基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置及系统论文和设计-吴富林

全文摘要

本实用新型公开了一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置，包括：采集接口、模拟量采集模块、数字量采集模块、数据转换模块及蓝牙模块；采集接口用于采集工业设备的数据信号；模拟量采集模块用于采集模拟量数据信号；数字量采集模块用于采集数字量数据信号；数据转换模块用于接收采集接口、模拟量采集模块及数字量采集模块所采集到的数据；蓝牙模块用于将数据转换模块所接收的数据通过无线方式进行传输。本实用新型还公开了一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集系统。采用本实用新型，扩展了待采集量的接口类别，实现数据的远距离采集。

主设计要求

1.一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置，其特征在于，包括采集接口、模拟量采集模块、数字量采集模块、数据转换模块及蓝牙模块；所述采集接口用于采集工业设备的数据信号；所述模拟量采集模块用于采集模拟量数据信号；所述数字量采集模块用于采集数字量数据信号；所述数据转换模块用于接收所述采集接口、模拟量采集模块及数字量采集模块所采集到的数据；所述蓝牙模块用于将数据转换模块所接收的数据通过无线方式进行传输。

设计方案

1.一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置，其特征在于，包括采集接口、模拟量采集模块、数字量采集模块、数据转换模块及蓝牙模块；

所述采集接口用于采集工业设备的数据信号；

所述模拟量采集模块用于采集模拟量数据信号；

所述数字量采集模块用于采集数字量数据信号；

所述数据转换模块用于接收所述采集接口、模拟量采集模块及数字量采集模块所采集到的数据；

所述蓝牙模块用于将数据转换模块所接收的数据通过无线方式进行传输。

2.如权利要求1所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置，其特征在于，所述采集接口包括RJ45接口、RS-485接口、CAN接口及USB接口。

3.如权利要求2所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置，其特征在于，所述RS-485接口通过RS-485转接口与PC机连接。

4.如权利要求1所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置，其特征在于，所述模拟量采集模块包括模拟量隔离模块、多通道模拟量采集芯片及运算模块；

所述模拟量隔离模块用于隔离外界工业环境的干扰信号；

所述多通道模拟量采集芯片用于采集经模拟量隔离模块处理后的模拟量数据信号；

所述运算模块用于对多通道模拟量采集芯片所采集的模拟量数据信号进行数字滤波及平滑处理。

5.如权利要求1所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置，其特征在于，所述数字量采集模块包括数字量隔离模块及检测模块；

所述数字量隔离模块用于隔离外界工业环境的干扰信号；

所述检测模块用于采集经数字量隔离模块处理后的数字量数据信号。

6.如权利要求1所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置，其特征在于，基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置设有独立的MAC地址码。

7.一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集系统，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置及多个PLC设备，所述基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置与PLC设备之间通过采集接口连接。

8.如权利要求7所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集系统，其特征在于，所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置与其他基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置之间通过Mesh组网方式进行通信。

9.如权利要求7所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集系统，其特征在于，移动设备通过自带的蓝牙设备接入Mesh网络。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及网络技术领域，尤其涉及一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置及一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集系统。

背景技术

在工业生产领域，常需实时监控机器设备当前运行状态，以便统一的管理。其中，根据具体生产设备类别的不同，数据采集协议类别多样，如CAN、Profibus、Modbus及以太网。设备的数据需要经过采集后，统一汇总至工业控制端实现设备的管控。

目前，工业设备数据采集技术能配备标准的协议当中的一种或多种，如上述的CAN、Profibus、Modbus及以太网，往上层提供以TCP\/IP协议为主的统一数据传输格式，而采集后的数据传输方式主要有无线和有线两种。

如图1所示，传统的工业领域数据采集常使用以RS-485\/CAN协议为主的有线传输方式，通过物理线路将采集终端与接收端连接在一起，并通过物理链路进行数据的采集。但是有线传输方式需要对每个设备进行物理布线连接，而且数据传输速率慢，时效性差。

