CN104658234A - 一种多传感器数据转发装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多个传感器同时工作的现场转发装置，包含印刷电路板1、屏蔽保护盒2、配电盘底板3、接线端子排4，传感器包括常规模拟传感器及变送器，常见数字传感器，用标准串行通信总线输出信号的传感器或小型仪表，装置能够提取多种传感器和小型仪表的采样数据并且把各个单一数据重新组合为新的数据集合，能够把新数据集合转发到远端数据设备，装置能够在网络环境工作。

Description

一种多传感器数据转发装置

技术领域

本发明涉及一种把多个传感器数据和小型仪表数据归结在一起向远端数据设备发送的现场转发装置，包括一个印刷电路板，印刷电路板上有多种信号输入通道，有计算机芯片和外围电路作数据提取，有标准串行通信总线作数据转发输出，全部器件安装在配电盘底板上。

背景技术

以往模拟信号传感器的工作方式是输出电压或电流信号或者经由变送器输出电压电流信号，由远端设备接收信号，传感器与变送器一对一连接。

现在数字传感器的应用越来越广泛，传感器的选择范围也越来越多样，传感器及其配套变送器的输出形式也从以往常见的电压电流模拟信号形式逐渐发展为多种数字信号输出形式。现在可以见到采用单总线形式输出的数字传感器，如测量温度的DS18B20，数字输出温湿度传感器SHT15，AM2301等。还可以见到采用二线串行IIC总线形式输出的数字传感器，如数字温度传感器LM75，SE95，SE97，SE98，数字输出温湿度传感器SHT11，等。还可以见到采用标准串行通信协议规范输出的传感器和变送器，如采用RS485 MODBUS 格式输出的ACS-T数字温度传感器，采用RS485输出的数字温度传感器PT100-RS485，采用RS232输出的数字压力变送器PT500-709，等。还可以见到采用标准串行通信协议规范输出的小型仪表，如采用RS232输出的手持式二氧化碳（CO2）检测仪AZ7752，采用RS232输出的手持式红外线二氧化碳气体检测仪TES-1370，等。

数字传感器不同的信号输出形式增加了同时应用多种传感器的复杂程度。使现场多种传感器同时工作而且使应用简单化是技术人员不断研究的问题。

在环境控制领域，比如农业大棚，种植养殖温室和工厂化栽培车间，需要同时检测现场的环境湿度，温度，气体成分浓度等多个物理量，为此需要把几种传感器组合在一起同时工作，并且把采样数据传送到控制管理设备。

中国专利CN200920259587.2提供了一种多功能变送器，其输入和输出均为模拟信号，不能连接数字传感器，也不能连接标准串行通信的传感器和小型仪表。

中国专利CN200820186275.9公开了一种温湿度变送器，它是由单片机直接读取集成数字式温湿度传感器，但是不能连接常见的模拟传感器和变送器，也不能连接标准串行通信输出的传感器和小型仪表。

