《煤礦機電設備數據採集解析網關》是中國礦業大學於2013年2月19日申請的專利，該專利的公布號為CN103139059A，公布日為2013年6月5日，發明人是夏士雄、陳朋朋、肖碩。
《煤礦機電設備數據採集解析網關》包括裝置和方法；裝置：核心處理模組、數據存儲模組、程式存儲模組、CAN匯流排模組、串口通信模組、乙太網協定轉換模組、光纖接口模組、RJ45接口模組和電源模組；核心處理模組同時與數據存儲模組、程式存儲模組、CAN匯流排模組、串口通信模組和乙太網協定轉換模組連線，乙太網協定轉換模組同時與光纖接口模組和RJ45接口模組連線，電源模組與所有模組連線，為各模組提供電源；方法基於數據接收模組、數據解析模組、數據上傳模組、網關設定模組；這四個模組通過軟體實現，控制硬體的工作流程和工作方式。優點：能夠設定相應的設備名稱、接口類型和通信協定，對數據實現就地解析、存儲和轉發。
2017年12月11日，《煤礦機電設備數據採集解析網關》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《液煤礦機電設備數據採集解析網關》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：煤礦機電設備數據採集解析網關
- 申請人：中國礦業大學
- 申請日：2013年2月19日
- 申請號：2013100525984
- 公布日：2013年6月5日
- 公布號：CN103139059A
- 發明人：夏士雄、陳朋朋、肖碩
- 地址：江蘇省徐州市大學路1號中國礦業大學科研院
- 分類號：H04L12/66(2006.01)I
- 代理機構：南京經緯專利商標代理有限公司
- 代理人：唐惠芬
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
對煤礦機電設備工作狀態的實時監測，是實現煤礦機電設備統一信息化管理的有效途徑，隨著信息技術的發展，越來越多的設備工作數據被傳輸到煤礦集控中心，但是各廠家的機電設備沒有統一的接口。通信協定多樣化、數據異構性的特點對信息上傳匯總技術提出嚴峻考驗。如果對每一種接口都開發一套特定的數據採集網關顯然非常繁瑣，這就對數據採集網關的通用性提出要求。2013年前，大部分的網關僅僅實現了數據的轉發和交換功能，無法對接收到數據進行解析，即使具備了解析功能也是將該功能固化在程式代碼里，通用性較差。
發明內容
專利目的
該發明的目的是要提供一種煤礦機電設備數據採集解析網關，解決當前煤礦機電設備監測系統接口和通信協定繁多，信息解析困難的問題。
技術方案
《煤礦機電設備數據採集解析網關》的目的是這樣實現的：數據採集解析網關包括裝置和方法；裝置包括：核心處理模組、數據存儲模組、程式存儲模組、CAN匯流排模組、串口通信模組、乙太網協定轉換模組、光纖接口模組、RJ45接口模組和電源模組；核心處理模組同時與數據存儲模組、程式存儲模組、CAN匯流排模組、串口通信模組和乙太網協定轉換模組連線，乙太網協定轉換模組同時與光纖接口模組和RJ45接口模組連線，電源模組與所有模組連線，為各模組提供電源。
該數據解析網關方法基於數據接收模組、數據解析模組、數據上傳模組、網關設定模組；這四個模組通過軟體實現，控制硬體的工作流程和工作方式；通過對現場設備的名稱和通信協定的預設能夠實現設備的自動識別與數據的自適應解析；其中數據接收模組兼容TCP/IP、RS485、RS232、CAN匯流排多種通訊方式，能夠將現場設備的數據讀入到網關中；數據解析模組解析各類設備的數據並按照預設的解析規則進行計算與轉換處理，解析規則主要包含了對數據各位和各位元組含義的標定，以及數據格式的轉換方法；數據上傳模組能夠快取數據並採用標準通用網路協定TCP/IP向上層系統傳送數據；網關設定模組包括數據上傳設定、數據解析規則設定、現場設備參數設定以及其他系統參數設定；
