無線傳感器網絡控制系統的製作方法
2023-05-27 22:31:26 3
無線傳感器網絡控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種無線傳感器網絡控制系統，它包括一傳感器模塊，一無線通信模塊，一主控制模塊，其中，所述主控制模塊包括一嵌入式控制器，所述嵌入式控制器採用嵌入式系統；一軟PLC系統，其包括一軟PLC開發系統和一軟PLC運行系統；所述軟PLC運行系統載入於所述嵌入式控制器，所述軟PLC運行系統用於協同所述嵌入式系統控制所述無線傳感器網絡控制系統。本發明的無線傳感器網絡控制系統，它改善了傳感器網絡控制系統的適用性和可擴展性，其可視化操作平臺，可滿足不同系統的使用；增加了系統的可移植性，避免了傳統PLC應用過程編程的複雜過程，簡化了操作。
【專利說明】無線傳感器網絡控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線傳感器網絡控制系統，特別是涉及一種基於軟PCL系統應用的無線傳感器網絡控制系統。
【背景技術】
[0002]可編程邏輯控制器PLC是一種可編程的存儲器，在工業上有廣泛的應用，可是傳統的PLC自身存在諸多不利因素，難以構建開放的硬體體系結構，工作人員必須經過較長時間的培訓才能掌握某一種產品的編程方法，不同應用環境的產品編程差異較大。
[0003]隨著開放式工業計算機系統日臻成熟，為了充分發揮PLC開發工具軟體上的優勢，避免其不利因素的限制，產生了軟PLC的構想，在保留傳統PLC的功能的前提下，採用面向現場總線網絡的體系結構，採用開放的通信接口，使PLC軟體開發工具和系統硬體設備分離，全部用軟體來實現傳統PLC的功能，使其可以裝載在各種開放式工業計算機系統的軟硬體平臺上，不僅方便了用戶使用，而且也解除了硬體設備對製造商軟體銷售和發展的制約。
[0004]傳感器網絡可以實現遠程採集數據，並進行處理，分類存儲和應用，PLC在傳感器網絡控制系統的應用逐漸增多，一般的無線傳感器網絡，一般包括電源模塊，傳感器模塊，處理模塊，和一無線通信模塊，其中處理模塊是傳感器網絡控制的核心部件，處理模塊一般採用嵌入式控制器實現，以某一種微處理器內核為核心，晶片內部集成各種必要的功能和外設，這就使得嵌入式控制器的針對性較強，也就是說，一種嵌入式控制器只能實現一定功能的控制，適用性較差。
[0005]另一方面，在傳感器網絡控制系統中，檢測區域範圍和節點密度的不同，造成網絡規模大小不同，節點失效，新節點的加入以及節點的移動等，都會使得網絡拓撲結構動態的發生變化，這就要求網絡控制系統具有較強的可擴展性，能夠適應網絡結構的變化，現有的傳感器網絡通常採用嵌入式控制器來實現，擴展性較差。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是:提供一種無線傳感器網絡控制系統，它通過將軟PLC系統與嵌入式系統二者合一，改善了傳感器網絡控制系統的適用性和可擴展性。
[0007]本發明技術方案是:一種無線傳感器網絡控制系統，它包括一傳感器模塊，用於採集所在檢測區域環境中的信息數據並轉換所採集的信息數據以及傳遞轉換後的信息數據；一無線通信模塊，用於接收並處理所述傳感器模塊傳遞的信息數據以及傳遞處理後的信息數據；一主控制模塊，用於接收所述無線通信模塊傳遞的信息數據，並相應地分析和處理所接收的信息數據；以及所述主控制模塊，還用於根據分析和處理後的信息數據生成控制信號及發送控制信號至所述無線通信模塊；所述無線通信模塊還用於接收控制信號並將控制信號傳遞至所述傳感器模塊，所述控制信號用於控制所述傳感器模塊；其中，所述主控制模塊包括一嵌入式控制器，所述嵌入式控制器採用嵌入式系統；一軟PLC系統，其包括一軟PLC開發系統和一軟PLC運行系統所述軟PLC開發系統用於提供所述軟PLC運行系統的軟PLC應用軟體；所述軟PLC運行系統置於所述嵌入式控制器，所述軟PLC運行系統用於協同所述嵌入式系統控制所述無線傳感器網絡控制系統。
