CN106899498A - 基于SoC的嵌入式工业智能网关及其实时数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于SoC的嵌入式工业智能网关及其实时数据采集方法，包括：中央处理器模块，中央处理器模块包括通过总线彼此连接的ARM和FPGA；ARM和FPGA均分别与数据处理模块、监测报警模块、用户对接模块、以太网模块、无线通讯模块、设备对接模块、通讯接口模块、外设模块、设备协议库模块和数据处理模块连接；数据处理模块包括接收单元和发送单元连接，接收单元用于接收从第三方设备采集的数据，以及接收从用户终端发送的配置信息；发送单元将从第三方设备采集的数据发送到中央处理器模块的FPGA，实现数据的并行处理；FPGA利用硬件并行的优势，实现了设备数据的采集和传输的并行处理，减少通道处理时间。

Description

基于SoC的嵌入式工业智能网关及其实时数据采集方法

技术领域

本发明涉及一种基于SoC的嵌入式工业智能网关及其实时数据采集方法。

背景技术

所谓数据采集通常有两种解释：

一种是从数据源收集、识别和选取数据的过程；

另一种是数字化、电子扫描系统的记录过程以及内容和属性的编码过程。

传统的数据采集系统都是单系统独立运行的，只能进行本地控制，不能联网，即不能实现远程监控和控制，而且一般都是采用有线的方式，比较复杂，也比较慢，使用很不方便。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供基于SoC的嵌入式工业智能网关及其实时数据采集方法，它能够实现对多台设备进行数据采集、实时监测和控制、故障实时报警等，方便了对设备运行的管理，而且操作方便可靠，提高了数据采集与传输的效率，性能稳定，运行可靠。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于SoC的嵌入式工业智能网关，包括：中央处理器模块，所述中央处理器模块包括通过总线彼此连接的ARM和FPGA；

所述ARM分别与数据处理模块、监测报警模块、用户对接模块、以太网模块、无线通讯模块、设备对接模块、通讯接口模块、外设模块、设备协议库模块和数据处理模块连接；

所述FPGA也分别与数据处理模块、监测报警模块、用户对接模块、以太网模块、无线通讯模块、设备对接模块、通讯接口模块、外设模块、设备协议库模块和数据处理模块连接。

所述数据处理模块包括接收单元和发送单元连接，接收单元用于接收从第三方设备采集的数据，以及接收从用户终端发送的配置信息；发送单元将从第三方设备采集的数据发送到中央处理器模块的FPGA，实现数据的并行处理。

所述中央处理器模块包括ARM(Advanced RISC Machine，RISC微处理器)和FPGA(Field Programmable Gate Arrays，现场可编程逻辑门阵列)，其中ARM用于显示界面的设计以及设备数据采集进行的监控，FPGA利用硬件并行的优势，打破了顺序执行的模式，实现了设备数据的采集和传输的并行处理，减少通道处理时间。

所述外设模块包括电源、存储器或LED指示灯；所述存储器包括静态随机存储器或动态随机存储器；

所述设备协议库模块包括：第三方通讯协议单元或主机通讯协议单元；

基于SoC的嵌入式工业智能网关，分别与第三方设备和用户终端连接。所述用户终端可以是移动终端、触摸屏、PC电脑等。

基于SoC的嵌入式工业智能网关，用于对第三方设备进行数据采集，并将采集的数据上传给MES。

所述第三方设备包括工业控制器、机器人、数控系统等。

所述设备对接模块用于建立工业智能网关分别与若干个第三方设备之间的通信连接。

所述用户对接模块用于通过移动网络建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接。

所述用户认证模块与所述用户对接模块连接，用于根据认证请求携带的用户账号和密码对用户终端进行认证；若用户终端通过认证，建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接，若用户终端没有通过认证，向用户终端发送认证失败消息。

所述通讯接口模块在中央处理器模块与周边设备之间建立一个数据通道，实现数据信息的共享，主要包括RS-485通讯接口、RS-232通讯接口、RJ45通讯接口、USB通讯接口、CAN通讯接口。