將現場可變動因素從代碼中抽象出來，利用配置設定的方式載入到系統，該網關方法的具體步驟如下：
（1）設備設定：首先對現場所有設備的信息通過網關的Web控制台錄入網關中，同時對所有設備進行編址；當添加新的設備裝置時，能通過信息配置，在不更改網關已有固化程式的情況下，實現對新加入設備的自動識別；
（2）數據獲取設定：網關讀取設定信息，依據預設信息獲取現場設備的通信協定類型以及接口，利用設備通信函式遍歷所有設備，以測試現場設備與網關的物理連通性，若連線正常後則逐一打開數據連線接口，根據設備信息調用相關函式訪問對應的連線埠，返回數據結果，然後對所獲取的原始數據進行校驗，校驗成功則保留數據，否則丟棄；
（3）數據解析設定：獲取原始數據後，處理器能夠根據預設的解析設定，對需要運算的數據進行處理，解析設定主要包含了對數據各位和各位元組含義的標定，以及數據格式的轉換方法；
（4）數據上傳設定：網關首先以檔案的形式快取解析後的數據，數據的存儲按天為單位，每天的數據存於一個檔案中，最多快取三天數據；對於數據的上傳，採用TCP模式Socket編程，首先向上層系統發起TCP連線，若連線成功，通過握手協定進行身份驗證，驗證成功後開始傳送數據，在數據傳輸過程中若出現意外，如因傳輸網路故障等原因未能將數據定時遠傳，則記錄斷點，待傳輸網路恢復正常後網關利用存儲的數據進行斷點續傳；若連線失敗則再重新連線三次，若仍失敗，記錄在日誌檔案內。
有益效果
《煤礦機電設備數據採集解析網關》的有益效果：由於採用了上述方案，對現場所有設備的信息通過網關的Web控制台錄入網關中，可以對所有設備進行編址。當需要添加新的設備裝置時，在不更改網關已有固化程式的情況下，能通過信息配置，實現對新加入設備的自動識別。依據預設信息獲取現場設備的通信協定類型以及接口，利用設備通信函式遍歷所有設備，以測試現場設備與網關的物理連通性，若連線正常後則逐一打開數據連線接口，根據設備信息調用相關函式訪問對應的連線埠，返回數據結果，然後對所獲取的原始數據進行校驗，校驗成功則保留數據，否則丟棄。
獲取原始數據後，讀入解析規則設定檔案，然後根據所設定的數據解析規則對需要運算的數據進行處理，最後通過格式轉化函式對所有數據進行格式轉換，並依據所設定格式進行統一標識。解決了當前煤礦機電設備監測系統接口和通信協定繁多，信息解析困難的問題，達到了該發明的目的。優點：能夠針對煤礦不同的機電設備，設定相應的設備名稱、接口類型和通信協定，對數據實現就地解析、存儲和轉發，具有使用靈活的特點。
附圖說明
圖1為《煤礦機電設備數據採集解析網關》硬體結構圖。
圖2為數據採集網關軟體結構圖。
圖3為網關設定模組流程圖。
權利要求
1.《煤礦機電設備數據採集解析網關》其特徵是：數據採集解析網關包括裝置和方法；裝置包括：核心處理模組、數據存儲模組、程式存儲模組、CAN匯流排模組、串口通信模組、乙太網協定轉換模組、光纖接口模組、RJ45接口模組和電源模組；核心處理模組同時與數據存儲模組、程式存儲模組、CAN匯流排模組、串口通信模組和乙太網協定轉換模組連線，乙太網協定轉換模組同時與光纖接口模組和RJ45接口模組連線，電源模組與所有模組連線，為各模組提供電源；該數據解析網關方法基於數據接收模組、數據解析模組、數據上傳模組、網關設定模組；這四個模組通過軟體實現，控制硬體的工作流程和工作方式；通過對現場設備的名稱和通信協定的預設能夠實現設備的自動識別與數據的自適應解析；其中數據接收模組兼容TCP/IP、RS485、RS232、CAN匯流排多種通訊方式，能夠將現場設備的數據讀入到網關中；數據解析模組解析各類設備的數據並按照預設的解析規則進行計算與轉換處理，解析規則主要包含了對數據各位和各位元組含義的標定，以及數據格式的轉換方法；數據上傳模組能夠快取數據並採用標準通用網路協定TCP/IP向上層系統傳送數據；網關設定模組包括數據上傳設定、數據解析規則設定、現場設備參數設定以及其他系統參數設定；將現場可變動因素從代碼中抽象出來，利用配置設定的方式載入到系統，該網關方法的具體步驟如下：
