一种无线工业物联网关及其工作方法

技术领域

本发明属于工业物联网技术领域，基于无线局域网的工业物联网关的开发设计，具体涉及一种无线工业物联网关及其工作方法。

背景技术

随着全球互联互通日益深化，数字化成为公司和企业保持竞争力的关键差异化因素。数字化可以保证降低成本，提高生产质量、灵活性和效率。工业物联网将具有感知、监控能力的各类采集、控制传感器或控制器，以及移动通信、智能分析等技术不断融入到工业生产过程各个环节，最终实现将传统工业提升到智能化的新阶段，物联网关在工业场景当中的应用非常广泛。

在这当中，许多不同品牌的工业控制设备无法统一接口、工业协议和总线标准，而且市场上的大部分工业物联网关价格相对较高，其与工控设备间的连接之间也大多采用以太网、串口、CAN口、IO口等有线连接，无法满足工厂的多样化需求。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术中的上述问题，提供了一种无线工业物联网关及其工作方法，所述的无线工业物联网关主要作用于MES系统架构中的数据采集层和数据展现层，为MES系统的运行提供及时、准确的信息，以指导、启动、响应整个工厂间的生产运行，提高生产运行效率。

技术方案：一种无线工业物联网关，所述的无线工业物联网关由上位机设置参数后脱机运行，二者采用串口通信的方式连接，网关根据上位机下发的参数数据，与PLC等设备采用WIFI无线技术建立通讯链路，并将采集得到的工控数据，以WIFI无线传输的方式，采用符合云端规范的数据格式发布至云平台。

一种无线工业物联网关的工作方法，包括如下步骤：

S1：上位机进行参数设置，通过串口通讯协议将参数数据下发至网关。

S2：网关规范化处理前述步骤S1下发的参数数据并得到目标参数。

S3：网关借助NVS空间，存储前述步骤S2得到的目标参数。

S4：网关根据前述步骤S3获得的目标参数实现与PLC设备、传感器、执行器间的WIFI无线连接。

S5：网关通过S7以太网协议和OPCUA协议采集PLC等设备的工控数据。

S6：网关进行协议解析，将采集的数据规范化，利用MQTT传输协议将数据发布至云端。

S7：网关判断有无新参数从上位机传入，若有则重复S1-S6。

优选的，前述步骤S1中，上位机软件下发的参数数据包括云平台相关参数、WIFI账号、WIFI密码、PLC IP地址、机架号、插槽号、发布主题、寄存器地址、相关节点。具体处理过程包括如下步骤：

S1.1：上位机端口初始化。

S1.2：读取界面参数数据，并添加标识符。

S1.3：利用串口传输协议将参数数据传入下位机。

S1.4：清空缓存区数据。

优选的，前述步骤S2中，具体处理过程包括如下步骤：

S2.1：下位机通过识别关键字符截取上位机下发的参数数据。

S2.2：将前述步骤S2.1截取的参数数据按照消息传输协议的不同分类。

S2.3：将步骤S2.2分类后的PLC地址根据不同的标识符进行单独的多次循环切割，依次获得目标参数。

S2.4：清理串口读取缓存区的缓存。

优选的，前述步骤S3中，针对于ESP32开发板的文件管理使用NVS系统，flash中以键值对的形式存储数据。通过串口通讯协议，保存前述步骤S2规范化后的参数数据，实现断电保存功能。将参数保存至NVS空间，可以实现采集异构数据的功能，再根据不同的协议将设备参数分别对应至具体工控设备进行工况数据解析。

再优选的，前述步骤S4中，网关连接指定网络，PLC相关设备连接同一网络。在无线局域网通讯协议下，网关可以利用不同的协议库读取工控设备寄存器的实时数据，实现对PLC等工业控制器的状态监控。

再优选的，前述步骤S5中，具体处理过程包括如下步骤：

S5.1：网关借助所述的步骤S3保存的规范化参数数据，在无线局域网通讯协议下与PLC等设备进行远程连接。

S5.2：网关判断需用S7或OPCUA消息传输协议读取的PLC等设备的个数。

S5.3：网关判断单个PLC设备所需读取的数据块个数。

S5.4：网关根据所述的步骤S5.2和S5.3中的PLC和数据块个数，采用嵌套循环的方式，分别基于S7或OPCUA协议循环读取单个或多个连续或非连续的寄存器数值。

更优选的，前述步骤S6中，网关借助MQTT通信协议，将采集得到的PLC等工况设备数据发送至云端服务器上，通过订阅最后转发至客户端，实现不同地理位置不同客户终端的数据采集以及对现场设备的实时监控。

更优选的，前述步骤6中，具体处理过程包括如下步骤：

S6.1：网关将前述步骤S5中采集得到的PLC工况数据以符合云端规范的数据格式处理。

S6.2：网关将前述步骤S6.1得到的规范化数据，借助对应的消息传输协议库，按照指定的参数数据，发布至云平台。

有益效果：本发明的具体优势如下：

1、本发明的设备支持多品牌PLC设备数据采集和多种协议解析，支持多设备同时接入，最大支持16个PLC同时采集，数据点容量达1300个，满足大部分客户的实际生产需求；

