CN106603370A - 一种基于fsk的数据采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于FSK的数据采集系统，采用一种二级星型网络。第一级星型网通过Lora或NB‑IoT技术将节点连接起来；对于局域聚集的部分，利用FSK技术将其进行第二级的星型连接，而二级星型网络的主节点在第一级星型网中作为子节点，连接到第一级星型网中，从而可以实现数据传输的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据采集系统，特别是一种基于FSK的数据采集系统及方法。
背景技术
低功耗广域技术(Low-Power Wide-Area,LPWA)，是专门针对以上应用需求发展起来的无线数据传输技术，可以很好的满足农业物联网溯源应用的需求。LPWA有三个显著的特点：远距离通信，低速率数据传输，低功耗，因此非常适用于远距离传输、通信数据量少、需要电池长久供电的物联网应用。
对于需要广域覆盖的物联网节点，对于其中部分节点聚集的应用场景，例如水表抄表等，一栋楼内的水表之间的连接常常不超过10米的距离，这种情况若直接采用LPWA广域技术，则成本太高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种基于FSK的数据采集系统及方法。
本发明通过以下的方案实现：一种基于FSK的数据采集系统，包括FSK模块、LoRa模块和LoRa网关；
所述FSK模块用于接收终端的数据，并发送至所述LoRa模块；
所述LoRa模块用于将采集的数据发送至LoRa网关；
所述LoRa网关用于将数据发送至网络服务器。
相比于现有技术，本发明结合了FSK和LoRa的技术，从而可以实现在短距离传输中，采用FSK技术，降低功耗。在长距离传输中，采用LoRa技术，使用长距离的信息传输。而LoRaWAN融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，确保了高灵敏度、可靠的网络连接，同时提高了网络效率并消除了干扰。它的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数，因而降低了功耗并可允许多个并发应用程序在网络上运行。相较于3G和4G蜂窝网络，LoRa技术对嵌入式应用而言可扩展性更强，性价比更高。
进一步，所述FSK模块包括信号发送端和信号接收端；
所述信号发送端包括编码器、FSK调制模块、DAC转换模块和射频发送模块；所述编码器用于对接收的信号进行编码，生成数字信号；所述FSK调制模块用于对该数字信号进行调制成FSK信号；所述DAC转换模块用于对数字信号转化为模拟信号；所述射频发送模块用于将该模拟信号并发送至LoRa模块；
所述信号接收端包括射频接收模块、ADC转换模块、FSK解调模块和解码器；所述射频接收模块用于接收模拟信号，并发送至ADC转换模块；所述ADC转换模块用于将该模拟信号转换为数字信号；所述FSK解调模用于对FSK信号进行解调，并发送至所述解码器；所述解码器用于将解调后的信号进行解码。
进一步，所述FSK调制模块，包括第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、反相器和相加器；
所述第一选通开关，用于接收第一振荡器产生的信号和基带信号；
所述第二选通开关，用于接收第二振荡器产生的信号，以及经过所述反相器的基带信号；
所述相加器，用于接收第一选通开关和第二选通开关的信号，并输出FSK信号。
进一步，所述FSK解调模块，包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一相乘器、第二相乘器、第一低通滤波器、第二低通滤波器和抽样判决器；
所述第一带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第一相乘器和第一低通滤波器后进入抽样判决器；
所述第二带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第二相乘器和第二低通滤波器后进入抽样判决器；
所述抽样判决器同时接收第一低通滤波器的输出信号、第二低通滤波器的输出信号和定时脉冲信号后，进行信号输出。
本发明还提供了一种基于FSK的数据采集方法，其包括以下步骤：
通过FSK模块接收终端的数据，并发送至LoRa模块；
通过LoRa模块将数据发送至LoRa网关；
通过LoRa网关将数据发送至网络服务器。
本发明还提供了另一种基于FSK的数据采集系统，其包括FSK模块和NB-IoT模块；
所述FSK模块用于接收终端的数据，并发送至所述NB-IoT模块；
所述NB-IoT模块用于将数据发送至网络服务器。
相比于现有技术，本发明结合了FSK和NB-IoT的技术，从而可以实现在短距离传输中，采用FSK技术，降低功耗。在长距离传输中，采用NB-IoT技术，使用长距离的信息传输。而NB-IoT的技术具备以下优点：一是广覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，覆盖面积扩大100倍；二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年。
进一步，所述FSK模块包括信号发送端和信号接收端；