如图2所示，智能工业领域采用Zigbee\/Wi-Fi无线技术，无需物理链路的构建，通过无线技术将采集终端数据传送至数据接收端，简化设备布局，克服了传输链路受场地影响的限制。但是，无线采集系统的通信作用距离<100m，组网方式复杂低效，在多设备环境中数据传输不稳定，容易导致数据采集不准确。

同时，上述采集方案虽然能满足标准的工业设备数据采集，但在后续的设备改造升级中，不能对后续新增状态信息进行检测，如液体高度，电机转速，按键状态等。造成此现象是由于在设备制造的过程中没有考虑到后期发展需求，忽略了一些当时认为无需采集的数据信息(模拟量或者数字量)，导致在升级时，没有装配相应的传感器，从而该类数据无法进行采集。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置及系统，可扩展待采集量的接口类别，实现数据的远距离采集。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置，包括采集接口、模拟量采集模块、数字量采集模块、数据转换模块及蓝牙模块；所述采集接口用于采集工业设备的数据信号；所述模拟量采集模块用于采集模拟量数据信号；所述数字量采集模块用于采集数字量数据信号；所述数据转换模块用于接收所述采集接口、模拟量采集模块及数字量采集模块所采集到的数据；所述蓝牙模块用于将数据转换模块所接收的数据通过无线方式进行传输。

作为上述方案的改进，所述采集接口包括RJ45接口、RS-485接口、CAN接口及USB接口。

作为上述方案的改进，所述RS-485接口通过RS-485转接口与PC机连接。

作为上述方案的改进，所述模拟量采集模块包括模拟量隔离模块、多通道模拟量采集芯片及运算模块；所述模拟量隔离模块用于隔离外界工业环境的干扰信号；所述多通道模拟量采集芯片用于采集经模拟量隔离模块处理后的模拟量数据信号；所述运算模块用于对多通道模拟量采集芯片所采集的模拟量数据信号进行数字滤波及平滑算法处理。

作为上述方案的改进，所述数字量采集模块包括数字量隔离模块及检测模块；所述数字量隔离模块用于隔离外界工业环境的干扰信号；所述检测模块用于采集经数字量隔离模块处理后的数字量数据信号。

作为上述方案的改进，基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置设有独立的MAC地址码。

相应地，本实用新型还提供了一种基于蓝牙Mesh网络的数据采集系统，包括基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置及多个PLC设备，所述基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置与PLC设备之间通过采集接口连接。

作为上述方案的改进，所述的基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置与其他基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置之间通过Mesh组网方式进行通信。

作为上述方案的改进，移动设备通过自带的蓝牙设备接入Mesh网络。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

一、与现有技术相比，本实用新型加入模拟量采集模块及数字量采集模块，极大地满足因后期工业升级改造需求而新增监控量的无缝采集接入，扩展了待采集量的接口类别；将后期新增设备的状态量与原来符合工业标准协议的状态量通过数据转换模块进行统一的接收，屏蔽了采集接口的细节。

二、与现有无线采集技术相比，本实用新型采用最新的蓝牙Mesh技术，数据传输距离得到进一步加长；此外，与其他无线传输方式相比，更具有价格成本低、时效性强、稳定性好的优势；同时，使用Mesh组网技术，便于添加采集设备到采集局域网络中。

三、本实用新型提供RS-485转接口与PC端连接。

附图说明

图1是现有的工业领域数据采集系统的结构示意图；

图2是现有的智能工业设备采集系统的结构示意图；

图3是本实用新型基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置的实施例结构示意图；

图4是图3中模拟量采集模块的结构示意图；

图5是图3中数字量采集模块的结构示意图；

图6是本实用新型基于蓝牙Mesh网络的数据采集系统的结构示意图；

图7是本实用新型的Mesh组网示意图；

图8是本实用新型的网络通信示意图；

图9是本实用新型中被动式采集方式的示意图；

图10是本实用新型中主动式采集方式的示意图；

图11是本实用新型中PC机与接收端的对接示意图；

图12是本实用新型中移动端与Mesh网络的对接示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。仅此声明，本实用新型在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本实用新型的附图为基准，其并不是对本实用新型的具体限定。