中国专利CN201120560599.6涉及一种多传输方式的智能温湿度变送器，但不能连接多个不同种类传感器。

中国专利CN200920200714.1和CN200910154920.8涉及一种可支持数据远传的空气质量监测设备，温湿度变送器信号输出端与I/V转换电路的第一通道连接，气压变送器信号输出端与I/V转换电路的第二通道连接，二氧化硫变送器信号输出端与I/V转换电路的第三通道连接，一氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第四通道连接，二氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第五通道连接。该监测设备可以连接多个模拟传感器和变送器同时工作，但是该监测设备不能连接已经广泛使用的数字传感器和标准串行通信的传感器及小型仪表。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多个传感器同时工作的现场转发装置，这些传感器包括常规模拟传感器及变送器，常见数字传感器，用标准串行通信总线输出信号的传感器或小型仪表，装置能够提取多种传感器和小型仪表的采样数据并且把各个单一数据重新组合为新的数据集合，能够把新数据集合转发到远端数据设备，装置能够在网络环境工作。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：装置包含印刷电路板1、屏蔽保护盒2、配电盘底板3、接线端子排4，为了连接多种传感器或小型仪表同时工作，本装置印刷电路板同时包含多种数字总线结构和多路模拟信号通道作接收传感器信号的输入通道，其中多种数字总线包含了多个单总线结构，包含了二线串行IIC总线结构，包含了多个RS232和RS485标准串行通信总线接口，其中模拟信号通道包含了多路电压电流输入和信号调理电路及模拟数字转换（ADC）电路，本装置印刷电路板还同时包含RS232和RS485标准串行通信总线接口作数字信号转发输出通道，通过标准串行通信总线接口可以把多个本设备组成检测网络，通过标准串行通信总线接口可以连接一个GPRS DTU或者3G DTU或者RS232/485-TCP/IP协议转换器使转发距离增加，本装置印刷电路板还包括计算机芯片及其外围电路，以上各个部分电路被制作在同一块也仅仅一块印刷电路板1上，该印刷电路板1被安装在屏蔽盒2内，屏蔽盒2被安装在配电盘底板3上，配电盘底板3还安装一些传感器6或小型仪表7或DTU或RS232/485-TCP/IP协议转换器8以及接线端子排4，应用本装置能够连接多个单总线输出的传感器工作，能够连接多个IIC总线输出的传感器工作，能够连接多个用标准串行通信总线输出数据的传感器或者小型仪表工作，能够连接多个模拟输出的传感器及变送器工作，装置输出端能够连接到网络，计算机提取各个传感器采样数值，并把多个传感器的采样数值编制成新的数据集合，再把新数据集合通过标准串行通信总线转发到检测网络，或者经过标准串行通信总线连接GPRS DTU或者3G DTU转发到GSM/GPRS/3G公众电信网络，或者经过标准串行通信总线连接RS232/485-TCP/IP协议转换器转发到局域网或者互联网，而需要这些数据的远端数据设备连接在这些网络上或者与本装置单独连接。

作为本发明的一种改进，印刷电路板的数字信号输入通道包含多个单总线电路结构。每个单总线可以挂多个有识别码的传感器，如DS18B20。对于没有识别码的单总线输出传感器，如AM2301，可以用多个单总线电路连接多个传感器。

作为本发明的一种改进，印刷电路板的数字信号输入通道包含二线串行IIC总线电路结构。二线串行IIC总线可以挂多个IIC输出的传感器。

作为本发明的一种改进，印刷电路板的信号输入通道包含多个标准串行通信总线RS232和RS485接口。为了建立和使用这些接口，计算机芯片可以选用有多个标准通用异步串行接口（UART）的芯片，也可以用计算机芯片的通用输入输出（I/O）引脚用软件模拟标准串行口。用标准串行通信总线RS232或RS485作输出的多个传感器或者小型仪表可以直接连接到本装置。

作为本发明的一种改进，印刷电路板的信号输入通道包含多个模拟信号输入通道。其中包括mV差分双端输入电路，包括0~5V电压单端输入电路，包括0~10mA和4~20mA电流输入电路。每个模拟输入电路有各自的信号调理电路和进行模拟数字转换（ADC）的电路。

作为本发明的一种改进，印刷电路板1的信号输出通道包含标准串行通信总线，其中一个是RS232接口，一个是RS485接口，能够连接GPRS DTU或者3G DTU或者RS232/485-TCP/IP协议转换器。通过RS485总线接口可以把多个本装置组成检测网络。通过这些接口所连接的器件可以使本装置连接到GSM/GPRS/3G公众电信网络或者局域网或者互联网。需要传感器数据的远端数据设备连接在上述这些网络上或者与本装置单独连接。

作为本发明的一种改进，印刷电路板包含计算机芯片及其外围电路。由计算机提取各个传感器采样数值，并把多个传感器的采样数值编制成新的数据集合，再把新数据集合通过标准串行通信总线接口及与接口连接的DTU或RS232/485-TCP/IP协议转换器转发到需要这些数据的远端数据设备。计算机芯片可以是8位，16位或者32位的。

作为本发明的一种改进，为了使装置便于使用，把多个传感器6，小型仪表7，DTU和RS232/485-TCP/IP协议转换器8，AC-DC电源转换器5，包含印刷电路板1的屏蔽盒2及，接线端子排4等器件安装在配电盘底板3上，为了适合现场安装，配电盘底板可以用一块板也可以分为多块板安装上述器件。

作为本发明的一种改进，发送输出的数据不只是与该装置连接的单一传感器的数据，而是与该装置连接的多个传感器的数据集合，新数据集合的发送方式是串行通信或者数据包形式。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的配电盘器件布局的示意图。

