一种基于MODBUS转Mqtt协议的高可靠性网关装置
技术领域
本实用新型涉及一种基于MODBUS转Mqtt协议的高可靠性网关装置，其主要适用于污泥烘干系统的抗干扰、安全性高的数据中转网关。
背景技术
随着科技的发展，物联网、大数据、云平台、人工智能等技术的应用日益广泛。其中在工业设备中需要将传感器采集的数据进行相应的分析处理，甚至建立数学模型，做到远程监控，智能管理。毫无疑问这些先进的技术能大大降低人工成本，提高工作效率。例如针对污泥处理设备的恶劣工作环境，我们采用工业智能化对设备进行控制和管理。对于设备获取的实时数据能够进行准确操作，对设备运行的状态进行监控，以及预测一些安全性的问题等。而这些过程都离不开数据的获取和处理，在面临庞大的数据集时传统的工业电子在没有依赖互联网、大数据和云平台的情况下，很难走向智能化。
实用新型内容
针对现有传统工业设备及低功耗的无线传感器设备大多只能在本地通信无法接入互联网，同时设备容易受到外界的干扰，安全性不高的问题，本实用新型提供一种基于MODBUS转Mqtt协议的高可靠性网关装置，其主要适用于污泥烘干系统的抗干扰、安全性高的数据中转网关。
为了达到上述目的，本实用新型一种基于MODBUS转Mqtt协议的高可靠性网关装置，主要包括用于实现ModBus转Mqtt协议功能和控制通信传输功能的主控单片机、用于与网络通讯的网络通信模块及RJ-45接口、用于与局域网通信的wifi模块、用于与数据集中器传输数据对接的RS485接口、用于抑制尖脉冲和各种噪声干扰的光电隔离模块，以及用于给主控单片机提供电源的电源模块；所述光电隔离模块、wifi模块、网路通信模块、RS485接口、电源模块均与主控单片机连接并受其统筹控制；所述主控单片机接收到RS485接口对接的数据后先进行数据帧的处理、数据加密和MQTT/ModBus协议的转换，之后再把数据包进行远程传输和应用处理。
优选地，所述主控单片机还电连接有用于稳压、降噪的电源隔离模块。
本实用新型具有如下的优点及效果：1.可以在处理污泥的嘈杂环境下正常工作，抗干扰能力强；2.智能程度高，安全性高；3.操作简便，易于部署和安装。
附图说明
图1是本实用新型装置的构成原理图；
图2是本实用新型装置的EN28J60的电路原理图；
图3是本实用新型装置的光电隔离模块的电路连接图；
图4是本实用新型装置软件总体设计图；
图5是本实用新型主要数据处理算法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但实用新型的实施方式不限于此。
参照图1～5，本实用新型实施例一种基于MODBUS转Mqtt协议的高可靠性网关装置，主要包括用于实现ModBus转Mqtt协议功能和控制通信传输功能的主控单片机1、用于与网络通讯的网络通信模块及RJ-45接口2、用于与局域网通信的wifi模块3、用于与数据集中器传输数据对接的RS485接口4、用于抑制尖脉冲和各种噪声干扰的光电隔离模块5、用于稳压、降噪的电源隔离模块6，以及用于给主控单片机提供电源的电源模块；所述光电隔离模块5、wifi模块3、网路通信模块、RS485接口4、电源模块、电源隔离模块6均与主控单片机连接并受其统筹控制；所述主控单片机1接收到RS485接口对接的数据后先进行数据帧的处理、数据加密和MQTT/ModBus协议的转换，之后再把数据包进行远程传输和应用处理。
参照图1～5，所述光电隔离模块LTV-816S具有切断了干扰信号进入后续电路的功能，用于有效地抑制了尖脉冲和各种噪声干扰；所述wifi模块ESP8266，用于Mqtt协议或TCP/UDP协议等无线传输，也可以作为局域网服务器提供热点连接；所述的网络通信模块ENC28J60支持RJ-45插入网线接入公网，进行数据传输；所述4G模块EC20,支持多种协议包括Mqtt协议，同时支持LTE,UMTS和GSM/GPRS网络，最大上行速率可达50Mbps，最大下行速率可达100Mbps，具有传输大量数据的功能；所述RS485接口模块，用于接收来自数据集中器的数据。所述电源模块有220V市电输入电路包括安规电容、电感滤波器等器件，降低EMI，尽可能提供给系统纯净的电力。5V转换电路、3.3V转换电路将滤波后的交流220V转换为5V、3.3V提供给各个部件。所述主控单片机负责统筹整个系统的正常运行并用于将ModBus协议转换为Mqtt协议并通过通讯模块向云端传输数据。