参见图3，图3显示了本实用新型基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置的实施例结构示意图，其包括采集接口、模拟量采集模块、数字量采集模块、数据转换模块及蓝牙模块。

需要说明的是，由于所有的状态信息可总体分为模拟量以及数字量，因此本实用新型在兼容通用的标准工业协议的情况下，增添模拟量采集模块及数字量采集模块，扩展可采集数据的类别，能极大地满足后期产业升级所需。同时，数据转换模块对采集得到的数据进行接收，并使用无线蓝牙Mesh传输技术增强采集数据传输的时效性与稳定性。其中：

采集接口，用于采集工业设备的数据信号。具体地，所述采集接口包括RJ45接口、RS-485接口、CAN接口及USB接口，能满足常用的工业数据采集，但不以此为限制。其中，RJ45接口能满足带有网络通信功能的工业设备接口，使用TCP\/IP协议簇进行采集。RS-485接口能满足标准的工业半双工主从采集方式，内置增强芯片，支持大量节点的采集工作，可支持Modbus、Profibus协议。CAN接口能满足标准符合现场总线规范的工业设备。USB接口能满足带有USB接口的工业设备。

另外，所述RS-485接口通过RS-485转接口与PC机连接。

如图4所示，模拟量采集模块用于采集模拟量数据信号。所述模拟量采集模块包括模拟量隔离模块、多通道模拟量采集芯片及运算模块。具体地：

所述模拟量隔离模块用于隔离外界工业环境的干扰信号，为多通道模拟量采集芯片提供干净的输入信号。具体地，所述模拟量隔离模块为模拟量隔离器。

所述多通道模拟量采集芯片可根据采集时间、采集频率、采集精度及采集通道，采集经模拟量隔离模块处理后的模拟量数据信号。具体地，所述多通道模拟量采集芯片可以为基于EPA的多通道模拟量采集仪，但不以此为限制。

所述运算模块用于对多通道模拟量采集芯片所采集的模拟量数据信号进行数字滤波及平滑处理，进一步提高模拟量的采集精度。具体地，所述运算模块可以为数字滤波器，但不以此为限制。

如图4所示，数字量采集模块用于采集数字量数据信号。所述数字量采集模块包括数字量隔离模块及检测模块。具体地：

所述数字量隔离模块用于隔离外界工业环境的干扰信号，为多通道模拟量采集芯片提供干净的输入信号。需要说明的是，由于外界的数字量切换时(‘0’和‘1’)常带来抖动，故隔离模块同样能消除该类型抖动。具体地，所述数字量隔离模块为数字量隔离器。

所述检测模块采用电平检测、边沿检测方式，采集经数字量隔离模块处理后的数字量数据信号。其中，检测模块内部设有定时器和计数器，能满足信号的多次频繁采集，如点击转速、冲击次数等。

同时，所述数据转换模块用于接收所述采集接口、模拟量采集模块及数字量采集模块所采集到的数据。需要说明的是，数据转换模块提供多协议的支持，可接入多种传感器(如采集接口、模拟量采集模块、数字量采集模块)，不用外接模数转换器或数模转换器。具体地，所述数据转换模块的型号可以为NRF52832或CSR1010，但不以此为限制。

所述蓝牙模块用于将数据转换模块所接收的数据通过无线方式进行传输，免去采集端与工控端的有线连接，且可以灵活安装拆卸。此外，所述蓝牙模块与其他蓝牙模块之间通过Mesh组网方式进行通信，使得多个基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置构成大的采集网络系统，便于多设备的群控管理。