[0008]下面對上述技術方案進行進一步解釋。
[0009]所述軟PLC開發系統獨立於所述嵌入式控制器之外，所述軟PLC開發系統通信連接於所述軟PLC運行系統。
[0010]所述傳感器模塊包括至少一傳感器節點，兩個及以上的所述傳感器節點之間形成自組織網絡，所述傳感器節點的通信方式為多跳網絡的方式。
[0011]所述傳感器節點包括:
一電源單元；
一傳感器單元，用於採集並轉換檢測區域環境中的信息數據以及傳遞信息數據；
一處理單元，用於接收並處理所述傳感器單元傳遞的信息數據並傳遞處理後的信息數據；
一通信單元，用於接收所述處理單元傳遞的信息數據，每一傳感器節點通過各自所述通信單元與其他傳感器節點之間進行信息傳輸，每一傳感器節點通過通信單元將信息傳遞於所述無線通信模塊。
[0012]所述主控制模塊設置有一 I/O模塊，所述I/O模塊通信聯接於所述嵌入式系統；所述I/o模塊用於採集檢測區域的輸入信息數據以及輸出處理後的信息數據。
[0013]所述主控制模塊配置有可實現W1-F1、3G、WLAN組網的觸摸型可視化操作平臺，所述觸摸型可視化操作平臺採用ARMll作為核心處理器，其主頻達667MHz。
[0014]所述主控制模塊採用Android2.3作為作業系統。
[0015]所述主控制模塊設置有RS485通信接口，所述軟PLC應用軟體通過RS485通信接口或者TCP/IP通信協議載入於所述軟PLC運行系統。
[0016]所述I/O模塊通過RS485通信接口將信息傳遞於所述軟PLC應用軟體，所述RS485通信接口與所述軟PLC應用軟體構成數據採集與監視控制系統SCADA。
[0017]所述I/O模塊配置有可滿足不同系統使用的多路標準化輸入輸出接口，所述標準化輸入輸出接口包括太網接口、usb2.0數據線接口、SD卡接口、IDE接口、sim卡接口、4-1OmA輸入接口、0-5V輸入接口、開關量輸入接口、Modbus通信協議接口、繼電器輸出接口、PWM輸出端、0-20mA輸出端。
[0018]本發明的優點是:本發明的無線傳感器網絡控制系統，它改善了傳感器網絡控制系統的適用性和可擴展性，其可視化操作平臺，可滿足不同系統的使用；增加了系統的可移植性，避免了傳統PLC應用過程編程的複雜過程，簡化了操作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。
[0020]圖1為本發明實施例的無線傳感器網絡控制系統模塊示意圖。
[0021]圖2為本發明實施例的無線傳感器網絡控制系統傳感器工作形態示意圖。
[0022]圖3為本發明實施例的傳感器節點示意圖示意圖。
[0023]圖4為本發明實施例的軟PLC系統與I/O模塊結合控制形態示意圖。
[0024]圖5為本發明實施例的實現軟PLC系統工作原理示意圖。
[0025]其中:
1、傳感器模塊；11、傳感器節點；111、電源單元；
112、傳感器單元；113、處理單元；114、通信單元；
2、無線通信模塊；3、主控制模塊；31、嵌入式控制器；
311、I/O模塊；32、軟PLC系統；321、軟PLC開發系統；
322、軟PLC運行系統。
【具體實施方式】
[0026]以下的實施方式僅用於描述及解釋本發明，以使本領域技術人員能夠實現本發明。以下描述中的優選方案只作為舉例說明。在以下描述中界定的本發明的基本原理可以應用於其他實施方案、變形方案、改進方案、等同方案以及沒有背離本發明範圍的其他技術方案。
[0027]如圖1所示，一種無線傳感器網絡控制系統。
[0028]它包括一傳感器模塊1，用於採集所在檢測區域環境中的信息數據並轉換所採集的信息數據以及傳遞轉換後的信息數據；傳感器模塊I通信聯接於所述無線通信模塊2。