（1）設備設定：首先對現場所有設備的信息通過網關的Web控制台錄入網關中，同時對所有設備進行編址；當添加新的設備裝置時，能通過信息配置，在不更改網關已有固化程式的情況下，實現對新加入設備的自動識別；
（2）數據獲取設定：網關讀取設定信息，依據預設信息獲取現場設備的通信協定類型以及接口，利用設備通信函式遍歷所有設備，以測試現場設備與網關的物理連通性，若連線正常後則逐一打開數據連線接口，根據設備信息調用相關函式訪問對應的連線埠，返回數據結果，然後對所獲取的原始數據進行校驗，校驗成功則保留數據，否則丟棄；
（3）數據解析設定：獲取原始數據後，處理器能夠根據預設的解析設定，對需要運算的數據進行處理，解析設定主要包含了對數據各位和各位元組含義的標定，以及數據格式的轉換方法；
（4）數據上傳設定：網關首先以檔案的形式快取解析後的數據，數據的存儲按天為單位，每天的數據存於一個檔案中，最多快取三天數據；對於數據的上傳，採用TCP模式Socket編程，首先向上層系統發起TCP連線，若連線成功，通過握手協定進行身份驗證，驗證成功後開始傳送數據，在數據傳輸過程中若出現意外，如因傳輸網路故障等原因未能將數據定時遠傳，則記錄斷點，待傳輸網路恢復正常後網關利用存儲的數據進行斷點續傳；若連線失敗則再重新連線三次，若仍失敗，記錄在日誌檔案內。
實施方式
《煤礦機電設備數據採集解析網關》裝置包括：核心處理模組、數據存儲模組、程式存儲模組、CAN匯流排模組、串口通信模組、乙太網協定轉換模組、光纖接口模組、RJ45接口模組和電源模組；核心處理模組同時與數據存儲模組、程式存儲模組、CAN匯流排模組、串口通信模組和乙太網協定轉換模組連線，乙太網協定轉換模組同時與光纖接口模組和RJ45接口模組連線，電源模組與所有模組連線，為各模組提供電源。
該數據解析網關方法基於數據接收模組、數據解析模組、數據上傳模組、網關設定模組；這四個模組通過軟體實現，控制硬體的工作流程和工作方式；通過對現場設備的名稱和通信協定的預設能夠實現設備的自動識別與數據的自適應解析；其中數據接收模組兼容TCP/IP、RS485、RS232、CAN匯流排多種通訊方式，能夠將現場設備的數據讀入到網關中；數據解析模組解析各類設備的數據並按照預設的解析規則進行計算與轉換處理，解析規則主要包含了對數據各位和各位元組含義的標定，以及數據格式的轉換方法；數據上傳模組能夠快取數據並採用標準通用網路協定TCP/IP向上層系統傳送數據；網關設定模組包括數據上傳設定、數據解析規則設定、現場設備參數設定以及其他系統參數設定；
將現場可變動因素從代碼中抽象出來，利用配置設定的方式載入到系統，該網關方法的具體步驟如下：
（1）設備設定：首先對現場所有設備的信息通過網關的Web控制台錄入網關中，同時對所有設備進行編址；當添加新的設備裝置時，能通過信息配置，在不更改網關已有固化程式的情況下，實現對新加入設備的自動識別；
（2）數據獲取設定：網關讀取設定信息，依據預設信息獲取現場設備的通信協定類型以及接口，利用設備通信函式遍歷所有設備，以測試現場設備與網關的物理連通性，若連線正常後則逐一打開數據連線接口，根據設備信息調用相關函式訪問對應的連線埠，返回數據結果，然後對所獲取的原始數據進行校驗，校驗成功則保留數據，否則丟棄；
（3）數據解析設定：獲取原始數據後，處理器能夠根據預設的解析設定，對需要運算的數據進行處理，解析設定主要包含了對數據各位和各位元組含義的標定，以及數據格式的轉換方法；
