4G DTU—物联网无线通信应用实践

简介：结合具体的4G DTU设备应用实践，介绍什么是4G DTU，使用DTU设备需要了解的基础知识，了解传感器通过4G DTU接工业物联网平台的方法。

           

之前的物联网应用实验基本都是通过WIFI联网的，但实际项目中，如果遇到没有互联网，没有WIFI的环境该怎么办？这时候就需要用到可以连接4G或5G网络的模块或设备了。这类产品种类很多，有4G模块、4G路由器、4G DTU、边缘网关等不同侧重的产品。本次我们主要围绕“有人USR-G780s”这款工业4G DTU设备进行测试，通过将温湿度传感器连接4G DTU上传数据到物联网平台的实验，来了解和学习使用4G DTU。

               



一、实验目标

（1）初步了解工业物联网设备的概念

（2）了解什么是DTU，什么时候使用DTU设备

（3）了解区分常见串口

（4）了解Modbus协议

（5）了解传感器通过4G DTU接入工业物联网平台的方法

           

二、本次实验使用的软硬件资源

硬件：

（1）电脑（Windows7操作系统）

（2）手机（安卓系统）

（3）4G DTU（有人USR-G780s 含适配器、天线）

（4）温湿度传感器（中盛科技ZS-1T-1H-SHT30-485、含适配器）   

（5）杜邦线（4根、母对母）

软件：

（1）有人云物联网平台

网址：https://account.usr.cn/

（2）有人云微信小程序

                  

三、工业物联网设备的概念
  此前我们实验的案例基本都与掌控板有关，比如我们今天要做的把一个温湿度传感器的数据通过网络传输到物联网平台，用掌控板也很容易实现。但为何不用掌控板，要用工业4G DTU和工业温湿度传感器，主要是考虑性能、稳定性和可靠性的问题。教学开源硬件适合验证思路和产品原型设计，但面对复杂、甚至恶劣的使用环境，长年开机运行的使用需求、还有精度更高的测量数据等等，这些就需要工业物联网设备才能满足了。学习的目的在于应用，参考教学开源硬件的功能、逻辑和技术，在工业物联网设备中进行产品选型和整合，也是一种融会贯通、学以致用。
           

四、初识4G DTU

  DTU是一种将串行数据转换为网络数据，并通过无线通信网络进行传输的设备。它可以支持2G、3G、4G、5G、NB-IoT等多种无线通信技术，以满足不同应用场景的通信需求。本次实验用到的GTU设备是“有人USR-G780s”，是一款4G DTU，也就是把串行数据转换为IP数据的4G无线通信设备。它支持RS232和RS485串行接口，通过内置物联网卡或者外置SIM卡连接网络，通过配置物联网平台，让手机和电脑可以远程管理物联网设备数据。   



           

               



           

           

五、几种常见串口

计算机与外界的数据交换分为并行通信和串行通信两种基本方式。此处我们只讨论最常见的串行通信，比如手上这个4G DTU的RS232和RS485接口，还有单片机上常见的UART接口。介绍串行通信的博文太多了，但内容五花八门，特别很多专业的描述，更是容易让人看懵。从使用者的角度出发，记住这几个串口的主要特性，从设备参数中看到对应串口名称能知道怎么连接应该也够用了。大家要记住的就是RS232、RS485和UART的逻辑电平、工作模式都不一样，相互之间不可以直接通信，需要特定的转换器，并且需要设置相同的波特率。三种接口的主要特性如下：   

RS-232接口：通常以9个引脚（DB-9）的形式出现，逻辑电平为±（3～15）V。工作方式为全双工，只可以一对一通信，最大通信距离为15米。



           

RS485接口：RS-485标准只对接口的电气特性做了规定，而不涉及具体的接头和插座形状，通常有A、B、G三个引脚，逻辑电平为±（2～6）V。工作方式为半双工，可以连接多个收发器通信，最大通信距离为1200米。本文实验的设备用的就是RS485连接。   



           

UART接口：这是开发板上最常见的接口，通常有RX、TX、GND、VCC四个引脚，采用TTL电平，即0～5V。工作方式为全双工，通常为一对一通信，最大通信距离为5米。掌控板扩展板上就有UART接口，通过一个UART转RS232接口转换器，掌控板就可以和RS232串口的设备通信。   



大家也不必被这么多复杂和不同数量的引脚弄晕，正常使用记住正负极供电、还有数据收发接口的连接和转换就行，其他引脚基本不用管。以上也仅是我个人在应用实践方面的经验总结，系统学习通信技术还是得多阅读专业书籍。