[0029]一無線通信模塊2，用於接收並處理所述傳感器模塊I傳遞的信息數據以及傳遞處理後的信息數據。
[0030]一主控制模塊3，用於接收無線通信模塊2傳遞的信息數據，並相應地分析和處理所接收的信息數據；以及主控制模塊3，還用於根據分析和處理後的信息數據生成控制信號及發送控制信號至無線通信模塊2 ;無線通信模塊2還用於接收控制信號並將控制信號傳遞至傳感器模塊I，所述控制信號用於控制所述傳感器模塊I。
[0031]其中:
主控制模塊3包括一嵌入式控制器31以及一軟PLC系統32。嵌入式控制器31米用嵌入式系統。具體的:嵌入式控制器31採用嵌入式系統，軟PLC系統32協同嵌入式控制器31處理無線通信模塊2傳遞的數據信息以控制傳感器模塊1，從而將軟PLC系統32與嵌入控制器31的嵌入式系統合二為一，充分利用嵌入式系統的優勢，實現網絡化，智能化控制，同時軟PLC系統32彌補了現有傳感器網絡控制系統的適用性差、可擴展性不強等缺陷。嵌入式控制器31採用嵌入式系統，嵌入式控制器31適用於無線傳感器網絡，可以是現有技術的各種不同的適用於無線傳感器網絡的嵌入式控制器31。嵌入式控制器31是一個專用型計算機系統，可以根據用戶需要對嵌入式控制平臺進行定製，使其資源得到高效地利用。其軟體被移植在硬體平臺上，採用嵌入式系統(如WinCE, VxWorks或Linux等)作支持。而選擇基於嵌入式控制器31的控制方案，即選擇一無線傳感器網絡的嵌入式控制器31作為軟PLC系統32的依附對象，控制所述無線傳感器網絡系統。
[0032]如圖2所示，傳感器模塊I包括至少一傳感器節點11，兩個及以上的傳感器節點11之間形成自組織網絡，傳感器節點11以多跳網絡的方式進行通信。
[0033]具體的:
每一傳感器節點11採集環境中的信息，加以存儲以及處理信息數據，並且傳遞處理後的信息數據於無線通信模塊2，數個傳感器節點11協作完成檢測區域環境的感知任務，也就是說，傳感器節點11之間形成自組織網絡，以多跳網絡的方式進行通信，每一傳感器節點11都可以充當路由器的角色，部分或者全部傳感器節點11可移動，每一傳感器節點11都具備動態搜索，定位和恢復連結的能力。
[0034]無線通信模塊2是傳感器模塊I和主控制模塊3之間的通信基礎，無線通信模塊2用於在傳感器模塊I和主控制模塊3之間建立通信路徑，協作地感知、採集、處理、發送感知信息。也就是說，無線通信模塊2接收傳感器模塊I傳遞的信息數據，並進行處理，將處理信息數據傳遞於主控制模塊3 ;同時，主控制模塊3的控制信息傳遞於無線通信模塊2，無線通信模塊2將控制信息傳遞於傳感器模塊I，從而控制傳感器模塊I。主控制模塊3通信聯接於無線通信模塊2，並且處理無線通信模塊2傳遞的數據信息，並根據情況做出相應的判斷。
[0035]如圖3所示，每一傳感器節點11包括一電源單元111 ;用於為傳感器節點11的各個單元提供工作所需的能量。
[0036]一傳感器單元112，用於採集並轉換檢測區域環境中的信息數據以及傳遞信息數據；傳感器單元112是一種數據採集單元，測量所在檢測區域環境中的熱、紅外、聲納、雷達、和地震波等信號，從而探測包括溫度、溼度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多物質現象。
[0037]—通信單元114，用於接收處理單元113傳遞至的信息數據；每一傳感器節點11通過各自通信單元114與其他傳感器節點11之間進行信息傳輸，即通信單元114負責與其他傳感器節點11進行無線通信、交換控制信息和收發採集信，通信單元114通信聯接於處理單元113和其他傳感器節點11，並將信息傳遞於無線通信模塊2。