（4）數據上傳設定：網關首先以檔案的形式快取解析後的數據，數據的存儲按天為單位，每天的數據存於一個檔案中，最多快取三天數據；對於數據的上傳，採用TCP模式Socket編程，首先向上層系統發起TCP連線，若連線成功，通過握手協定進行身份驗證，驗證成功後開始傳送數據，在數據傳輸過程中若出現意外，如因傳輸網路故障等原因未能將數據定時遠傳，則記錄斷點，待傳輸網路恢復正常後網關利用存儲的數據進行斷點續傳；若連線失敗則再重新連線三次，若仍失敗，記錄在日誌檔案內。
數據採集解析網關包括：核心處理模組U1、數據存儲模組U2、程式存儲模組U3、can匯流排模組U4、串口通信模組U5、乙太網協定轉換模組U6、光纖接口模組U7、RJ45接口模組U8、電源模組U9。
核心處理模組U1同時與數據存儲模組U2、程式存儲模組U3、CAN匯流排模組U4、串口通信模組U5和乙太網協定轉換模組U6連線，乙太網協定轉換模組U6同時與光口通信模組U7和乙太網接口模組U8連線，電源模組U9與所有模組連線，為各模組提供能源。
在圖1中，核心處理模組U1為該網關的核心，負責其它模組的控制和通訊；核心處理模組U1選用Philips的ARM控制器LPC2292。CPU核心工作電壓為1.8伏，引腳工作電壓為3.3伏。LPC2292帶有256k位元組（kB）嵌入的高速Flash存儲器；獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，可實現TCP/IP協定棧中的ARP、TCP、UDP、ICMP等網路協定。LPC2292內部集成兩個CAN控制器。
數據存儲模組U2在該裝置中的功能是實現代碼執行以及數據存儲；數據存儲模組U2採用FM24CL16鐵電存儲器，採用處理器自帶的I2C匯流排相連線，主要保存協定轉換器的一些參數，掉電不丟失。
程式存儲模組U3是個高速同步動態隨機存取存儲器，用於存放已調試好的用戶應用程式、嵌入式作業系統以及在系統掉電後需要保存的用戶數據；使用的是一個高速的同步動態隨機存儲器（4Mwords×4bands×16bits），時鐘頻率143MHz，該晶片能夠滿足工業標準，採用低功耗設計，工作電壓為3.3伏，工作電流低於1毫安。
串口通信模組U5用於串口的數據交換操作，具有接收和傳送數據的功能；串口通信模組U5選用MAX232和MAX485進行協定電平轉換。並對MAX485採用6N137進行光電隔離，以提高系統的穩定性和安全性。
乙太網協定轉換模組U6用於乙太網的協定轉換操作，具有接收和傳送數據的功能，乙太網協定轉換模組U6採用了太網控制器DM9000AEP，該晶片是一個全集成、功能強、性價比高的快速乙太網MAC控制器，它帶有一個通用處理器接口、EEPROM接口、10/100PHY和16KB的SRAM（13KB作為接收FIFO，3KB作為傳送FIFO）。
光纖接口模組U7用於光纖的數據交換操作，具有接收和傳送數據的功能；光纖接口模組U7的光接收端選用深圳飛通光電子技術有限公司生產的PHOTONSTZSONETOC-1同步網用光纖接收前端組件。該組件將AGC電路和檢波電路做在一起，簡化了接收電路，具有動態範圍寬、靈敏度高等優點。
RJ45接口模組U8，是連線乙太網協定轉換模組U6與終端設備接口之間的磁性組件，在其二者之間起著信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、信號雜波抑制和高電壓隔離作用，連線埠有4個RJ45接口。
電源模組U9的功能是提供穩定的電壓（3.3伏、1.8伏）。提供穩定的電壓，主機板工作電壓為3.3伏，主要晶片工作電壓為3.3伏、1.8伏，採用外置DC5伏電源供電，把5伏轉換為3.3伏和1.8伏。