图2是本发明的印刷电路板电路结构的示意图。

图3是本发明的工作原理的示意图。

具体实施方式

图2所示为印刷电路板的结构示意图。结合工厂化栽培车间的环境温度，湿度，二氧化碳CO2浓度检测的具体实例说明本发明技术方案。

为了连接单总线数字传感器，印刷电路板输入端包括多个单总线DQi连接到计算机的输入输出（I/O）接口，单总线被上拉为高电平。每个单总线可以挂多个有识别码（ID）的传感器，如DS18B20。也可以用多个单总线DQi分别连接多个单总线输出传感器，如DS18B20和AM2301等。DS18B20有不同的封装形式，但都有VDD，GND和DQ这3个引脚，使用时把DQ引脚连接到单总线接线端子DQ上，把VDD引脚连接到电源正极接线端子+V，把GND引脚连接到电源地接线端子GND。AM2301有3个引出线，分别是VCC，GND和SDA，使用时把SDA引线连接到单总线接线端子DQ上，把VCC引线连接到电源正极接线端子+V，把GND引线连接到电源地接线端子GND。计算机按照传感器的单总线时序逻辑提取每只传感器的数据。

为了连接IIC总线数字传感器，印刷电路板输入端包括IIC总线，可以挂多个IIC输出的传感器，如数字输出温湿度传感器AM2311，数字输出温度传感器LM75，SE95，SE97等。IIC总线只需要由两根信号线组成，一根是串行数据线SDA，另一根是串行时钟线SCL。把SDA和SCL两条线都上拉为高电平。AM2311数字温湿度传感器有4个引脚，分别是VDD，GND，SDA和SCL，传感器与IIC总线连接时，把传感器的SDA和SCL引脚分别与IIC总线对应的SDA和SCL接线端子连接，把传感器VDD引脚连接到电源正极接线端子+V，把传感器GND引脚连接到电源地接线端子GND。计算机按照传感器的IIC总线时序逻辑提取每只传感器的数据。

为了连接标准串行通信协议输出的传感器或者小型仪表，印刷电路板输入端包括多个标准串行通信总线接口。其中RS232接口与计算机引脚之间有电平转换电路，用DB9型连接器连接RS232接口传感器者小型仪表，DB9连接器的另一端连接RS232-TTL电平转换电路的RS232电平侧对应引脚，电平转换电路的TTL电平侧引脚连接到计算机的输入输出（I/O）引脚，电平转换电路可以采用MAX232或者其他型号的芯片，也可以采用分立件实现。其中RS485接口与计算机引脚之间有电平转换电路，接线端子A和B经过双绞线连接RS485接口传感器相应的A端和B端，接线端子A和B的另一端连接RS485-TTL电平转换电路的RS485电平侧对应引脚，电平转换电路的TTL电平侧引脚连接到计算机的输入输出（I/O）引脚，RS485-TTL电平转换电路可以采用MAX485或者其他型号的芯片。计算机按照标准串行通信协议提取每只传感器或小型仪表的数据。

为了连接模拟量传感器，印刷电路板包括多路模拟信号输入通道，其中包括mV差分双端输入电路，包括0~5V电压单端输入电路，包括0~10mA和4~20mA电流输入电路。每个模拟输入通道有各自的连接端子，有各自的信号调理电路，有各自的模拟数字转换（ADC）电路，ADC电路的输出连接到计算机的输入输出（I/O）接口。也可以利用计算机芯片自带的ADC功能进行模拟数字转换。

为了用标准串行通信协议转发数据，印刷电路板输出端包括一个RS232接口和一个RS485接口，RS232接口经过电平转换电路连接到计算机的输入输出（I/O）引脚，电平转换电路可以采用MAX232或者其他型号的芯片，具体连接方法如前所述，也可以采用分立件实现。印刷电路板输出端包括一个RS485接口，该接口经过电平转换电路连接到计算机的输入输出（I/O）接口，电平转换电路可以采用MAX485或者其他型号的芯片，具体连接方法如前所述。具备这些接口，本装置能够直接连接RS485检测网络，本装置还能够通过这些标准串行通信接口连接常见的GPRS DTU或者3G DTU或者RS232/485-TCP/IP协议转换器，进而连接进入到GSM/GPRS/3G公众电信网络或者局域网或者互联网。譬如本说明例，选择一只RS232接口的型号为 COMWAY WG-8010的 GPRS DTU，通过DB9连接器与本装置输出RS232接口连接，由本装置为DTU供电，本装置通过该DTU连接到GSM/GPRS公众电信网。由于该DTU厂家为用户提供了GPRS-互联网转发服务，所以只要远端数据设备连接在互联网上，本装置就能在凡是国内GSM/GPRS公众电信网覆盖的地方向远端数据设备转发数据。连接DTU使本装置应用的地域非常广阔，如作水情监测，森林火险监测，城市环境监测，农业大棚检测等。