所述信号发送端包括编码器、FSK调制模块、DAC转换模块和射频发送模块；所述编码器用于对接收的信号进行编码，生成数字信号；所述FSK调制模块用于对该数字信号进行调制成FSK信号；所述DAC转换模块用于对数字信号转化为模拟信号；所述射频发送模块用于将该模拟信号并发送至LoRa模块；
所述信号接收端包括射频接收模块、ADC转换模块、FSK解调模块和解码器；所述射频接收模块用于接收模拟信号，并发送至ADC转换模块；所述ADC转换模块用于将该模拟信号转换为数字信号；所述FSK解调模用于对FSK信号进行解调，并发送至所述解码器；所述解码器用于将解调后的信号进行解码。
进一步，所述FSK调制模块，包括第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、反相器和相加器；
所述第一选通开关，用于接收第一振荡器产生的信号和基带信号；
所述第二选通开关，用于接收第二振荡器产生的信号，以及经过所述反相器的基带信号；
所述相加器，用于接收第一选通开关和第二选通开关的信号，并输出FSK信号。
进一步，所述FSK解调模块，包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一相乘器、第二相乘器、第一低通滤波器、第二低通滤波器和抽样判决器；
所述第一带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第一相乘器和第一低通滤波器后进入抽样判决器；
所述第二带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第二相乘器和第二低通滤波器后进入抽样判决器；
所述抽样判决器同时接收第一低通滤波器的输出信号、第二低通滤波器的输出信号和定时脉冲信号后，进行信号输出。
本发明还提供了一种基于FSK的数据采集方法，其包括以下步骤：
通过FSK模块接收终端的数据，并发送至NB-IoT模块；
通过NB-IoT模块将数据发送至网络服务器。
综上所述，本发明采用一种二级星型网络。第一级星型网通过Lora或NB-IoT技术将节点连接起来；对于局域聚集的部分，利用FSK技术将其进行第二级的星型连接，而二级星型网络的主节点在第一级星型网中作为子节点，连接到第一级星型网中，从而可以实现数据传输的功耗。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明实施例1的基于FSK的数据采集系统的模块框图。
图2是本发明的FSK信号传输示意图。
图3是键控法产生FSK信号原理图。
图4是FSK相干解调原理框图。
图5是本发明实施例1的基于FSK的数据采集方法的步骤流程图。
图6是本发明实施例2的基于FSK的数据采集系统的模块框图。
图7是本发明实施例2的基于FSK的数据采集方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
FSK(Frequency-shift keying)-频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息的一种数字调制技术。FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是:实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统。
对于需要广域覆盖的物联网节点，对于其中部分节点聚集的应用场景，例如水表抄表等，一栋楼内的水表之间的连接常常不超过10米的距离，这种情况如果采用FSK将其连接起来，将比直接采用Lora等技术要简单而且低功耗，并且还能降低成本。
因此，本发明提供了一种二级星型网络。第一级星型网通过Lora或NB-IoT技术将节点连接起来；对于局域聚集的部分，利用FSK技术将其进行第二级的星型连接，而二级星型网络的主节点在第一级星型网中作为子节点，连接到第一级星型网中。具体的，通过以下实施例进行介绍。
实施例1
本实施例主要采用FSK与LoRa进行连接，实现数据的采集和传输。具体的，请参阅图1，其为本发明的实施例的基于FSK的数据采集系统的模块框图。
本实施例的一种基于FSK的数据采集系统，包括FSK模块1、LoRa模块2和LoRa网关3。
所述FSK模块1用于接收终端的数据，并发送至所述LoRa模块。具体的，在本实施例中，所述终端可以为：水表、电表等分布距离较近的设备。
所述LoRa模块2用于将采集的数据发送至LoRa网关。
所述LoRa网关3用于将数据发送至网络服务器。
其中，所述FSK模块1包括信号发送端11和信号接收端12。
请同时参阅图2，其为本发明的FSK信号传输示意图。
所述信号发送端包括编码器11、FSK调制模块12、DAC转换模块13和射频发送模块14。所述编码器11用于对接收的信号进行编码，生成数字信号。所述FSK调制模块12用于对该数字信号进行调制成FSK信号。所述DAC转换模块13用于对数字信号转化为模拟信号。所述射频发送模块14用于将该模拟信号并发送至LoRa模块。
所述信号接收端包括射频接收模块15、ADC转换模块16、FSK解调模块17和解码器18。所述射频接收模块15用于接收模拟信号，并发送至ADC转换模块。所述ADC转换模块16用于将该模拟信号转换为数字信号；所述FSK解调模17用于对FSK信号进行解调，并发送至所述解码器；所述解码器18用于将解调后的信号进行解码。
进一步，请参阅图3，其为本发明的键控法产生FSK信号原理图。
