CN102843786B - 传感网智能数据站点及利用其组建的传感网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通讯技术领域，具体公开了一种传感网智能数据站点及利用其组建的传感网络，该传感网络包括：上位机及数个传感网智能数据站点，该数个传感网智能数据站点之间相互通信连接，每一传感网智能数据站点均与数个传感器通信连接，所述传感器通过传感网智能数据站点与上位机通信连接；所述传感网智能数据站点作为数据中继器，将传感器输出的模拟信号调理后，通过A/D转换器转换为16位2进制数据，通过差分数据传输电路，利用MODBUS数据传输协议将数据传输至上位机。本发明数据采集传输可靠性更高，可以满足工业场合监控安全的需要，且成本较低、信号传输衰减较低，网络传输距离较远。

Description

传感网智能数据站点及利用其组建的传感网络

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种传感网智能数据站点及利用该传感网智能数据站点组建的传感器网络。

背景技术

随着无线传感器网络(WSN：Wireless Sensor Network)技术的不断发展，其实际应用也越来越广泛。在具体应用中，数据采集是最重要的功能部分。

数据采集问题是无线传感器网络的主要研究课题之一。数据采集问题就是研究外界用户如何通过无线传感器网络从监控区域采集感应数据。现有技术中常用的数据采集传输方式通常有两种，一种为数据采集卡方式，另一种为Zigbee数据终端方式。数据采集卡方式中，其采用周边元件扩展接口（PCI：PeripheralComponent Interconnection）数据卡直接插在PC主板的扩展槽中，将传感器输出信号接入数据采集卡。但是这样一来模拟信号传输距离会加长，造成了信号传输衰减增加；同时，由于每个传感器到数据采集卡都需要一根电缆连接，数据传输成本很大；此外，必须使用台式PC，灵活性较差差。Zigbee数据终端方式中，其采用Zigbee无线组网技术实现数据就地编码直接通过无线网络传输。然而由于Zigbee网络自身的问题，会造成任何一个数据终端都无法保证其数据可以完整可靠的传输到信宿的问题；加之，任何一个数据终端都无法实时传输当前传感器数据。再者，由于Zigbee网络访问机制限制，访问特定数据终端需要花费较多资源（包括时间、信道、大量站点等）。

由上述可知，现有的无线传感器网络，其数据采集传输可靠性较低，不能满足一些工业场合监控安全的需要，其成本较高，信号传输衰减较高，且网络传输距离较短，因此，亟需要对这些问题予以改善。

发明内容

本发明的一目的在于，提出一种传感网智能数据站点，其数据采集传输可靠性更高，可以满足工业场合监控安全的需要，且成本较低、信号传输衰减较低，网络传输距离较远；

本发明的另一目的在于，提出一种利用传感网智能数据站点组建的传感网络，其组网方式较为灵活，每一传感网智能数据站点均能实时传输当前传感器数据，且每个传感网智能数据站点的数据都能完整可靠的传输到信宿，网络传输距离也较远。

为实现上述目的，本发明提供了一种传感网智能数据站点，其包括：外壳、设于外壳内的MCU及设于外壳上的多个传感器接口，所述外壳内还设有依次电性连接的电源模块、多路交叉开关及A/D转换器；所述多个传感器接口分别与传感器信号调理接口电性连接，电源模块一端分别与MCU、多路交叉开关及A/D转换器电性连接，所述多路交叉开关还与MCU双向电性连接，A/D转换器还与MCU通信连接；该MCU还连接有两个调制接口，该两调制接口一端分别与电源模块电性连接。

其中，所述外壳上设有8~128个传感器接口，该8~128个传感器接口分别与传感器信号调理接口电性连接。

进一步地，所述外壳内设有专用接口电路，该专用接口电路将传感器接口输入的传感器模拟信号调理后，通过A/D转换器转换为16位2进制数据。

具体的，所述专用接口电路可以采用型号为max1487的芯片。

本发明中，所述两个调制接口均为RS485调制接口，该两个调制接口为第一调制接口及第二调制接口，该第一调制接口一端与电源模块电性连接，另一端通过并行或串行数据总线与MCU通信连接；该第二调制接口一端通过滤波电压调整电路与电源模块电性连接，另一端通过并行或串行数据总线与MCU通信连接。

本发明的传感器接口采用型号为TJ5.08-09P的标准端子，RS485调制接口采用标准9针T型接口。

进一步地，本发明还提供了一种利用传感网智能数据站点组建的传感网络，其包括：上位机及数个传感网智能数据站点，该数个传感网智能数据站点之间相互通信连接，每一传感网智能数据站点均与数个传感器通信连接，所述传感器通过传感网智能数据站点与上位机通信连接；所述传感网智能数据站点作为数据中继器，将传感器输出的模拟信号调理后，通过A/D转换器转换为16位2进制数据，通过差分数据传输电路，利用MODBUS数据传输协议将数据传输至上位机。