为了对传感器信号采样，印刷电路板上有微型计算机处理器芯片（CPU，MPU，DSP）及其外围电路。现在可供选择的计算机处理器芯片太多了，而且层出不穷，功能强大，使用简单。选择的计算机处理器要有多个串行通信接口或者可以用I/O口模拟多个串行通信接口，计算机处理器可以用I/O口建立IIC接口和单总线接口，因此I/O口的数量要够用。计算机处理器芯片可以是8位，16位或者32位的。本说明例的装置只起到提取传感器数据和转发数据的作用，处理器系统开销很小，对工作频率，内部存储器容量，内部寄存器数量和功能等指标要求低，其应用电路简单，完全可以采用低成本的计算机处理器，本说明例采用了表贴的51兼容处理器。

为了连接传感器，为了连接发送线路和器件，为了连接VDC供电，印刷电路板上采用5.08mm间距接线端子和DB9连接器。

本例印刷电路板是用PCB制图软件制作多层版图，送印刷电路板厂加工的。印刷电路板上的器件是手工焊接的，当然不只限于手工焊接制作。

为了印刷电路板安全工作，印刷电路板被安装在屏蔽保护盒2内。

图1所示为配电盘器件布局的示意图。底板上有屏蔽盒2位置，有端子排4位置，有AC-DC电源转换器位置，有若干传感器和小型仪表安装位置，有DTU安装位置。印刷电路板1的各种连接线从屏蔽保护盒2引出连接至配电盘底板上接线端子排4的一侧。外部传感器，外部RS485网络电缆，外部交流VAC供电，接地等线路连接至接线端子排4的另外一侧。本说明例的底板接线端子排4采用TB-15型号的接线端子排，当然不限于只采用这种型号的接线端子排。单总线传感器，IIC传感器，RS485传感器，模拟传感器及变送器通过接线端子排4相应连接点连接到印刷电路板1的相应输入通道。

RS232接口传感器和小型仪表通过DB9连接器连接到印刷电路板的串行通信接口。RS485接口传感器和小型仪表通过接线端子A和B连接到印刷电路板的串行通信接口。

AC-DC电源转换器为印刷电路板供电，供电的端子是VDC+和VDC-。本装置也通过接线端子排4为传感器供电，为传感器供电的端子是+V和GND。

为了适合现场使用，配电盘底板也可以被分解为多块进行安装，其中一种方法是：把屏蔽保护盒2和AC-DC电源转换器及DTU器件以及部分接线端子排安装在一块底板上，把其它传感器和小型仪表以及部分接线端子排安装在其他底板上，底板之间用电气接线连接。

图3所示为本装置的工作原理。把选择的传感器连接到印刷电路板上各自需要的输入通道或者输入总线上，使单只传感器都能够正常工作，由计算机对各个传感器进行信号提取，计算机再把已经提取的传感器数据编制成新的数据集合，每个传感器数据只是该新数据集合的子集，计算机以标准串口通信协议或者TCP/IP协议通过传送电缆把新数据集合发送到远端设备。

本说明例是对工厂化栽培车间的环境温度，湿度，二氧化碳CO2浓度检测，选择单总线数字输出温湿度传感器AM2301检测温度和湿度，选择RS232输出手持二氧化碳CO2检测仪AZ7752检测CO2浓度。检测网络用RS485总线构成。配电盘底板分为两块，其中一块安装屏蔽盒和AC-DC电源变换器，其位置贴近RS485检测网络线路并且连接在RS485网络线路上。另一块底板安装AM2301传感器和AZ7752小型仪表，其位置在栽培车间的采样点，两块底板之间距离小于15米符合RS232传输标准，两块底板之间作信号和供电连接。

