基于ARM的工业物联网网关的研究
这是一篇关于工业物联网,现场总线技术,嵌入式网关,RT-Thread(RTOS)的论文, 主要内容为随着物联网技术、现场总线技术等技术的不断发展,工业生产与物联网等先进技术的融合势在必行。以智能生产为标签的“工业4.0”促进了工业生产设备的发展,新的智能设备在保留传统设备数据采集、控制功能的基础上,可以通过现场总线协议组网通信。然而随着工业生产设备的更新换代,如果将传统单向传输的开关量和模拟量设备淘汰替换,将导致工厂生产设备成本增加,因此需要通过工业物联网、嵌入式等技术开发一款兼容传统设备和智能设备的网关设备,以此完成工业现场新旧设备的组网工作。本文以新疆某地区单个原油钻井平台试生产期间的原油计量罐系统升级改造为契机,设计了一款基于ARM的工业物联网网关,使得工厂提高生产效率的同时,减少运行成本和维护成本。相关研究内容如下:(1)在了解了工业生产节点设备常见工作方式以及网关在工业生产系统中的作用基础上,基于原油计量罐升级改造的应用需求,提出了网关的性能指标,给出了网关的软硬件整体设计方案。网关硬件部分采用“核心板+底板”的设计方式,并对底板相关电路原理图进行了设计且制作了PCB电路板;软件部分基于嵌入式实时操作系统RT-Thread实现,以多线程、模块化的方式完成数据采集、多协议组网等功能。(2)选用微控制器型号为STM32H743XIH6的核心板作为网关的主控制器,网关底板搭载的开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块实现对现场传统设备的数据采集和控制;通过RS485、CAN总线电路模块可以使网关与支持常见工业现场总线协议(Modbus、CANopen)的从机设备通信;AT指令接口模块可以满足连网通信功能;电源模块用于给核心板和底板的其他电路模块供电。其中,输入输出模块、RS485、CAN总线电路均做了抗干扰电路设计,使得网关可以在复杂的工业环境中稳定工作。(3)移植了嵌入式实时操作系统RT-Thread,即制作板级支持包(BSP)。根据计量罐系统升级改造的需求,基于RT-Thread提供的设备驱动、内核和组件包等,网关采用多线程的方式对计量罐系统的各个任务进行处理,其中计量罐进油操作过程使用经典PID算法对执行设备进行了较为精确的控制。通过阿里云物联网应用开发(IOT Studio)平台、Touch GFX Designer图形界面工具设计了网关的GUI界面,使得网关既可以通过MQTT协议在云平台完成人机交互,也可以通过核心板扩展的显示屏完成人机交互。(4)对网关的各个模块进行了稳定性和可靠性测试,测试结果表明网关可以稳定工作。本文设计的工业物联网网关对提升原油勘探井试生产效率、节约成本等方面具有重要意义。
基于ARM的工业物联网网关的研究
这是一篇关于工业物联网,现场总线技术,嵌入式网关,RT-Thread(RTOS)的论文, 主要内容为随着物联网技术、现场总线技术等技术的不断发展,工业生产与物联网等先进技术的融合势在必行。以智能生产为标签的“工业4.0”促进了工业生产设备的发展,新的智能设备在保留传统设备数据采集、控制功能的基础上,可以通过现场总线协议组网通信。然而随着工业生产设备的更新换代,如果将传统单向传输的开关量和模拟量设备淘汰替换,将导致工厂生产设备成本增加,因此需要通过工业物联网、嵌入式等技术开发一款兼容传统设备和智能设备的网关设备,以此完成工业现场新旧设备的组网工作。本文以新疆某地区单个原油钻井平台试生产期间的原油计量罐系统升级改造为契机,设计了一款基于ARM的工业物联网网关,使得工厂提高生产效率的同时,减少运行成本和维护成本。相关研究内容如下:(1)在了解了工业生产节点设备常见工作方式以及网关在工业生产系统中的作用基础上,基于原油计量罐升级改造的应用需求,提出了网关的性能指标,给出了网关的软硬件整体设计方案。网关硬件部分采用“核心板+底板”的设计方式,并对底板相关电路原理图进行了设计且制作了PCB电路板;软件部分基于嵌入式实时操作系统RT-Thread实现,以多线程、模块化的方式完成数据采集、多协议组网等功能。