其中，所述每一传感网智能数据站点均设有8~128个传感器接口，数个传感器分别通过该传感器接口与传感网智能数据站点通信连接。

本发明中，所述上位机、传感网智能数据站点及传感器之间的数据传输，其物理层采用RS485差分数据传输电路进行数据传输，数据链路层采用MODBUS数据传输协议进行数据传输；所述传感网智能数据站点根据数据传输需要和采样周期，结合传感器输出模拟量变化情况，实时记录传输数据增量；当一个字节增量不足以表达一个数据采集周期的变化量时，则传输全部16位2进制数据。

具体的，所述数据链路层采用MODBUS数据传输协议进行数据传输过程中，上位机首先向具体的一个传感网智能数据站点发送自动编址命令；传感网智能数据站点接收到命令，进行命令解析以及CRC校验，得知该命令为自动编址命令，并读取命令的内容；传感网智能数据站点进行自动编址及对传感器的状态进行查询；编址和查询完毕后，传感网智能数据站点按照MODBUS数据传输协议要求将错误类型和编址结果封装为回复命令，发送回上位机；上位机接收到回复，进行命令解析以及CRC校验，得知该命令为自动编址的回复命令，并读取命令的内容，该内容中包括传感网智能数据站点报上来的错误类型以及自动编址的结果。

本发明的传感网智能数据站点及利用其组建的传感网络，其组网方式较为灵活，总线型、环型、树型等网络结构均可，其每一个传感网智能数据站点均能实时传输当前传感器数据，任何一个传感网智能数据站点都能将其数据完整可靠的传输到信宿，具有较高的可靠性，可以满足工业场合测控安全的需要；同时，其极大地减少了模拟电路传输电缆，成本大幅降低；其还缩短了模拟信号的传输距离，使得信号传输衰减大幅降低；再者，其采用RS485物理层传输数据，数据站点间距加长至1000米以上，其任何一个传感网智能数据站点均可作为数据中继器使用，网络直线距离超过100km。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的传感网智能数据站点一种具体实施例的外部结构示意图；

图2为本发明的传感网智能数据站点一种具体实施例的内部结构框架图；

图3为本发明中利用传感网智能数据站点组建的传感网络一种具体实施例的组网框架图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，本发明提供一种传感网智能数据站点，其包括：外壳10、设于外壳10内的MCU20及设于外壳10上的多个传感器接口12，所述外壳10内还设有依次电性连接的电源模块22、多路交叉开关24及A/D转换器26；所述多个传感器接口12分别与传感器信号调理接口28电性连接，电源模块22一端分别与MCU20、多路交叉开关24及A/D转换器26电性连接，所述多路交叉开关24还与MCU20双向电性连接，A/D转换器26还与MCU20通信连接；该MCU20还连接有两个调制接口，该两调制接口一端分别与电源模块22电性连接。该传感网智能数据站点可靠性更高，每个传感网智能数据站点的数据都能及时准确的发送至信宿，满足了工业场合测控安全的需要。同时，其极大的减少了模拟电路传输电缆，缩短了模拟信号的传输距离，信号传输衰减大幅降低。

本发明中，所述外壳10可以采用标准铝型材壳体，该铝型材壳体具有重量轻、耐腐蚀性强、表面处理性能良好、抗核辐射性强、导热及导电性能好等诸多优点。本发明的外壳10上可以设置8~128个传感器接口12，该8~128个传感器接口12分别与传感器信号调理接口28电性连接。在本发明具体实施例中，所述传感器接口12可以采用型号为TJ5.08-09P的标准端子，该TJ5.08-09P的标准端子是一种欧式接线端子，可以广泛应用于工业自动化、变频节能等行业，其间距从3.81mm到9.52mm，可实现2位、3位任意拼接，种类有单层、双层、多层等多间距复合型端子，也可根据具体需求进行定制。此外，在本发明具体实施例中，所述外壳10上还设有工作指示灯14，以对传感网智能数据站点进行状态指示。再者，该外壳10上还设有一电源输入插座16，该电源输入插座16内部与电源模块22电性连接。该电源输入插座16具体可以为一3.5mm的电源插座，通过该电源输入插座16可以输入24V的直流电源，从而为电源模块22供电。作为本发明的一种优选实施例，还可以在外壳10的两侧边缘位置处分别设置数个条形安装孔18，通过该条形安装孔18可以对该传感网智能数据站点进行较为牢固的安装固定。