如图1所示，本实用新型的电源模块、电源隔离模块为主控单片机以及其余模块提供稳定的工作电源。RS485接口、光电隔离模块和主控单片机完成原始数据的收集，此外主控单片机将ModBus协议传来的数据转换成Mqtt协议的数据。wifi模块或者4G模块将主控单片机转换好的数据帧上传至云服务器，实现无线数据上传以及无线通信。与主控单片机相连接的网络通信模块通过以太网接口RJ-45实现有线网络的通信。
如图2所述，本实施例EN28J60为主控单片机提供以太网接口，数据可以通过芯片中的差分信号输入引脚TPIN+、TPIN-和差分信号输出引脚TPOUT+、TPOUT-来进行传输。ENC28J60是带有标准串行外设接口(SPI)的独立以太网控制器，它可以作为任何配备有SPI通信接口的单片机的以太网接口，它符合IEEE802.3的全部规范，采用一系列包过滤机制对传入数据包进行限制，还提供了一个内部DMA模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算,其中SO为SPI接口的数据输出引脚，SI为SPI接口的数据输入引脚，SCK为SPI接口的时钟输入引脚，CS为SPI接口的片选输入引脚。与主控制器的通信通过中断引脚INT和SPI接口引脚SO和SI实现，数据传输速率高达10Mb/s。其中LEDA驱动引脚和LEDB驱动引脚两个专用的引脚用于连接LED指示灯，进行网络活动状态指示。
如图3所述，本实施例光电隔离模块电路连接图通过数据集中器的数据经过SP485S芯片数据引脚485_B和485_A，再经过光电隔离芯片LTV-816S隔离，切断了后级电路的干扰，再将数据传到主控单片机RS485数据接收引脚MUC_RXD_485，同时也可以通过RS485数据发送引脚MCU_TXD_485来通讯，其中MCU_RE_485为SP485芯片的使能引脚。本模块的设计在硬件上提高了本实用新型装置的抗干扰能力。
如图4所述，本实用新型的软件总体设计图按照功能可分为三层：接入层、处理层、应用层。其中接入层将传感设备采集的数据通过ModBus串行链路上传；处理层包括数据帧的处理、数据加密、Mqtt/ModBus协议转换；应用层包括数据包的远程传输和应用处理。
如图5所述，本实用新型专利的主要数据处理算法流程图，首先将主控单片机串口进行初始化，且设备进行超时检测。其次进入设定的状态机调用数据帧获取模块对下位机的ModBus应答帧进行报文解析，在确定数据帧无误后对数据进行保存和加密处理，提高数据的安全性。
其中应答帧格式：[设备号][功能码][字节数N][读取值x1]......[读取值xn][CRC高8位][CRC低8位],首先要判断第一个接收的从机地址字节是否正确，即每个从机都有一个编号通过硬件电路来实现；其次判断接收的字节的对应功能码的读和写模式，接着判断接受字节与请求帧的字节数是否相符，然后对数据进行CRC计算比较，正确帧将通过标识函数。
CRC校验算法：
(1)将一个16位CRC寄存器装入0XFFFF，即全1；
(2)将报文的第一个8位字节与16位CRC寄存器的低字节异或，结果存于CRC寄存器中；
(3)将CRC寄存器右移一位，高位补零，提取并检测低位数；
(4)如果低位＝0：重复步骤(3)；如果低位＝1：寄存器与0XA0001异或；
(5)重复(3)和(4)，知道完成8次位移；
(6)对报文中的下一个字节重复步骤2-5，知道所有报文处理完毕；
(7)CRC寄存器中的最终值为CRC值；
(8)将CRC高低字节交换，附加在报文最后。
RSA非对称加密优化算法对报文提取的数据进行加密：首先将封装好的RSA算法导入，
对实时的数据加密得到公钥和私钥。
a.设置公钥保存函数；
b.设置私钥保存函数；
(9)将待加密数据使用公钥加密。
这样利用优化的非对称加密算法来保证终端设备和服务器交互的数据安全。
本实用新型使用安全性高和抗干扰能力强的数据中转网关代替了传统的数据中转网关，解决了传统网关无法适应噪声大、振动多等恶劣环境的问题，同时对数据进行加密提高了系统的安全性。本实用新型具有抗干扰能力强、高性能、易操作，安全性高等特点。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
