系统的总体结构示意图；

图2为本发明系统的MPI协议数据采集示意图；

图3为本发明系统的多通道异步采集模块运行示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，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 实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1所示，本发明基于物联网的智能远程数据采集系统包括：多通 道异步数据采集模块、多协议中间件模块、参数管理模块、数据传送模块、 紧急事件管理模块、自诊断和断电处理模块，其中：

所述多通道异步数据采集模块，用于利用采集系统设备通过多通道异 步方式自动采集多个工业控制设备中的感知参数和控制数据，所述工业控 制设备包括通用多数据采集设备、可编程逻辑控制器(Programmable Logic  Controller，PLC)、工控机；还用于通过多种接口和协议标准，采集IC卡 读写器、无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)读写 器、条形码扫描器、二维码扫描器中相关数据；采集模块实时采集多个工 控设备中数据，将采集的数据汇总、封装；采集系统也可以执行远程的操 作命令，授权实现对工控设备的读、写、启、停等操作；

所述多协议中间件，用于处理不同厂家的工控设备发来的数据包，通 过解析与译码协议数据包信号以及动态支持接口方法，屏蔽不同厂家、不 同时期和不同工业标准接口的协议差异，将不同的协议转换为统一的协议 标准与数据中心进行数据交换；所述工控设备包括可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller，PLC)、工控机、分布式控制系统 (Distributed Control System，DCS)或计算机数字控制机床(Computer  numerical control，CNC)；所述不同协议包括ModBus、Profibus、TCP/IP、 西门子点对点通讯(Point to Point Interface，PPI)和西门子多点通讯 (Multi-Point Interface，MPI)多种工业标准协议；可以实现通过串口、 以太网口等方式，与不同厂家的工控设备(如PLC、工控机、DCS和CNC等) 通讯，支持采集现场多种数据通信方式(如串口RS232/485、Zigbee和 Bluetooth等)

所述参数管理模块，用于接收和存储用户在数据中心按照事先定义的 接口规范和函数调用所填写提交的配置参数表，并根据所述配置参数表对 采集系统进行配置；所述配置参数表中包含有采集系统ID号、文件目录和 文件名；

所述数据传送模块，用于实现采集系统设备到数据中心以及数据中心 到采集系统之间的双向数据传送；通过多线程技术和数据压缩技术，对需 传送数据的数据特性、传送优先级进行智能分组，创建任务队列，实现数 据的多通道并行流水传送和批量处理；传送数据采用自定义协议包编码， 将多种互联网或移动互联网传送协议，作为数据传输与控制通道；所述互 联网或移动互联网传送协议包括无线保真(WIreless-Fidelity，Wifi)、 以太网络、通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service，GPRS)、 码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)、第三代移动通信技 术(3rd-Generation，3G)；

所述紧急事件管理模块，用于通过采集系统接收采集系统所监测的工 控设备发生的紧急事件或异常，根据所述紧急事件或异常发出自动寻呼至 数据中心，使数据中心对所述紧急事件或异常进行处理；

所述自诊断和断电处理模块，用于检测系统自身异常，通过自检函数， 从设备上电与硬件自检、读取配置文件以及网络的故障等，对系统故障进 行处理和修复。

下面针对基于物联网的智能远程数据采集系统中的各模块作进一步详 细的说明。

如图1所示，所述多通道异步数据采集模块，包括参数读取模块、生 成协议包模块、发送数据包模块和接收数据包模块；其中：

所述参数读取模块，用于从存储设备中读取采集参数，采集参数由参 数管理模块提供，参数包括设备型号、协议类型、采集频率、波特率、寄 存器、地址、数据类型以及数据长度；

所述生成协议包模块，用于将设备参数提交给多协议中间件模块，并 获取与设备匹配的协议数据包；

所述发送数据包模块，用于将生成的协议数据包发送给被采集设备， 如PLC；被采集设备包括工控设备及传感器，其中工控设备包括PLC、工控 机、DCS和CNC等，传感器包括如温度、湿度、电流、电压传感器,采集系 统通过向被采集设备发送指令的方式，获取设备运行数据；

在实际应用环境中，被采集设备往往有多个采集地址或采集参数，不 同的采集地址对采集周期可能会有不同的要求，如超载、打击次数和电机 轴温，系统会根据配置要求，自动对采集地址进行分组，规定每组最多不 能超过20个地址，并开启采集通道线程，每个通道拥有独立的线程；并可 以对应不同的采集地址、采集参数和采集周期，通道内数据采集采用异步 采集模式，可以提高采集频率和响应效率，也避免通道阻塞。通过测试采 集系统的异步模式下对PLC的最高采集频率可以达到100ms；