2、基于国产ESP32模块开发，体积小巧，系统功耗低，包括通讯控制模块、抗干扰模块、外围设备、包装等材料容易购买，成本低廉；

3、支持与PLC、传感器、执行器等之间的WiFi无线通信，无需布线，及时连网，快速通信，进一步提高数据的传输精度和采集速率；

4、网关作为客户端无线接入互联网，发布数据到云端，配置简单，无需固定IP，无需动态域名，即插即用。

附图说明

图1为本发明无线工业物联网关与上位机交互流程图；

图2为本发明无线工业物联网关连接WIFI、MQTT服务器过程图；

图3为本发明无线工业物联网关NVS系统解析上位机下发的协议参数逻辑图；

图4为本发明无线工业物联网关读取S7协议下PLC数据并发送云端的逻辑图；

图5为本发明无线工业物联网关读取OPCUA协议下PLC数据并发送云端的逻辑图；

图6为本发明无线工业物联网关基于S7协议的上位机设置界面；

图7为本发明无线工业物联网关基于OPCUA协议的上位机设置界面。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种无线工业物联网关，所述的无线工业物联网关由上位机设置参数后脱机运行，二者采用串口通信的方式连接，网关根据上位机下发的参数数据，与PLC等设备采用WIFI无线技术建立通讯链路，并将采集得到的工控数据，以WIFI无线传输的方式，采用符合云端规范的数据格式发布至云平台。

结合图1至图7，所述的无线工业物联网关的工作方法由如下步骤组成：

图1所示的是无线工业物联网关与上位机进行交互，获取上位机下发参数的过程。

具体过程如下：

步骤一：借助云平台，建立或使用公有、私有云，并配置相关参数，与MQTT.fx客户端连接。

步骤二：上位机通过串口与工业物联网关连接，在实验中，上位机电脑设置端口为COM3，与ESP32通信时波特率设置为115200bps，数据格式为数据位8位、停止位0.5位、无校验位；

步骤三：运行上位机程序，选择服务器配置选项，设置传输协议选择为MQTT协议；

步骤四：配置工业物联网关要连接WiFi，MQTT的参数，包括WiFi账号、WiFi密码、云端地址、端口、账号、密码等参数；

步骤五：针对于步骤四设置的参数，进行写入操作，参数保存到网关中；

步骤六：选择PLC端配置选项，解析协议选为S7,添加PLC等设备的相关参数包括IP地址、机架号、插槽号、寄存器名称、寄存器地址、数据长度；

步骤七：针对于步骤六设置的参数，进行写入操作，参数保存到网关中。

特别说明：步骤六解析的协议若为OPCUA，则选择PLC端配置，解析协议选为OPCUA,添加相关参数包括：服务器IP、端口号、通道名、设备名、标记号、初始变量、数据长度，最后进行写入操作，参数保存到网关中。

图2为本发明无线工业物联网关连接WIFI、MQTT服务器过程图。工业物联网关保存上位机下发的参数，然后通过解析程序，连接WiFi、MQTT服务器。

具体过程如下：

步骤一：工业物联网关上电；

步骤二：工业物联网关处理上位机下发至网关的数据，得到配置的目标参数并保存至NVS空间；

步骤三：工业物联网关读取NVS系统保存的参数；

步骤四：工业物联网关连接WiFi；

步骤五：连接云端服务器。

图3为本发明无线工业物联网关NVS系统解析上位机下发的协议参数逻辑图，判断需要解析的协议类型。

具体过程如下：

步骤一：工业物联网关读取NVS系统保存的设备数据；

步骤二：设备数据与工业物联网关进行适配操作；

步骤三：识别设备协议类型；

图4为本发明无线工业物联网关读取S7协议下PLC数据并发送云端的逻辑图。

具体过程如下：

步骤一：解析协议为S7,添加好PLC等设备的相关参数包括IP地址、机架号、插槽号、寄存器名称、偏移量、数据长度；

步骤二：工业物联网关通过协议解析，判断PLC的数量，确定数据块的数量，调用协议库读取单个或多个连续的寄存器数值；

步骤三：通过MQTT协议发送采集到的数据至云端；

步骤四：循环读取多设备、多寄存器的数据；

步骤五：客户端订阅操作，实现PLC设备状态数据实时监测。

图5为本发明无线工业物联网关读取OPCUA协议下PLC数据并发送云端的逻辑图。

具体过程如下：

步骤一：解析协议为OPCUA,添加好PLC等设备的相关参数包括服务器IP、端口号、通道名、设备名、标记号、初始变量、偏移量；

步骤二：工业物联网关通过协议解析，判断通道的数量，确定节点数量，调用协议库读取节点的数据；

步骤三：通过MQTT协议发送采集到的数据值云端；

步骤四：循环读取多通道、多设备、多节点的数据；

步骤五：客户端订阅操作，实现PLC设备状态数据实时监测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。