其中，所述多路交叉开关24用于做通道切换使用，A/D转换器26用于将通过传感器接口12传入的模拟信号转换成数字信号。由于A/D转换器26只能接收一定范围的模拟信号，而传感器把非电物理量变换成电信号后，并不一定在这一范围内。传感器输出的信号有时还必须经放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措施后，才能送A/D转换器26。因此，本发明通过传感器信号调理接口28的设置，可以将传感器输出的信号通过放大、滤波等操作转换成A/D转换器26能够识别的标准信号。进一步地，本发明的外壳10内还设有专用接口电路（未图示），该专用接口电路可以将传感器接口12输入的传感器模拟信号调理后，通过A/D转换器26转换为16位2进制数据。在本发明具体实施例中，所述专用接口电路可以采用型号为max1487的芯片。

本发明中，所述两个调制接口均为RS485调制接口，该两个调制接口为第一调制接口202及第二调制接口204，该第一调制接口202一端与电源模块22电性连接，另一端通过并行或串行数据总线与MCU20通信连接；该第二调制接口204一端通过滤波电压调整电路（未图示）与电源模块22电性连接，另一端通过并行或串行数据总线与MCU20通信连接。作为本发明的一种具体实施例，所述RS485调制接口可以采用标准9针T型接口。本发明中每个传感网智能数据站点同时有两个RS485调制接口，每个传感网智能数据站点均可以作为数据中继器，从根本上解决了RS485数据总线上挂载设备数据的限制问题，同时组网方式也更为灵活，总线型、环型、树型等网络结构均可。

本发明的传感网智能数据站点物理层采用RS485差分数据传输电路，数据链路层采用MODBUS数据传输协议。由于在数据通讯中是容许有两个站点的数据有相同的编址的，这样就会容易造成数据错误，而且较难排查，而本发明的传感网智能数据站点可以实现命令编址，不用对每个传感网智能数据站点进行手工编址，这样就防止了手工编址重复的可能，且可以为设备故障差错（自检）提供有效的依据，因此该传感网智能数据站点不仅较为智能，还具有故障自检功能。

进一步地，本发明还提供了一种利用传感网智能数据站点组建的传感网络，如图3所示，其包括：上位机30及数个传感网智能数据站点40，该数个传感网智能数据站点40之间相互通信连接，每一传感网智能数据站点40均与数个传感器50通信连接，所述传感器50通过传感网智能数据站点40与上位机30通信连接；所述传感网智能数据站点40作为数据中继器，将传感器50输出的模拟信号调理后，通过A/D转换器26转换为16位2进制数据，通过差分数据传输电路，利用MODBUS数据传输协议将数据传输至上位机30。本发明的组网方式较为灵活，总线型、环型、树型等网络结构均可。较Zigbee网络站点相比，本发明可靠性更高，每一个传感网智能数据站点40都是可靠的，每个传感网智能数据站点40的数据都能即使准确的发送至信宿，满足了工业场合测控安全的需要。同时，较数据采集卡方式相比，由于任何一个传感网智能数据站点40均可作为数据中继器，因此该网络直线距离可超过100km。

其中，所述每一传感网智能数据站点40均设有8~128个传感器接口12，数个传感器50分别通过该传感器接口12与传感网智能数据站点40通信连接。本发明中，所述上位机30可以为商用PC，传感器50为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按照一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，进而通过传感器接口12传送给传感网智能数据站点40进行处理。

本发明中，所述上位机30、传感网智能数据站点40及传感器50之间的数据传输，其物理层采用RS485差分数据传输电路进行数据传输，数据链路层采用MODBUS数据传输协议进行数据传输。由于采用RS485物理层传输数据，所述传感网智能数据站点40之间的间距可加长至1000米以上。本发明的传感网智能数据站点40在数据采集过程中，采用专用接口电路将传感器50输出的模拟信号调理后，通过A/D转换器26转换为16位2进制数据；在数据压缩过程中，根据数据传输需要和采样周期，结合传感器50输出模拟量变化情况，实时记录传输数据增量；当一个字节增量不足以表达一个数据采集周期的变化量时，则传输全部16位2进制数据，以保证数据准确性。

特别的，本发明的数据链路层采用MODBUS数据传输协议进行数据传输，一般的MODBUS数据传输协议只提供了基础协议，并没有细化，而本发明通过对MODBUS数据传输协议进行细化，使得传感网智能数据站点40可以实现命令编址，不用对每个传感网智能数据站点40进行手工编址，防止了手工编址重复的可能。同时，由于在通讯命令中已经包含了错误数据命令的内容，因此可以给设备故障差错（自检）提供有效的依据，使得该传感网智能数据站点40具有故障自检功能。具体的，所述数据链路层采用MODBUS数据传输协议进行数据传输过程中，上位机30首先向具体的一个传感网智能数据站点40发送自动编址命令；传感网智能数据站点40接收到命令，进行命令解析以及CRC校验，得知该命令为自动编址命令，并读取命令的内容；传感网智能数据站点40进行自动编址及对传感器50的状态进行查询；编址和查询完毕后，传感网智能数据站点40按照MODBUS数据传输协议要求将错误类型和编址结果封装为回复命令，发送回上位机30；上位机30接收到回复，进行命令解析以及CRC校验，得知该命令为自动编址的回复命令，并读取命令的内容，该内容中包括传感网智能数据站点40报上来的错误类型以及自动编址的结果。