如图2所示，实例说明采集系统支持mpi协议，从PLC中采集参数的 流程，进入采集线程后，终端首先向PLC发送请求(request)，Request包 报文格式见上面介绍的读命令，PLC在收到Request后，对包进行判断，并 返回给终端确认信息(Ack Frame),接着发送数据帧给终端，终端接收返 回报文，解析成功送通信模块，完成一个采集周期。一个采集周期完成后， 睡眠间隔时间(通常是设定的周期如15分钟)，然后开启下一个采集周期。

其中，数据采集模式分为定时被动采集、远程命令采集和模板配置采 集等。其中定时被动采集指采集系统按事先预定采样周期采集(如每隔1s 固定采集一次)；远程命令采集指先由数据中心授权发出采集请求指令，采 集系统收到指令才对工控设备进行采集操作；模板配置采集指用户事先在 数据中心端自定义采集故障监视器、性能监视器的策略模板，采集系统通 过下载该模板执行采集操作。

如图3所示，数据采集系统开启后，系统将读取采集配置参数，对采 集地址按照参数规则(如采用周期、采用地址等)进行分组，每组将开启 一个独立线程作为采集通道，每个采集组的采集周期相同，为了进行批量 采集，组内地址不允许超过20个地址，采集组独立运行，互不影响，没完 成一次采集任务，将数据传送给传输模块。采集系统同时提供远程命令操 作功能，用于对被采集设备进行简单操作如读、写、启、停，采集系统单 独开启远程操作功能线程，以便实时监听数据中心的操作命令，并进行响 应，远程命令操作结束后通知数据中心完成情况。

所述接收数据包模块，用于获取被采集设备的实时运行数据，接收到 的数据包通过协议算法解析后以自定义格式生成数据包，并传给数据传送 模块。

如图1所示，多协议中间件模块包括协议转换算法模块、数据包生成 模块、数据包解析模块。

协议转换算法模块内置ModBus、Profibus、TCP/IP、PPI和MPI等多 种工业标准协议，通过公共函数为其他模块提供协议转换功能，解决了采 集系统的开放性与兼容性，实现异构环境下系统的同构化；协议转换算法 模块提供公共函数给其他模块调用；

多协议中间件，提出一种可以在同一个采集系统上，通过数据通信接 口(如RS232/RS485、ModBus、Profibus、以太网和CANbus等)与多个可 控设备(如PLC、工控机、CNC、DCS、RTU和DTU等)互连，通过支持TCP/IP、 PPI、MPI等多种工业标准协议进行数据交互，通过算法集中解析、译码和 处理不同厂家工控设备发来的数据包的，解决了采集系统的开放性与兼容 性，实现异构环境下多个设备的同构化和数据采集。下面表格1为设备类 型结构定义，结构中可以指定设备类型(采集系统内置设备类型字典)、采 用周期、接口波特率、采集地址格式和地址列表等等信息。

表1

序号 名称 类型 描述 1 plcProtoType short 设备类型 2 samplingPeriod int 采用周期 3 plcBaudRate Int 波特率 4 addressCount Short 地址个数 5 listAddress Char[] 地址列表

所述数据包解析模块，用于处理从被采集设备接收到的数据包，对接 收的数据包进行解析，包括数据点、数据类型、数据值，以获取采集的数 据；

所述数据包生成模块，用于生成发送给被采集设备的数据包,将包括数 据格式、数据长度信息的数据包通过协议转换算法生成被采集设备支持的 协议数据包。表格2，举例说明了MPI协议读取命令结构定义：MPI读取命 令，读取数据时上位机的请求帧格式如下，该帧占据38字节长度：

