CN106652407A - 一种超低功耗基于无线传输的数据采集系统及采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超低功耗基于无线传输的数据采集系统及采集方法，包括云端平台、与云端平台通过移动网络模块进行通信的网关、与网关通过无线模块进行数据通信的至少一个蜂巢，蜂巢包括有单片机和与单片机通信连接的传感器，蜂巢还包括：为传感器定时上电的电源管理模块、与电源管理模块电性连接的电池；所述蜂巢的单片机包括有数据选通模块和自断电模块，所述数据选通模块接收传感器的检测数据，向无线模块发送在检测参数阈值范围内的检测数据；自断电模块用以关闭传感器，其与电源管理模块通信连接；所述网关接收通过无线模块传送的检测数据并通过移动网络模块向云端平台发送。本发明实现传感器长期在低温环境下实时在线监控，并定位网关设备。
Description
技术领域
本发明涉及领域，具体涉及一种超低功耗基于无线传输的数据采集系统及采集方法。
背景技术
随着物联网以及智能硬件行业的兴起，越来越多的产品将带有无线通讯能力。
无线传输采集设备已广泛应用于各行各业。在冷库冷链行业，由于需要长期运行于低温环境(20℃以下)，数据采集设备多采用方案为：有线方式接入温度传感器及采用温度记录仪事后监控方式。该方案一般都需要外接电源供电。而对于采用无线连接方案，其无线采集网关(或称中控)与无线传感器(或称蜂巢)的通信距离近，甚至只能达到数米范围，没有实现地理位置实时定位功能。
针对的低温环境的库冷链行业特点，需解决的问题如下：无线采集网关(中控)与无线传感器(蜂巢)之间传输通信距离过近，无线传感器(蜂巢)长期适应于低温环境下实时在线监控的需要，无线传感器(蜂巢)需要外接市电供电才能长期工作，无线采集网关(中控)地理位置的实时定位且断电后依旧能在3天内继续上传当时的地理位置，以定位设备的去向。
这个问题产生的原因在于选取无线通信距离要求远，对应的无线模组选取较难；无线传感器长期运行于低温环境下，对各元器件性能要求严酷；无线传感器(蜂巢)需采用电池供电，选取适配电池较难；无线传感器(蜂巢)需要超低低功耗运行，工作机制过程比较复杂；无线采集网关(中控)在断电情况下，也是电池供电工作，同样需要超低低功耗运行，工作机制过程也很复杂；上述原因在一个监控系统中须全部解决，任一要求没解决，会导致系统性能大幅下降，功能无法满足实际需要。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出一种超低功耗基于无线传输的数据采集系统及采集方法，实现传感器长期在低温环境下实时在线监控，并定位网关设备。
为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种超低功耗基于无线传输的数据采集系统，云端平台、与云端平台通过移动网络模块进行通信的网关、与网关通过无线模块进行数据通信的至少一个蜂巢，所述网关采用市电供电，蜂巢包括有单片机和与单片机通信连接的传感器，所述蜂巢还包括：为传感器定时上电的电源管理模块、与电源管理模块电性连接的电池；所述蜂巢的单片机包括有数据选通模块和自断电模块，所述数据选通模块接收传感器的检测数据，并向无线模块发送在检测参数阈值范围内的检测数据；所述自断电模块用以关闭传感器，其与电源管理模块通信连接；所述网关接收通过无线模块传送的检测数据并通过移动网络模块向云端平台发送。
进一步，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、红外传感器和/或振动传感器，所述检测数据包括温度数据、湿度数据、距离数据和/或振动数据，所述数据选通模块分别接收温度传感器、湿度传感器、红外传感器或振动传感器的数据，对温度传感器选通处于温度阈值范围内的温度数据，对湿度传感器选通处于湿度阈值范围内的湿度数据、对于红外传感器选通处于距离阈值范围内的红外数据、对于振动传感器选通处于振动频率阈值范围内的振动数据。