所述FSK调制模块，包括第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、反相器和相加器。
所述第一选通开关，用于接收第一振荡器产生的信号和基带信号。
所述第二选通开关，用于接收第二振荡器产生的信号，以及经过所述反相器的基带信号。
所述相加器，用于接收第一选通开关和第二选通开关的信号，并输出FSK信号。
进一步，请参阅图4，其为本发明的FSK相干解调原理框图。
所述FSK解调模块，包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一相乘器、第二相乘器、第一低通滤波器、第二低通滤波器和抽样判决器。
所述第一带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第一相乘器和第一低通滤波器后进入抽样判决器。
所述第二带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第二相乘器和第二低通滤波器后进入抽样判决器。
所述抽样判决器同时接收第一低通滤波器的输出信号、第二低通滤波器的输出信号和定时脉冲信号后，进行信号输出。
请同时参阅图5，其为本发明实施例1的基于FSK的数据采集方法的步骤流程图。本发明还提供了一种基于FSK的数据采集方法，其包括以下步骤：
步骤S11：通过FSK模块接收终端的数据，并发送至LoRa模块；
步骤S12：通过LoRa模块将数据发送至LoRa网关；
步骤S13：通过LoRa网关将数据发送至网络服务器。
相比于现有技术，本发明结合了FSK和LoRa的技术，从而可以实现在短距离传输中，采用FSK技术，降低功耗。在长距离传输中，采用LoRa技术，使用长距离的信息传输。而LoRaWAN融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，确保了高灵敏度、可靠的网络连接，同时提高了网络效率并消除了干扰。它的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数，因而降低了功耗并可允许多个并发应用程序在网络上运行。相较于3G和4G蜂窝网络，LoRa技术对嵌入式应用而言可扩展性更强，性价比更高。
实施例2
本实施例主要采用FSK与NB-IoT进行连接，实现数据的采集和传输。具体的，请参阅图6，其为本发明的实施例的基于FSK的数据采集系统的模块框图。
本发明还提供了另一种基于FSK的数据采集系统，其包括FSK模块1和NB-IoT模块4。
所述FSK模块1用于接收终端的数据，并发送至所述NB-IoT模块4；
所述NB-IoT模块4用于将数据发送至网络服务器。
同理，与实施例1相同，请同时参阅图2，其为本发明的FSK信号传输示意图。
所述信号发送端包括编码器11、FSK调制模块12、DAC转换模块13和射频发送模块14。所述编码器11用于对接收的信号进行编码，生成数字信号。所述FSK调制模块12用于对该数字信号进行调制成FSK信号。所述DAC转换模块13用于对数字信号转化为模拟信号。所述射频发送模块14用于将该模拟信号并发送至LoRa模块。
所述信号接收端包括射频接收模块15、ADC转换模块16、FSK解调模块17和解码器18。所述射频接收模块15用于接收模拟信号，并发送至ADC转换模块。所述ADC转换模块16用于将该模拟信号转换为数字信号；所述FSK解调模17用于对FSK信号进行解调，并发送至所述解码器；所述解码器18用于将解调后的信号进行解码。
进一步，请参阅图3，其为本发明的键控法产生FSK信号原理图。
所述FSK调制模块，包括第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、反相器和相加器。
所述第一选通开关，用于接收第一振荡器产生的信号和基带信号。
所述第二选通开关，用于接收第二振荡器产生的信号，以及经过所述反相器的基带信号。
所述相加器，用于接收第一选通开关和第二选通开关的信号，并输出FSK信号。
进一步，请参阅图4，其为本发明的FSK相干解调原理框图。
所述FSK解调模块，包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一相乘器、第二相乘器、第一低通滤波器、第二低通滤波器和抽样判决器。
所述第一带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第一相乘器和第一低通滤波器后进入抽样判决器。
所述第二带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第二相乘器和第二低通滤波器后进入抽样判决器。
所述抽样判决器同时接收第一低通滤波器的输出信号、第二低通滤波器的输出信号和定时脉冲信号后，进行信号输出。
另外，请参阅图7，其为本发明实施例2的基于FSK的数据采集方法的步骤流程图。
本发明还提供了一种基于FSK的数据采集方法，其包括以下步骤：
S21：通过FSK模块接收终端的数据，并发送至NB-IoT模块；
S22：通过NB-IoT模块将数据发送至网络服务器。
相比于现有技术，本发明结合了FSK和NB-IoT的技术，从而可以实现在短距离传输中，采用FSK技术，降低功耗。在长距离传输中，采用NB-IoT技术，使用长距离的信息传输。而NB-IoT的技术具备以下优点：一是广覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，覆盖面积扩大100倍；二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于FSK的数据采集系统，其特征在于：包括FSK模块、LoRa模块和LoRa网关；