在圖2中，該數據解析網關方法基於數據接收模組、數據解析模組、數據上傳模組、網關設定模組構成。這四個模組通過軟體實現，控制硬體的工作流程和工作方式。通過對現場設備的名稱和通信協定的預設能夠實現設備的自動識別與數據的自適應解析。其中數據接收模組兼容TCP/IP、RS485、RS232、CAN匯流排等多種通訊方式，負責將所有現場設備的數據讀入到網關中；數據解析模組負責解析各類設備的數據並按照預設的解析規則進行計算與轉換處理；數據上傳模組快取數據並採用標準通用網路協定TCP/IP向上層系統傳送數據；網關設定模組主要包括數據上傳設定、數據解析規則設定、現場設備參數設定以及其他系統參數設定。
（一）數據接收模組
數據接收模組包括設備驅動程式、設備通信函式、數據收集函式以及數據校驗函式。設備驅動程式用於協調現場設備和網關的關係；設備通信函式用於測試現場設備與網關的物理連線是否正常；數據收集函式基於設備驅動程式讀取現場所有設備的數據；數據校驗函式用於校驗所接收的原始數據正確與否。
（二）數據解析模組
數據解析模組主要包括數據處理函式和格式轉化函式，依據預設信息來完成不同設備數據的計算處理與格式轉化。其中數據處理函式用於對所接收原始數據進行簡單運算處理，數據處理方式不綁定在靜態代碼中，而是通過動態載入預設信息進行完成；格式轉化函式負責將各類設備的異構數據轉換為一種統一的格式，通過設備編號與獲取數據的時間來標識各類數據。
（三）數據上傳模組
數據上傳模組包括數據緩衝函式和數據上傳函式。數據緩衝函式實現對解析後數據的快取，以檔案形式進行存儲，存儲時間周期可自定義設定；數據上傳函式採用TCP模式Socket編程，支持斷點續傳，同時支持向多個遠程數據中心傳送數據。
（四）網關設定模組
通過內置嵌入式WebServer，提供與用戶的互動接口，利用Web控制台實現對煤礦現場設備、數據解析規則、數據上傳和系統參數的設定。現場設備設定包括設備型號、設備編號、通信接口及協定，實現對各類現場異構設備的統一操作管理；解析規則設定包括對原始數據的分類統計算法、數據解析方法以及數據變換規則；數據上傳設定主要有遠程IP位址設定、子網掩碼設定、連線埠號設定、快取周期設定、身份驗證設定、數據遠程多機備份設定、上傳規則；系統參數設定包括日誌設定、網關許可權設定、系統信息及狀態。
在圖3中，對該發明裝置的網關設定流程進行描述。
該網關將現場可變動因素從代碼中抽象出來，利用配置設定的方式載入到系統，基於上述功能模組，該網關工作流程包括如下步驟：
1）設備設定
首先對現場所有設備的信息通過網關的Web控制台錄入網關中，同時對所有設備進行編址。當添加新的設備裝置時，能通過信息配置，在不更改網關已有固化程式的情況下，實現對新加入設備的自動識別。
2）數據獲取設定
網關讀取設定信息，依據預設信息獲取現場設備的通信協定類型以及接口，利用設備通信函式遍歷所有設備，以測試現場設備與網關的物理連通性，若連線正常後則逐一打開數據連線接口，根據設備信息調用相關函式訪問對應的連線埠，返回數據結果，然後對所獲取的原始數據進行校驗，校驗成功則保留數據，否則丟棄。
3）數據解析設定
獲取原始數據後，處理器能夠根據預設的解析設定，對需要運算的數據進行處理，解析設定主要包含了對數據各位和各位元組含義的標定，以及數據格式的轉換方法。
4）數據上傳設定
網關首先以檔案的形式快取解析後的數據，數據的存儲按天為單位，每天的數據存於一個檔案中，最多快取三天數據；對於數據的上傳，採用TCP模式Socket編程，首先向上層系統發起TCP連線，若連線成功，通過握手協定進行身份驗證，驗證成功後開始傳送數據，在數據傳輸過程中若出現意外，如因傳輸網路故障等原因未能將數據定時遠傳，則記錄斷點，待傳輸網路恢復正常後網關利用存儲的數據進行斷點續傳；若連線失敗則再重新連線三次，若仍失敗，記錄在日誌檔案內。
榮譽表彰
2017年12月11日，《煤礦機電設備數據採集解析網關》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