所述设备协议库模块记录有工业智能网关和第三方设备之间采用的主机通讯协议和第三方通讯协议，实现主机与第三方设备之间的数据传输和信息通讯。

所述监测报警模块，当在设备数据采集和上传MES过程中发生错误时，发出警报，通知工作人员及时处理。

所述监测报警模块，还用于对工业智能网关当前的工作状态进行监测，若工业智能网关发生故障，则监测报警模块通过无线通讯模块将故障信息第一时间发送给上位机，上位机发送给工作人员的移动终端，进而保证工作人员能够第一时间了解工业智能网关的工作状态，第一时间派遣专业的维修队伍前去维修。

所述以太网模块通过所述设备对接模块的一种或多种结合接口与第三方设备连接。

所述无线通讯模块，WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)无线网卡采用满足IEEE802.11a/b/g/n及以上无线传输标准的高速网卡，提供稳定的WiFi无线网络，理论最快速度可以达到300Mbps，为整个网络提供网络支持。

所述的满足IEEE802.11a/b/g/n及以上无线传输标准的高速网卡通过USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口电路与中央处理器模块连接。

MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)；

ARM(Advanced RISC Machine，RISC微处理器)；

FPGA(Field Programmable Gate Arrays，现场可编程逻辑门阵列)；

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)指示灯；

基于SoC的嵌入式工业智能网关的实时数据采集方法，包括如下步骤：

步骤(1)：通过通讯接口模块和设备对接模块将工业智能网关与第三方设备进行连接；

步骤(2)：通过设备协议库模块对工业智能网关与第三方设备之间的通信协议进行配置；

步骤(3)：数据处理模块的接收单元接收由第三方设备发送来的设备数据，并通过发送单元将数据发送到ARM处理器；

步骤(4)：ARM处理器将采集的设备数据通过总线传输给FPGA处理器，FPGA处理器对设备数据进行并行处理和分析；

步骤(5)：FPGA处理器将处理后的设备数据通过总线反馈给ARM处理器，ARM处理器将处理后的设备数据由数据处理模块的发送单元、以太网模块或无线通讯模块，将数据上传制造执行系统MES。

本发明的有益效果：

1.利用ARM和FPGA组成的中央处理器，能够实现多台设备的并行数据采集，并实时上传MES，加快了数据的采集和传输速率。

2.通过WiFi无线网络解决有线布线繁琐、成本高、智能化低的问题，并在有线通讯失效时(例如线路老化磨损、接口松动、电气故障等)保证数据的正常采集和传输。

3.解决了不同网络协议间的不兼容问题。

4.实现了设备数据采集的远程监测和控制。

附图说明

图1为本发明提供的一种工业智能网关结构示意图。

图2为本发明提供的一种工业智能网关数据采集方法应用场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

SoC(System on Chip，系统级芯片)；

图2为本发明提供的一种工业智能网关数据采集方法应用场景示意图，如图所示，本发明提供的一种基于SoC的嵌入式工业智能网关实时数据采集方法，包括第三方设备、工业智能网关和用户终端；

所述第三方设备包括工业控制器、机器人、数控系统等。

图1为本发明提供的一种工业智能网关的结构示意图，如图所示，本发明提供的一种工业智能网关，包括中央处理器模块、数据处理模块、设备对接模块、用户对接模块、用户认证模块、通讯接口模块、设备协议库模块、监测报警模块、以太网模块、无线通讯模块、外设模块。

所述工业智能网关用于对第三方设备进行数据采集，并将采集的设备数据上传MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)，以及与用户终端进行通信。

所述中央处理器模块包括ARM(Advanced RISC Machine，RISC微处理器)和FPGA(Field Programmable Gate Arrays，现场可编程逻辑门阵列)，其中ARM用于显示界面的设计以及设备数据采集进行的监控，FPGA利用硬件并行的优势，打破了顺序执行的模式，实现了设备数据的采集和传输的并行处理，减少通道处理时间。

所述数据处理模块与所述中央处理器模块连接，包括发送单元和接收单元，其中发送单元将从设备采集的数据发送到中央处理器模块的FPGA，实现数据的并行处理，接收单元主要用于接收从设备采集的数据，以及接收从用户终端发送的配置信息等。