本说明例的工厂化栽培车间有30座，用本发明装置和RS485线路组成检测网络。远端数据设备是连接在检测网络的一台服务器。

该转发装置在现场使用时，就类似于一只可方便变换检测功能的多功能组合传感器，既可以用多套本装置组成检测网络使用，也可以只用一套本装置独立与数据设备连接，为数据设备提供多种传感器的信号集合。譬如需要检测多点温度时，可以选择多只DS18B20连接到装置的单总线上，或者选择多只LM75连接到IIC总线上，只用一套本装置完成多点温度检测；或者选择几只Pt100铂电阻与配套变送器配合一套本装置，再用多套本装置完成更多点温度检测。

该现场转发装置简化了应用多种传感器的复杂程度，具有根据检测项目灵活选择多个不同传感器，数字化输出，可连网，可远传，通用性强，使用和更换及维护传感器简单的特点。

使用本发明装置，远端数据设备只需要有标准串行通信总线接口或者有TCP/IP接口就能够接收与本装置连接的全部传感器的数据，大大降低了对远端数据设备输入端的要求。

Claims (6)

1.一种多传感器组合工作的装置，包括印刷电路板1，安装印刷电路板的屏蔽盒2，其特征在于：为了连接多种传感器或小型仪表同时工作，本装置印刷电路板同时包含多种数字总线结构和多路模拟信号通道作接收传感器信号的输入通道，其中多种数字总线包含了多个单总线结构，包含了二线串行IIC总线结构，包含了多个RS232和RS485标准串行通信总线接口，其中模拟信号通道包含了多路电压电流输入和信号调理电路及模拟数字转换（ADC）电路，本装置印刷电路板还同时包含RS232和RS485标准串行通信总线接口作数字信号转发输出通道，通过标准串行通信总线接口可以把多个本设备组成检测网络，通过标准串行通信总线接口可以连接一个GPRS DTU或者3G DTU或者RS232/485-TCP/IP协议转换器使转发距离增加，本装置印刷电路板还包括计算机芯片及其外围电路，以上各个部分电路被制作在同一块也仅仅一块印刷电路板1上，该印刷电路板1被安装在屏蔽盒2内，屏蔽盒2被安装在配电盘底板3上，配电盘底板3还安装一些传感器6或小型仪表7或DTU或RS232/485-TCP/IP协议转换器8以及接线端子排4，应用本装置能够连接多个单总线输出的传感器工作，能够连接多个IIC总线输出的传感器工作，能够连接多个用标准串行通信总线输出数据的传感器或者小型仪表工作，能够连接多个模拟输出的传感器及变送器工作，装置输出端能够连接到网络，计算机提取各个传感器采样数值，并把多个传感器的采样数值编制成新的数据集合，再把新数据集合通过标准串行通信总线转发到检测网络，或者经过标准串行通信总线连接GPRS DTU或者3G DTU转发到GSM/GPRS/3G公众电信网络，或者经过标准串行通信总线连接RS232/485-TCP/IP协议转换器转发到局域网或者互联网，而需要这些数据的远端数据设备连接在这些网络上或者与本装置单独连接。

2.按照权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于：印刷电路板1的数字信号输入通道包含多个单总线电路结构，包含二线串行IIC总线电路结构，包含多个标准串行通信总线RS232和RS485接口，包含多个模拟信号输入通道，其中包括mV差分双端输入电路，包括0~5V电压单端输入电路，包括0~10mA和4~20mA电流输入电路，每个模拟输入通道有各自的信号调理电路和进行模拟数字转换（ADC）的电路。

3.按照权利要求1所述的的印刷电路板，其特征在于：印刷电路板1的信号输出通道包含标准串行通信总线接口，其中一个是RS232接口，一个是RS485接口，能够连接GPRS DTU或者3G DTU或者RS232/485-TCP/IP协议转换器。

4.按照权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于：包含计算机芯片及其外围电路，由计算机提取各个传感器采样数值，并把多个传感器的采样数值编制成新的数据集合，再把新数据集合通过标准串行通信总线或者TCP/IP总线转发到需要这些数据的远端数据设备，计算机芯片可以是8位，16位或者32位的。

5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：把多个传感器6，小型仪表7，DTU和RS232/485-TCP/IP协议转换器8，AC-DC电源转换器5，包含印刷电路板1的屏蔽盒2及，接线端子排4等器件安装在配电盘底板3上，为了适合现场安装，配电盘底板可以用一块板也可以分为多块板安装上述器件。

6.按照权利要求4所述的印刷电路板，其特征在于：发送输出的数据不只是与该装置连接的单一传感器的数据，而是与该装置连接的多个传感器的数据集合，新数据集合的发送方式是串行通信形式。