综上所述，本发明的传感网智能数据站点及利用其组建的传感网络，其组网方式较为灵活，总线型、环型、树型等网络结构均可。其与Zigbee网络站点相比，可靠性更高，每一个传感网智能数据站点都是可靠的，每个传感网智能数据站点的数据都能及时准确的发送至信宿，满足了工业场合测控安全的需要。其与数据采集卡方式相比，大大减少了模拟电路传输电缆，成本大幅降低；其缩短了模拟信号传输距离，信号传输衰减大幅降低；再者，其采用RS485物理层传输数据，传感网智能数据站点间距可加长至1000米以上；此外，任何一个传感网智能数据站点均可作为数据中继器，网络直线距离可超过100km。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种传感网智能数据站点，包括：外壳、设于外壳内的MCU及设于外壳上的多个传感器接口，其特征在于，所述外壳内还设有依次电性连接的电源模块、多路交叉开关及A/D转换器；所述多个传感器接口分别与传感器信号调理接口电性连接，电源模块一端分别与MCU、多路交叉开关及A/D转换器电性连接，所述多路交叉开关还与MCU双向电性连接，A/D转换器还与MCU通信连接；该MCU还连接有两个调制接口，该两调制接口一端分别与电源模块电性连接，所述两个调制接口均为RS485调制接口，该两个调制接口为第一调制接口及第二调制接口，该第一调制接口一端与电源模块电性连接，另一端通过并行或串行数据总线与MCU通信连接；该第二调制接口一端通过滤波电压调整电路与电源模块电性连接，另一端通过并行或串行数据总线与MCU通信连接。

2.如权利要求1所述的传感网智能数据站点，其特征在于，所述外壳上设有8～128个传感器接口，该8～128个传感器接口分别与传感器信号调理接口电性连接。

3.如权利要求2所述的传感网智能数据站点，其特征在于，所述外壳内设有专用接口电路，该专用接口电路将传感器接口输入的传感器模拟信号调理后，通过A/D转换器转换为16位2进制数据。

4.如权利要求3所述的传感网智能数据站点，其特征在于，所述专用接口电路采用型号为max1487的芯片。

5.如权利要求1所述的传感网智能数据站点，其特征在于，所述传感器接口采用型号为TJ5.08-09P的标准端子，RS485调制接口采用标准9针T型接口。

6.一种利用权利要求1-5中任一项所述的传感网智能数据站点组建的传感网络，其特征在于，包括上位机及数个传感网智能数据站点，该数个传感网智能数据站点之间相互通信连接，每一传感网智能数据站点均与数个传感器通信连接，所述传感器通过传感网智能数据站点与上位机通信连接；所述传感网智能数据站点作为数据中继器，将传感器输出的模拟信号调理后，通过A/D转换器转换为16位2进制数据，通过差分数据传输电路，利用MODBUS数据传输协议将数据传输至上位机，所述上位机、传感网智能数据站点及传感器之间的数据传输，其物理层采用RS485差分数据传输电路进行数据传输，数据链路层采用MODBUS数据传输协议进行数据传输；所述传感网智能数据站点根据数据传输需要和采样周期，结合传感器输出模拟量变化情况，实时记录传输数据增量；当一个字节增量不足以表达一个数据采集周期的变化量时，则传输全部16位2进制数据。

7.如权利要求6所述的利用传感网智能数据站点组建的传感网络，其特征在于，所述每一传感网智能数据站点均设有8～128个传感器接口，数个传感器分别通过该传感器接口与传感网智能数据站点通信连接。

8.如权利要求6所述的利用传感网智能数据站点组建的传感网络，其特征在于，所述数据链路层采用MODBUS数据传输协议进行数据传输过程中，上位机首先向具体的一个传感网智能数据站点发送自动编址命令；传感网智能数据站点接收到命令，进行命令解析以及CRC校验，得知该命令为自动编址命令，并读取命令的内容；传感网智能数据站点进行自动编址及对传感器的状态进行查询；编址和查询完毕后，传感网智能数据站点按照MODBUS数据传输协议要求将错误类型和编址结果封装为回复命令，发送回上位机；上位机接收到回复，进行命令解析以及CRC校验，得知该命令为自动编址的回复命令，并读取命令的内容，该内容中包括传感网智能数据站点报上来的错误类型以及自动编址的结果。