表2

SD LE LER SD DA SA FC DASP SSAP FS UU GU DU FCS END

SD LE LER SD占据4字节长度，为固定；

DA SA FC DSAP SSAP FS各占据7字节

UU占据6字节长度，均为固定值

GU占据6字节长度，混合读写时可以进行操作

DU单元占据12字节长度从23到26，这4字节为固定数值

27和28这2字节共同表示读取的数据个数，当读取的存储区是I、Q、 M、DB时表示字节个数，当存储区是C、T时表示读取的计数器或定时器 的个数

35是帧校验码，采用和取余算法

31表示存储区类型

36、37是结束符，为固定值，分别等于16 E5。

如图1所示，所述参数管理模块包括参数分配管理模块和参数自动更 新管理模块；其中：

所述参数分配管理模块，用于从存储器读取采集参数，并对采集参数 根据周期、类型、数量进行分组，提高数据采集的效率。

所述参数自动更新管理模块，用于自动更新采集参数，由于采集参数 配置在后台完成，采集系统通过定时扫描后台，比对参数修改时间，自动 更新最新的采集参数，保证采集参数的准确性。

采集系统端相关参数配置由数据中心端进行事先定义配置，配置参数 包括采样设备号、型号、采样频率、采集地址、数据格式和波特率等信息。

数据中心提供了对各种设备和参数的定义选项，如表3所示：

表3

序号 名称 类型 描述 1 Register Char[4] 寄存器 2 dbDatablockNumber Int 数据块数 3 dataLength Short 数据长度 4 Address Char[10] 地址 5 dataType Short 数据类型 6 samplingPeriod Int 采用周期

如图1所示，所述多通道并行数据传送模块包括网络协议管理模块、 SOCKET连接模块、数据封装模块和数据传输模块；

采集系统与数据中心建立连接后，会建立数据输送链路，自动开启多 线程数据传送模式，以实现采集系统与数据中心的多通道并行数据传送， 多通道与数据中心交互,减少了排队时间。

所述网络协议管理模块，用于支持多种网络协议，如有线、WIFI、GPRS、 CDMA等等，以适应不同的网络应用环境，特别是对移动网络协议(GPRS、 CDMA)的支持可以很好的解决恶劣环境的网络通讯问题；

所述SOCKET连接模块,用于实现采集系统和后台服务的通讯，采集系 统和后台服务的通信方式主要有两种，UDP和TCP，SOCKET连接方式的选择 可根据采集系统的参数特性如采集周期、数据包大小、可靠性要求、传输 速度等；采集系统根据需要对采集地址(或参数)分组，数据传输模块会 建立对应的线程接受分组数据，同时数据传输模块还要建立独立的设备操 作线程和配置检查线程，实现多通道与数据中心交互。

所述数据封装模块,用于对采集到的数据包进行封装，数据封装采用自 定义格式，自定义格式包括地址、数据包个数、数据长度、校验码等等， 数据封装长度限制必须同时考虑传输效率和网络传输限制；

所述数据传输模块,用于向指定网络地址发送数据包。

如图1所示，所述紧急事件管理模块包括事件配置管理模块、事件处 理模块以及自动告警模块；

紧急事件管理模块包含2个应用服务，终端紧急事件呼叫TEP和应急 事件监管端口ESP进行管理，采集系统复位启动后自动加载服务。当被采 集设备发生紧急事件或异常时，如其CPU过热或工控设备异常、工控机箱 内风扇速度低于阀值、系统运行中机箱被打开等，采集系统会自动寻查设 置表中的配置映射代码，发出自动寻呼，并且寻呼代码可通过数据中心远 程设置和更新以区分不同性质的事件，方便统一管理和操作。

所述配置管理模块，用于管理采集系统本地紧急事件配置表，通过后 台定期更新，配置表包括事件标识和事件描述；

所述事件处理模块,用于在采集系统运行过程中，发现紧急事件或异 常，自动启动紧急事件处理功能，查找事件配置表，定位事件原因或现象；

所述自动告警模块，对事件处理模块产生的紧急事件，实时自动发送 告警信息。

如图1所示，自诊断和断电处理模块包括系统检测模块以及网络检测 模块；

所述系统检测模块,用于系统运行时的自检,以及为防止系统因各种原 因导致的系统死机情况设置的定时检查功能；

系统具有检测自身异常的功能，通过自检函数，从设备上电与硬件自 检、读取配置文件及数据校验、采样处理、报文组织、数据发送与接收、 网络对时等各个环节的故障明细，快速查找故障原因，并及时处理，恢复 正常运行。

系统同步实时监测采集和传输过程中的各种异常，发生异常后首先发 送给数据中心，比较单纯的异常如报文错误、传输失败等等，终端自动重 复操作，大的异常如内存泄露、配置错误等将导致系统自动复位，以恢复 错误。

所述网络检测模块，支持定时发送网络心跳，用于维持或判断网络连 通状态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。