如图5所示，本实用新型基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置既可以实现数据采集也可以实现数据接收。具体地，蓝牙模块可接收Mesh网络所发送的数据，同时，采集接口也可将数据信号发送至工业设备。因此，通过对基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置进行适应性的修改，即可将多个基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置组合成一套采集、传输、接收系统，灵活性强。

进一步，基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置设有独立的MAC地址码。

参见图6，图6显示了本实用新型基于蓝牙Mesh网络的数据采集系统的具体结构，其包括基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置及多个PLC设备，所述基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置与PLC设备之间通过采集接口连接。

具体地，所述采集接口包括RJ45接口、RS-485接口、CAN接口(RS-232接口)及USB接口，但不以此为限制，其中，主要以RS485接口、CAN接口和RJ45接口为主。

需要说明的是，基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置中蓝牙模块与其他蓝牙模块之间通过Mesh组网方式进行通信，即多个基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置可组成Mesh网络，因此，本实用新型基于蓝牙Mesh网络的数据采集系统可通过无线蓝牙5.0的Mesh组网技术，进行设备间进行点对点、点对多点、多点对多点的数据采集工作。

本实用新型中，基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置使用以RS485接口、CAN接口和RJ45接口为主的物理链路连接多个待采集数据的PLC设备，通过以RS485接口、CAN接口和RJ45接口为主的总线方式构成一主多从的数据采集关系，可灵活实现各种标准工业总线协议通信，并实时采集PLC设备端的模拟信号和数字信等各种工作状态数据。其中，基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置的主要功能是获取采集到的数据，最后，通过蓝牙模块将数据往Mesh组网中进行传输，到达指定接收端。

相应地，由每个基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置之间通过Mesh网络网格技术组建连接(参见图7)，使得Mesh网络中的每一个基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置都可以发送和接收数据，每个基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置均可与一个或者多个对等模块进行直接通信。同时，基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置有独立的MAC地址码进行区分，不会发生采集冲突问题。当一个基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置出现故障而无法正常接入Mesh网络时，不会影响到其余基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置的正常通信。此外，对于存在由多个基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置组成的Mesh采集网络，需采集网络之间进行数据通信传输时，可在采集网络适当距离之间添加一个基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置充当数据中继点，从而使得两个较远距离的采集网络能正常通信(参见图8)。

另外，基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置的数据传输方式根据实现的场景不同，可以分为主动传输以及被动传输两种方式。

如图9所示，对于被动式采集方式，当接收端需要采集指定地址的PLC设备的工作状态量时，首先通过接收端的蓝牙模块经由Mesh网络发送采集指令，当采集端接收到采集指令后，通过标准工业通信协议采集连接在以RS485接口、CAN接口和RJ45接口为主的总线上的具体PLC设备进行状态信息。采集完成后，再由采集端的蓝牙模块经由Mesh网络将数据传输回到接收端，完成数据的采集。

如图10所示，对于主动式采集方式，采集端实时地通过标准工业通信协议采集制定地址的PLC设备的工作状态量，周期性地通过蓝牙模块经由Mesh网络传输数据到接收端，完成数据的采集工作。

另外，对于接收端的实现方式，基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置的RS-485接口可通过外加RS-485转换接口与PC机进行对接，实现PC机对现场PLC设备的数据采集(参见图11)。对于移动设备可通过自带的蓝牙设备接入无线Mesh采集系统网络当中，实现移动端对现场PLC设备的数据采集(参见图12)。

由上可知，本实用新型具有以下有益效果：

一、与现有技术相比，本实用新型加入模拟量采集模块及数字量采集模块，极大地满足因后期工业升级改造需求而新增监控量的无缝采集接入，扩展了待采集量的接口类别；将后期新增设备的状态量与原来符合工业标准协议的状态量通过数据转换模块进行统一的接收，屏蔽了采集接口的细节，使得数据接收端可获取各种状态信息。

三、本实用新型提供RS-485转接口与PC端连接。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

设计图

基于蓝牙Mesh网络的数据采集装置及系统论文和设计

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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