[0038]一處理單元113，處理單元113通信聯接於傳感器單元112，處理單元113用於接收、處理並存儲所述傳感器單元112傳遞的信息數據以及控制通信單元114的工作。應用過程中，傳感器單元112採集檢測區域環境的信息，並將信息傳遞於處理單元113，處理單元113接收傳感器單元112傳遞的信息，並進行處理，將信息傳遞於通信單元114，通信單元114將信息傳遞於其他傳感器節點11，使得不同傳感器節點11形成自組網絡。傳感器節點11通過通信單元114與處理單元113以自組織的方式構成網絡，在通信方式上，可以採用有線、無線、紅外，W1-F1、3G網絡、WLAN和光通信等多種方式實現不同傳感器節點11之間的通信聯接形成組網，從而集成傳感器模塊1，特別地，短距離的無線低功率通信技術較適合傳感器網絡使用。
[0039]如圖4所示，軟PLC系統32包括一軟PLC開發系統321和一軟PLC運行系統322 ；其中，軟PLC運行系統322置於/固化於嵌入式控制器31，軟PLC運行系統322用於協同所述嵌入式系統控制所述無線傳感器網絡控制系統，軟PLC開發系統321獨立於嵌入式控制器31之外，軟PLC開發系統321通信連接於軟PLC運行系統322 ；以使得軟PLC開發系統321與硬體設備分離，使其可以裝載在各種開放的工業計算機系統的硬體平臺上。具體的:軟PLC開發系統321獨立於嵌入式控制器31的嵌入式控制系統:在特定的開發系統中用於對無線傳感器網絡控制系統的軟PLC應用軟體的開發，將所述軟PLC應用軟體加載於軟PLC運行系統322，使得在所述嵌入式系統中實現軟PLC的控制功能，此外，軟PLC開發系統321獨立於嵌入式控制器31，使得需要不同的功能的傳感器網絡控制系統時，只需要開發軟PLC應用軟體，即可實現一個專用的無線傳感器網絡控制，而不需要改變嵌入式控制系統。
[0040]如圖5所示，主控制模塊3設置有RS485通信接口，主控制模塊3配置有可實現W1-F1、3G、WLAN組網的觸摸型可視化操作平臺，所述觸摸型可視化操作平臺採用ARMll作為核心處理器，其主頻達667MHz。主控制模塊3採用Android2.3作為作業系統。主控制模塊3具有一 I/O模塊311。軟PLC開發系統321開發的軟PLC開發軟體通過RS485通信接口載入於軟PLC運行系統322。通信過程通過RS485通信接口進行通信聯接。I/O模塊311採集現場輸入信號，輸出控制信號，軟PLC開發系統321與嵌入式控制器31通過RS485通信接口進行通信聯接。
[0041]具體的:
軟PLC開發系統321通信聯接於嵌入式控制器31，I/O模塊311負責檢測區域輸入信號的採集以及信號的輸出。即軟PLC運行系統322與I/O模塊311相配合，I/O模塊311採集現場輸入信號，軟PLC運行系統322完成對輸入信號的處理、控制程序的執行、信號的輸出處理。也即是，軟PLC開發系統321基於一定的開發平臺，得到能夠實現一定控制功能的軟PLC應用軟體。所以，實現傳統PLC的軟體化過程，將PLC的控制功能通過軟體實現，具有一定的可移植性，將軟PLC運行系統322置於/固化於所述嵌入式控制器31，軟PLC應用軟體適於在軟PLC運行系統322中運行，將軟PLC開發系統321得到的軟PLC應用軟體程序下載到嵌入式控制器31，在軟PLC運行系統322中運行，即可實現PLC的控制過程，也即是，將軟PLC應用軟體應用於嵌入式控制器31的嵌入式系統，從而將嵌入控制器31的嵌入式控制系統和軟PLC系統32合二為一，充分利用嵌入式系統的優勢，實現控制過程的網絡化、智能化控制，同時利用PLC的性能提高嵌入式控制器31的控制性能，改善嵌入式控制器31的可適應性和可擴展性。
[0042]基於Android2.3開發系統設計軟PLC開發系統321，實現軟PLC應用軟體，通過RS485通信接口，將軟PLC應用軟體下載至被固化於嵌入式控制器31的軟PLC運行系統322，以完成相應的控制過程。I/O模塊311通過RS485通信接口將信息傳遞於所述軟PLC應用軟體，所述RS485通信接口與所述軟PLC應用軟體構成數據採集與監視控制系統SCADA。