所述设备对接模块与所述中央处理器模块连接，用于建立工业智能网关分别与多个第三方设备之间的通信连接。

所述用户对接模块与所述中央处理器模块连接，用于通过移动网络建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接。

所述用户认证模块与所述用户对接模块连接，用于根据认证请求携带的用户账号和密码对用户终端进行认证；若用户终端通过认证，建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接，若用户终端没有通过认证，向用户终端发送认证失败消息。

具体的，所述用户终端可以使用APP(Application，应用程序)和移动网络的连接，接下来再建立工业智能网关和APP的连接，用户通过账号和密码登录APP与工业智能网关进行认证，若用户终端通过认证，建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接，若用户终端没有通过认证，向用户终端发送认证失败的消息，具体采用的认证协议以及密钥此处不做限定。

所述通讯接口模块与所述中央处理器模块连接，在工业现场设备控制器与周边设备之间建立一个数据通道，实现数据信息的共享，主要包括RS-485通讯接口、RS-232通讯接口、RJ45通讯接口、USB通讯接口、CAN通讯接口；

所述设备协议库模块与所述中央处理器模块连接，记录有工业智能网关和第三方设备之间采用的主机通讯协议和第三方通讯协议，实现主机与第三方设备之间的数据传输和信息通讯。

所述的主机通讯协议单元有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议等。

所述的第三方通讯协议单元有CAN协议、Profibus协议、LonWork协议、工业以太网协议等。

所述监测报警模块与所述中央处理器模块连接，当在设备数据采集和上传MES过程中发生错误时，发出警报，通知工作人员及时处理。

所述以太网模块与中央处理器模块连接，所述以太网模块通过RJ45接口能够实现数据的远距离传输，通过RJ45接口和USB接口的综合，提高了本网关的适应性，既能解决网关与第三方设备的快速插接问题，又解决了网关与第三方设备、网关与MES之间并行采集和远距离传输问题。

所述无线通讯模块与所述中央处理器模块连接，WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)无线网卡采用满足IEEE802.11a/b/g/n及以上无线传输标准的高速网卡，提供稳定的WiFi无线网络，理论最快速度可以达到300Mbps，为整个网络提供网络支持。所述的满足IEEE802.11a/b/g/n及以上无线传输标准的高速网卡通过USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口电路与中央处理器模块连接。

所述外设模块与所述中央处理器模块连接，至少包括两个及以上存储器，其中一部分存储器采用SRAM(Static Random Access Memory，静态随机存储器)或者DRAM(Dynamic Random Access Memory，动态随机存储器)，为中央处理器模块在处理数据时提供缓存空间，剩余部分存储器采用FLASH存储器，中央处理器模块在处理过程中将数据同步到FLASH存储器中，以防止在掉电情况下数据丢失。

所述外设模块还包括与中央处理器模块连接的电源电路，其中电源电路为中央处理器模块工作提供稳定的工作电源。

所述外设模块还包括与所述中央处理器模块连接的LED指示灯，便于对中央处理器的工作状态进行表示，并且可以通过不同的颜色进行表示。

所述用户终端包括移动终端(如智能手机)、触摸屏(如平板电脑)、PC(PersonalComputer，个人电脑)等，实现对第三方设备的远程监测和控制，实时查看设备数据的采集和传输情况，当设备数据采集和传输出现问题时，所述的用户终端通过所述的工业智能网关向第三方设备发送更改信息和配置指令，或向所述监测报警模块发送报警信息，通知工作人员及时处理。

所述用户终端还可以向所述数据处理模块发送命令，指定和修改数据格式。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于SoC的嵌入式工业智能网关，其特征是，包括：中央处理器模块，所述中央处理器模块包括通过总线彼此连接的ARM和FPGA；

所述ARM分别与数据处理模块、监测报警模块、用户对接模块、以太网模块、无线通讯模块、设备对接模块、通讯接口模块、外设模块、设备协议库模块和数据处理模块连接；

所述FPGA也分别与数据处理模块、监测报警模块、用户对接模块、以太网模块、无线通讯模块、设备对接模块、通讯接口模块、外设模块、设备协议库模块和数据处理模块连接；

所述数据处理模块包括接收单元和发送单元连接，接收单元用于接收从第三方设备采集的数据，以及接收从用户终端发送的配置信息；发送单元将从第三方设备采集的数据发送到中央处理器模块的FPGA，实现数据的并行处理；