六、Modbus协议

设备通过串口连接后相互发送消息，消息想要表达什么意思，只有遵循特定的顺序和规则，相互才能理解，这就是协议。Modbus 是 RS-232 和 RS-485 通信时遵守的一种被广泛应用的协议。RS-232 和RS-485是串口，也可以说是串行通信的物理接口，简单地说就是硬件。Modbus 是一种国际标准的串行通信协议，简单地说就是软件，用于不同厂商之间的设备交换数据（一般是工业用途）。所谓通信协议，也可以比喻为人与人之间交流用的“语言”，遵循一定的语法。在标准的Modbus网络通信中，主控制器可以将Modbus设置为三种传输模式：ASCII、RTU 和 TCP。不同模式有不同格式和规范，通过起止符号组成一段数据帧。   

之所以介绍Modbus协议，主要是想告诉大家选购物联网设备，要查看是否支持同样的协议。

七、支持Modbus协议的温湿度传感器

本次实验用到的温湿度传感器品牌型号为中盛科技的ZS-1T-1H-SHT30-485，支持Modbus协议，通过RS485传输数据。传感器按照参数说明接上电源适配器，然后将RS485接口的A、B引脚与4G DTU的RS485接口的A、B接口连接。将4G DTU和温湿度传感器分别通电之后，设备就能正常工作了。


   

           



               



八、如何将温湿度传感器通过4G DTU接入工业物联网平台

本次我们以有人物联网平台举例，浏览器访问https://account.usr.cn/，注册账号并登录平台。添加设备前先确认DTU内置SIM卡是否已激活，或者直接插入外置SIM卡进行测试。在设备通电、联网等工作准备就绪后，我们按以下顺序添加设备到有人物联网平台：   



           

添加网关：4G DTU属于网关设备，在网站上可以手动添加网关，但用微信小程序要更方便一些。微信搜索“有人云”小程序，用刚才注册的账号登录平台，选择“扫码配置网关”扫描DTU设备正面的二维码进行添加，输入自定义网关名称，选择根组织。添加成功后自动进入“配置参数”界面，选择工作模式为“有人云透传”，串口波特率为“9600”。这里的波特率主要是为了配置方便，因为从这款温湿度传感器的说明书得知它的默认波特率是“9600”。保存设置后重启设备。浏览器登录有人云平台，在“网管管理”列表中查看DTU设备是否上线，配置是否生效。   



           



           

添加模板：设备模板用于设置某类设备的共性参数，如通讯协议、采集方式、变量、采集规则等内容，便于快速添加同类设备。此处我们通过浏览器的有人物联网平台，选择“设备管理”—“设备模板”—“添加设备模板”，输入自定义的模板名称，选择根组织，在“协议和产品”里面选择“温湿度传感器”。与温湿度传感器有关的协议和采集变量就自动生成了。温湿度传感器属于平台已经预设好参数的标准产品，如果遇到平台没有预设的模板，就需要参照设备的说明书进行自定义添加。   



           

添加设备：模板保存后，接下来就可以添加设备了，在物联网平台选择“设备管理”—“设备列表”—“添加设备”，输入自定义的设备名称，选择组织，在“关联设备模板”里面选择刚才新建的“温湿度传感器”模板，在“关联网关”里选择之前添加的网关设备，然后保存设置。   



           

九、通过物联网平台查看传感器数据

在“设备列表”找到刚才添加的设备，选择“查看”，就可以查看温湿度数据了。同时，平台还提供了报警、组态、大屏等扩展功能用于呈现和联动数据。手机微信小程序也可以随时随地查看数据。



这里出现个问题，结合当前昆明的天气，温度不可能达到38度多，明显不对。这时候首先要检查的就是模板参数和设备参数的对应问题。在“设备模板”列表选择设备引用的“温湿度传感器”模板进行编辑查看，同时在传感器厂家官网查看传感器设备参数，情况如下：   



               



           

通过对比，模板寄存器关于温湿度的设置和传感器关于寄存器的参数刚好相反，所以导致数据出错。通过修改模板寄存器设置就能解决问题。选取对应的温湿度变量进行编辑，通过测试，仅修改一个数值就能正常工作，就是1和2对调。当然，完全按照传感器参数进行设置才算规范和准确，这里仅只是演示解决问题的思路。   



           



再次查看数据，就符合实际了：



本次实验仅修改了少数的默认参数，属于较简便的应用方式。4G DTU还有其他不同的工作模式，我们后面的实验再继续探索。