[0043]應用過程中，I/O模塊311負責現場輸入信號的採集以及信號的輸出，而軟PLC系統32則完成對輸入信號的處理、控制程序的執行、信號的輸出處理，並通過RS485通信接口與軟PLC應用軟體的通信構成監控和數據採集系統SCADA，可以監控軟PLC系統32上連接的I/O接口的變化情況，在一可觸摸顯示屏上進行顯示。
[0044]也就是:無線通信模塊2將信息傳遞於I/O模塊311，I/O模塊311通過RS485通信接口將信息傳遞於所述軟PLC應用軟體，所述RS485通信接口與所述軟PLC應用軟體構成數據採集於監視控制系統SCADA，從而實現對輸入信號的處理，控制程序的執行，信號的輸出處理，從而為數據信息採集到執行機構的控制搭建了一個實用而有效的處理平臺。
[0045]所述傳感器網絡控制系統配備由主控制模塊3提供的觸摸型可視化操作平臺，硬體設備採用核心處理器主頻可達667MHz，採用ARMll內核作為核心處理器，並可實現W1-F1、3G、WLAN組網，採用七寸觸控螢幕顯示屏作為顯示和人機互動接口，避免了傳統PLC控制過程的編程的繁瑣，操作更加直觀，簡便，實時檢測傳感器網絡系統中的各項參數。為信息數據採集到執行機構的控制搭建了一個實用而有效的處理平臺，採用流行的Android2.3作為作業系統，針對不同的傳感器控制系統，僅需要個性化定製應用層終端平臺，即可實現一個專用的無線傳感器控制系統，也就是說，可針對不同的傳感器系統開發不同的軟PLC應用軟體，就可以實現不同功能的無線傳感器網絡控制。
[0046]I/O模塊311配置有可滿足不同系統使用的多路標準化輸入輸出接口，包括太網接口、usb2.0數據線接口、SD卡接口、44芯標準2.0英寸IDE接口、sim卡接口、4_10mA輸入接口、0-5V輸入接口、開關量輸入接口、Modbus (RTU)通信接口、繼電器輸出接口、PWM輸出端、0-20mA輸出端。
[0047]具體的:
I/o模塊311具有至少一路攝像頭接口，可實現影像監控；具有至少一路100M乙太網接口 ；具有兩個usb2.0數據線接口 ；具有一個SD卡接口 ；具有一個sim卡接口 ；配備無線網卡；具有兩路Modbus (RTU)通信接口 ；具有十六路繼電器輸出接口 ；具有兩路PWM輸出；具有44芯標準2.0英寸IDE接口，可接硬碟或光碟機，可支持160G的大容量，可接筆記本硬碟；具有6路4-10mA輸入接口；具有6路0-5V輸入接口 ；具有兩路0_20mA輸出；具有八路開關量輸入接口，支持多種方式模擬量或者開關量等的輸入和輸出方式；從而為信息數據採集到主控制模塊3的軟PLC系統32搭建了一個使用而有效的處理平臺，從而實現PLC控制的網絡化，智能化，所述主控制模塊3採用流行的Android2.3作為作業系統。
[0048]應當指出，對於經充分說明的本發明來說，還可具有多種變換及改型的實施方案，並不局限於上述實施方式的具體實施例。上述實施例僅僅作為本發明的說明，而不是對本發明的限制。總之，本發明的保護範圍應包括那些對於本領域普通技術人員來說顯而易見的變換或替代以及改型。
【權利要求】
1.一種無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:它包括 一傳感器模塊，用於採集所在檢測區域環境中的信息數據並轉換所採集的信息數據以及傳遞轉換後的信息數據； 一無線通信模塊，用於接收並處理所述傳感器模塊傳遞的信息數據以及傳遞處理後的信息數據； 一主控制模塊，用於接收所述無線通信模塊傳遞的信息數據，並相應地分析和處理所接收的信息數據；以及 所述主控制模塊，還用於根據分析和處理後的信息數據生成控制信號及發送控制信號至所述無線通信模塊；所述無線通信模塊還用於接收控制信號並將控制信號傳遞至所述傳感器模塊，所述控制信號用於控制所述傳感器模塊； 其中，所述主控制模塊包括 一嵌入式控制器，所述嵌入式控制器採用嵌入式系統； 一軟PLC系統，其包括一軟PLC開發系統和一軟PLC運行系統； 所述軟PLC開發系統用於提供所述軟PLC運行系統的軟PLC應用軟體； 所述軟PLC運行系統置於所述嵌入式控制器，所述軟PLC運行系統用於協同所述嵌入式系統控制所述無線傳感器網絡控制系統。