所述中央处理器模块包括ARM和FPGA，其中ARM用于显示界面的设计以及设备数据采集进行的监控，FPGA利用硬件并行的优势，打破了顺序执行的模式，实现了设备数据的采集和传输的并行处理，减少通道处理时间。

2.如权利要求1所述的基于SoC的嵌入式工业智能网关，其特征是，

所述外设模块包括电源、存储器或LED指示灯；所述存储器包括静态随机存储器或动态随机存储器；

所述设备协议库模块包括：第三方通讯协议单元或主机通讯协议单元。

3.如权利要求1所述的基于SoC的嵌入式工业智能网关，其特征是，

基于SoC的嵌入式工业智能网关，分别与第三方设备和用户终端连接。

4.如权利要求1所述的基于SoC的嵌入式工业智能网关，其特征是，

基于SoC的嵌入式工业智能网关，用于对第三方设备进行数据采集，并将采集的数据上传给MES。

5.如权利要求1所述的基于SoC的嵌入式工业智能网关，其特征是，

所述设备对接模块用于建立工业智能网关分别与若干个第三方设备之间的通信连接；

所述用户对接模块用于通过移动网络建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接。

6.如权利要求1所述的基于SoC的嵌入式工业智能网关，其特征是，

所述用户认证模块与所述用户对接模块连接，用于根据认证请求携带的用户账号和密码对用户终端进行认证；若用户终端通过认证，建立工业智能网关和用户终端之间的通信连接，若用户终端没有通过认证，向用户终端发送认证失败消息。

7.如权利要求1所述的基于SoC的嵌入式工业智能网关，其特征是，

所述通讯接口模块在中央处理器模块与周边设备之间建立一个数据通道，实现数据信息的共享，主要包括RS-485通讯接口、RS-232通讯接口、RJ45通讯接口、USB通讯接口、CAN通讯接口。

8.如权利要求1所述的基于SoC的嵌入式工业智能网关，其特征是，

所述设备协议库模块记录有工业智能网关和第三方设备之间采用的主机通讯协议和第三方通讯协议，实现主机与第三方设备之间的数据传输和信息通讯；

所述监测报警模块，当在设备数据采集和上传MES过程中发生错误时，发出警报，通知工作人员及时处理；

所述监测报警模块，还用于对工业智能网关当前的工作状态进行监测，若工业智能网关发生故障，则监测报警模块通过无线通讯模块将故障信息第一时间发送给上位机，上位机发送给工作人员的移动终端，进而保证工作人员能够第一时间了解工业智能网关的工作状态，第一时间派遣专业的维修队伍前去维修；

所述以太网模块通过所述设备对接模块的一种或多种结合接口与第三方设备连接。

9.如权利要求1所述的基于SoC的嵌入式工业智能网关，其特征是，

所述无线通讯模块，WiFi无线网卡采用满足IEEE802.11a/b/g/n及以上无线传输标准的高速网卡，提供稳定的WiFi无线网络，理论最快速度达到300Mbps，为整个网络提供网络支持；所述满足IEEE802.11a/b/g/n及以上无线传输标准的高速网卡通过USB接口电路与中央处理器模块连接。

10.基于SoC的嵌入式工业智能网关的实时数据采集方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤(1)：通过通讯接口模块和设备对接模块将工业智能网关与第三方设备进行连接；

步骤(2)：通过设备协议库模块对工业智能网关与第三方设备之间的通信协议进行配置；

步骤(3)：数据处理模块的接收单元接收由第三方设备发送来的设备数据，并通过发送单元将数据发送到ARM处理器；

步骤(4)：ARM处理器将采集的设备数据通过总线传输给FPGA处理器，FPGA处理器对设备数据进行并行处理和分析；

步骤(5)：FPGA处理器将处理后的设备数据通过总线反馈给ARM处理器，ARM处理器将处理后的设备数据由数据处理模块的发送单元、以太网模块或无线通讯模块，将数据上传制造执行系统MES。