(2)选用微控制器型号为STM32H743XIH6的核心板作为网关的主控制器,网关底板搭载的开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块实现对现场传统设备的数据采集和控制;通过RS485、CAN总线电路模块可以使网关与支持常见工业现场总线协议(Modbus、CANopen)的从机设备通信;AT指令接口模块可以满足连网通信功能;电源模块用于给核心板和底板的其他电路模块供电。其中,输入输出模块、RS485、CAN总线电路均做了抗干扰电路设计,使得网关可以在复杂的工业环境中稳定工作。(3)移植了嵌入式实时操作系统RT-Thread,即制作板级支持包(BSP)。根据计量罐系统升级改造的需求,基于RT-Thread提供的设备驱动、内核和组件包等,网关采用多线程的方式对计量罐系统的各个任务进行处理,其中计量罐进油操作过程使用经典PID算法对执行设备进行了较为精确的控制。通过阿里云物联网应用开发(IOT Studio)平台、Touch GFX Designer图形界面工具设计了网关的GUI界面,使得网关既可以通过MQTT协议在云平台完成人机交互,也可以通过核心板扩展的显示屏完成人机交互。(4)对网关的各个模块进行了稳定性和可靠性测试,测试结果表明网关可以稳定工作。本文设计的工业物联网网关对提升原油勘探井试生产效率、节约成本等方面具有重要意义。
基于FPGA的4G与PROFIBUS嵌入式网关研究与实现
这是一篇关于PROFIBUS-DP,4G,FPGA,嵌入式网关,远程监控,Android客户端的论文, 主要内容为PROFIBUS(Process Field Bus,过程现场总线)是一种国际化现场总线标准,具有完善的技术体系、可靠的数据传输和完整的技术标准等特点,成为工业网络中最流行、最成功的一种总线。在制造业自动化、流程工业自动化、楼宇、交通电力及其他领域得到广泛应用。4G(the 4th Generation mobile communication technology)作为新一代的移动通信技术,具有通信速度快、网络频谱更宽、延迟低的优点,是未来几年通信技术的佼佼者。“移动网+工业控制网”一直是研究的热点,而4G通信技术的发展使工业控制网络移动互联成为可能,其在工业领域的应用一直备受瞩目。本项研究在对PROFIBUS-DP现场总线网络和4G移动网络两种异构网络的网络结构和网络协议深入研究和分析的基础上,提出了基于FPGA嵌入式网关的方法实现两种异构网络的无缝连接。PROFIBUS-DP现场总线通过该网关接入到4G通信模块,将现场总线的数据通过4G通信模块上传到云服务器,实现在Android客户端上查看、控制PROFIBUS-DP现场设备,从而达到利用无处不在的4G移动网对PROFIBUS-DP现场总线上设备远程实时监控的目的。同时,在系统安全方面,考虑到PROFIBUS-DP工控网络通过嵌入式网关接入移动互联网的安全性,在FPGA网关内部实现基于AES 128bit的数据加密算法,从而保证数据传输的安全。本项研究以Altera公司Cyclone IV系列FPGA(EP4CE6E22C8)作为核心处理器,加上Nios II软核处理器,配合外围模块电路组成整个嵌入式网关的硬件系统。4G通信模块采用华为公司的ME909s-821 LTE模块,加上中国移动的4G SIM卡。软件系统分为三个部分:在Quartus II软件平台上配合Nios II IDE eclipse软件实现协议转换与数据加密功能;在Android Studio平台上开发Android客户端,提供查询、控制现场设备的友好可视化界面;服务器部分采用阿里云端服务器ECS,服务器架构采用Nginx服务器+基于Django的Web应用框架+Mongo DB数据库,提供响应更快、效率更高、更适用于工业控制网络的后台服务支持。本研究对设计的网关进行了模拟验证与测试,测试结果表明:以FPGA为控制器的嵌入式网关系统,能够实现4G和PROFIBUS-DP两种异构网络的协议转换和数据安全传输;开发的服务器和Android客户端能达到通过移动4G网对PROFIBUS-DP总线上的设备进行方便快捷、实时远程监控的目的。该网关具有高灵活性、快速高效和安全性高的优点。
BESⅢ超导磁体数据采集系统的设计与实现