2.根據權利要求1所述的無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:所 述軟PLC開發系統獨立於所述嵌入式控制器之外，所述軟PLC開發系統通信連接於所述軟PLC運行系統。
3.根據權利要求1所述的無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:所 述傳感器模塊包括至少一傳感器節點，兩個及以上的所述傳感器節點之間形成自組織網絡，所述傳感器節點的通信方式為多跳網絡的方式。
4.根據權利要求3所述的無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:所 述傳感器節點包括 一電源單元； 一傳感器單元，用於採集並轉換檢測區域環境中的信息數據以及傳遞信息數據； 一處理單元，用於接收並處理所述傳感器單元傳遞的信息數據並傳遞處理後的信息數據； 一通信單元，用於接收所述處理單元傳遞的信息數據，每一傳感器節點通過各自所述通信單元與其他傳感器節點之間進行信息傳輸，每一傳感器節點通過通信單元將信息傳遞於所述無線通信模塊。
5.根據權利要求1所述的無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:所述主控制模塊設置有一 I/o模塊，所述I/O模塊通信聯接於所述嵌入式系統；所述I/O模塊用於採集檢測區域的輸入信息數據以及輸出處理後的信息數據。
6.根據權利要求1所述的無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:所述主控制模塊配置有可實現W1-F1、3G、WLAN組網的觸摸型可視化操作平臺，所述觸摸型可視化操作平臺採用ARMll作為核心處理器，其主頻達667MHz。
7.如權利要求1所述無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:所述主控制模塊採用Android2.3作為作業系統。
8.如權利要求5所述無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:所述主控制模塊設置有RS485通信接口，所述軟PLC應用軟體通過RS485通信接口或者TCP/IP通信協議載入於所述軟PLC運行系統。
9.如權利要求8所述無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:所述I/O 模塊通過RS485通信接口將信息傳遞於所述軟PLC應用軟體，所述RS485 通信接口與所述軟PLC應用軟體構成數據採集與監視控制系統SCADA。
10.如權利要求5或8所述無線傳感器網絡控制系統，其特徵在於:所述I/O模塊配置有可滿足不同系統使用的多路標準化輸入輸出接口，所述標準化輸入輸出接口包括太網接口、usb2.0數據線接口、SD卡接口、IDE接口、sim卡接口、4_10mA輸入接口、0_5V輸入接口、開關量輸入接口、Modbus通信協議接口、繼電器輸出接口、PWM輸出端、0-20mA輸出端。
【文檔編號】G05B19/05GK104317235SQ201410510907
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】呂紅芳, 徐宇飛, 王巖 申請人:上海電機學院, 上海拓璞軟體技術有限公司