所述FSK模块用于接收终端的数据，并发送至所述LoRa模块；
所述LoRa模块用于将采集的数据发送至LoRa网关；
所述LoRa网关用于将数据发送至网络服务器。
2.根据权利要求1所述基于FSK的数据采集系统，其特征在于：所述FSK模块包括信号发送端和信号接收端；
所述信号发送端包括编码器、FSK调制模块、DAC转换模块和射频发送模块；所述编码器用于对接收的信号进行编码，生成数字信号；所述FSK调制模块用于对该数字信号进行调制成FSK信号；所述DAC转换模块用于对数字信号转化为模拟信号；所述射频发送模块用于将该模拟信号并发送至LoRa模块；
所述信号接收端包括射频接收模块、ADC转换模块、FSK解调模块和解码器；所述射频接收模块用于接收模拟信号，并发送至ADC转换模块；所述ADC转换模块用于将该模拟信号转换为数字信号；所述FSK解调模用于对FSK信号进行解调，并发送至所述解码器；所述解码器用于将解调后的信号进行解码。
3.根据权利要求2所述基于FSK的数据采集系统，其特征在于：所述FSK调制模块，包括第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、反相器和相加器；
所述第一选通开关，用于接收第一振荡器产生的信号和基带信号；
所述第二选通开关，用于接收第二振荡器产生的信号，以及经过所述反相器的基带信号；
所述相加器，用于接收第一选通开关和第二选通开关的信号，并输出FSK信号。
4.根据权利要求2所述基于FSK的数据采集系统，其特征在于：所述FSK解调模块，包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一相乘器、第二相乘器、第一低通滤波器、第二低通滤波器和抽样判决器；
所述第一带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第一相乘器和第一低通滤波器后进入抽样判决器；
所述第二带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第二相乘器和第二低通滤波器后进入抽样判决器；
所述抽样判决器同时接收第一低通滤波器的输出信号、第二低通滤波器的输出信号和定时脉冲信号后，进行信号输出。
5.一种基于FSK的数据采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过FSK模块接收终端的数据，并发送至LoRa模块；
通过LoRa模块将数据发送至LoRa网关；
通过LoRa网关将数据发送至网络服务器。
6.一种基于FSK的数据采集系统，其特征在于：包括FSK模块和NB-IoT模块；
所述FSK模块用于接收终端的数据，并发送至所述NB-IoT模块；
所述NB-IoT模块用于将数据发送至网络服务器。
7.根据权利要求6所述基于FSK的数据采集系统，其特征在于：所述FSK模块包括信号发送端和信号接收端；
所述信号发送端包括编码器、FSK调制模块、DAC转换模块和射频发送模块；所述编码器用于对接收的信号进行编码，生成数字信号；所述FSK调制模块用于对该数字信号进行调制成FSK信号；所述DAC转换模块用于对数字信号转化为模拟信号；所述射频发送模块用于将该模拟信号并发送至LoRa模块；
所述信号接收端包括射频接收模块、ADC转换模块、FSK解调模块和解码器；所述射频接收模块用于接收模拟信号，并发送至ADC转换模块；所述ADC转换模块用于将该模拟信号转换为数字信号；所述FSK解调模用于对FSK信号进行解调，并发送至所述解码器；所述解码器用于将解调后的信号进行解码。
8.根据权利要求6所述基于FSK的数据采集系统，其特征在于：所述FSK调制模块，包括第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、反相器和相加器；
所述第一选通开关，用于接收第一振荡器产生的信号和基带信号；
所述第二选通开关，用于接收第二振荡器产生的信号，以及经过所述反相器的基带信号；
所述相加器，用于接收第一选通开关和第二选通开关的信号，并输出FSK信号。
9.根据权利要求6所述基于FSK的数据采集系统，其特征在于：所述FSK解调模块，包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一相乘器、第二相乘器、第一低通滤波器、第二低通滤波器和抽样判决器；
所述第一带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第一相乘器和第一低通滤波器后进入抽样判决器；
所述第二带通滤波器接收FSK信号后，依次经过第二相乘器和第二低通滤波器后进入抽样判决器；
所述抽样判决器同时接收第一低通滤波器的输出信号、第二低通滤波器的输出信号和定时脉冲信号后，进行信号输出。
10.一种基于FSK的数据采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过FSK模块接收终端的数据，并发送至NB-IoT模块；通过NB-IoT模块将数据发送至网络服务器。
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