这是一篇关于BESIII超导磁体,CAN-bus,数据采集,嵌入式网关的论文, 主要内容为本课题是在北京正负电子对撞机/北京谱仪升级改造国家重大科学项目的背景下,设计与实现BESIII超导磁体数据采集系统。该数据采集系统为BESIII超导磁体运行状态分析以及磁体失超分析提供数字接口,为超导磁体的安全运行提供有力保障。 本文在简要分析设计要求的基础上,提出了基于CAN-bus的分布式数据采集系统架构,设计出基于S3C44BOX微处理器和uClinux操作系统的CAN2Ethernet嵌入式网关,连接CAN-bus和以太网,并最终将采集的数据传到以太网上的控制计算机。根据BESIII超导磁体数据采集的特点和要求,制定了一套简单有效的CAN总线用户层协议。该协议从CAN节点规模和数据帧类型上来说都是可扩展的。 在硬件电路设计部分,首先介绍了超导线圈和电流引线电压信号以及拉力传感器信号、应力应变传感器信号、位移传感器信号的前端处理电路,然后介绍了基于SST89E564RD单片机的数据采集节点电路;在CAN2Ethernet网关电路设计中介绍了S3C44BOX微处理器的存储接口、以太网接口和CAN-bus接口,并描述了CAN总线控制器SJA1000控制逻辑的VHDL语言实现。 在数据采集节点软件设计中介绍了模拟电压的AD转换、数据的存储和CAN节点通信程序;在CAN2Ethernet嵌入式网关软件设计中介绍了交叉编译环境的建立、BootLoader的分析和移植、uClinux操作系统的配置和编译、CAN-bus设备驱动程序开发和应用程序开发。 论文最后给出了性能测试结果并对全文进行了总结。
基于FPGA的4G与PROFIBUS嵌入式网关研究与实现
这是一篇关于PROFIBUS-DP,4G,FPGA,嵌入式网关,远程监控,Android客户端的论文, 主要内容为PROFIBUS(Process Field Bus,过程现场总线)是一种国际化现场总线标准,具有完善的技术体系、可靠的数据传输和完整的技术标准等特点,成为工业网络中最流行、最成功的一种总线。在制造业自动化、流程工业自动化、楼宇、交通电力及其他领域得到广泛应用。4G(the 4th Generation mobile communication technology)作为新一代的移动通信技术,具有通信速度快、网络频谱更宽、延迟低的优点,是未来几年通信技术的佼佼者。“移动网+工业控制网”一直是研究的热点,而4G通信技术的发展使工业控制网络移动互联成为可能,其在工业领域的应用一直备受瞩目。本项研究在对PROFIBUS-DP现场总线网络和4G移动网络两种异构网络的网络结构和网络协议深入研究和分析的基础上,提出了基于FPGA嵌入式网关的方法实现两种异构网络的无缝连接。PROFIBUS-DP现场总线通过该网关接入到4G通信模块,将现场总线的数据通过4G通信模块上传到云服务器,实现在Android客户端上查看、控制PROFIBUS-DP现场设备,从而达到利用无处不在的4G移动网对PROFIBUS-DP现场总线上设备远程实时监控的目的。同时,在系统安全方面,考虑到PROFIBUS-DP工控网络通过嵌入式网关接入移动互联网的安全性,在FPGA网关内部实现基于AES 128bit的数据加密算法,从而保证数据传输的安全。本项研究以Altera公司Cyclone IV系列FPGA(EP4CE6E22C8)作为核心处理器,加上Nios II软核处理器,配合外围模块电路组成整个嵌入式网关的硬件系统。4G通信模块采用华为公司的ME909s-821 LTE模块,加上中国移动的4G SIM卡。软件系统分为三个部分:在Quartus II软件平台上配合Nios II IDE eclipse软件实现协议转换与数据加密功能;在Android Studio平台上开发Android客户端,提供查询、控制现场设备的友好可视化界面;服务器部分采用阿里云端服务器ECS,服务器架构采用Nginx服务器+基于Django的Web应用框架+Mongo DB数据库,提供响应更快、效率更高、更适用于工业控制网络的后台服务支持。本研究对设计的网关进行了模拟验证与测试,测试结果表明:以FPGA为控制器的嵌入式网关系统,能够实现4G和PROFIBUS-DP两种异构网络的协议转换和数据安全传输;开发的服务器和Android客户端能达到通过移动4G网对PROFIBUS-DP总线上的设备进行方便快捷、实时远程监控的目的。该网关具有高灵活性、快速高效和安全性高的优点。
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