进一步，所述网关还包括有存储模块和云端通信检测模块，所述云端通信检测模块用以检测网关与云端平台是否通信中断，所述存储模块接受云端通信检测模块的控制命令，以存储无线模块传送的数据。
进一步，所述网关还包括有wifi定位模块，所述wifi定位模块用以通过wifi信号和移动网络信号获取地理位置数据，所述地理位置数据通过移动网络模块上传云端平台。
进一步，所述移动网络模块采用GPRS、CDMA、3g或者4G网络模式。
进一步，所述网关还采用电池供电；网关还包括有第二温度传感器和下行串口，所述第二温度传感器用以检测网关的环境温度，所述下行串口用以通过有线联线方式接入有线温度探头或智能串口。
本发明还公开一种超低功耗基于无线传输的数据采集方法，应用于上述超低功耗基于无线传输的数据采集系统，包括步骤如下：
步骤1，网关与蜂巢通过约定的对码匹配关系，实现无线模块的通信；
步骤2，设定蜂巢传感器的数据通信周期，在其数据通信周期外采用看门狗定时上电机制的电源管理模块，每隔设定时间段为蜂巢的传感器上电，所述传感器的数据通信周期设置在设定时间段内；
步骤3，通过单片机控制传感器连续采样至少2次，对采样的检测数据计算其加权算数平均值；
步骤4，判断检测数据的加权算数平均值是否处于参数阈值范围内，是则将该检测数据发送给网关，否则发出告警信息以便检查排除故障；
步骤5，传感器的数据通信周期结束后，蜂巢单片机向电源管理模块发送关闭指令，使传感器断电。
进一步，还包括步骤8，检测云端平台是否通信中断，是则将网关接收的检测数据进行本地存储，待云端通信恢复后将所存检测数据上传。
进一步，还包括步骤7，网关通过wifi模块检测wifi信号和移动网络信号，以获取地理位置数据，并将地理位置数据发送给云端平台，所述云端平台通过加权算数平均数法和趋势分析法，实现网关的定位。
进一步，还包括步骤31，当单片机从传感器连续采样的次数大于等于4次时，对采样数据用递归算法去掉一个最大值和一个最小值后，再对采样数据做加权算术平均。
本发明的一种超低功耗基于无线传输的数据采集系统及采集方法，采用看门狗机制，实现对各传感器的上电工作，并由蜂巢的单片机根据传感器数据传输周期，对传感器断电，实现各传感器的非带电待机，大大节省了电池电源的消耗；利用WIFI定位模块，实现定位功能，使WIFI和GPRS同时获取地理位置数据，再在云端后台通过算法处理，将定位精度提升到50米以内，价格上比GPS定位要便宜。性价比极高；本采集系统及方法具备扩展性，网关可以接入多个蜂巢，可以扩展数量理论上不受限制，还有通过约定的对码匹配关系实现通信白名单机制。
附图说明
图1为本发明的一种超低功耗基于无线传输的数据采集系统的结构示意图。
图2为本发明的一种超低功耗基于无线传输的数据采集方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例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，而不是全部实施例。
传统的无线传感器，在下文统称为蜂巢，都是采用单片机睡眠方式实现低功耗，但该模式实际上单片机及周边电路与传感器仍是上电状态，随时随刻都在消耗电池的电量。
实施例
参看图1，为本发明的一种超低功耗基于无线传输的数据采集系统的结构示意图。本发明的数据采集系统为了克服上述电池持续消耗的问题，采用如下实施例的方案：
本方案包括有云端平台3、与云端平台3通过移动网络模块25进行通信的网关2、与网关2通过第一、第二无线模块16、24进行数据通信的至少一个蜂巢1，所述网关2采用市电供电，蜂巢1包括有第一单片机11和与第一单片机11通信连接的传感器，网关2也包括有作为控制中心的第二单片机21，所述第一、第二单片机11、21均为超低功耗单片机；所述蜂巢1还包括：为传感器定时上电的第一电源管理模块12、与第一电源管理模块12电性连接的第一电池13；所述蜂巢1的第一单片机11包括有数据选通模块(未图示)和自断电模块(未图示)，所述数据选通模块接收传感器的检测数据，并向第一无线模块16发送在检测参数阈值范围内的检测数据；所述自断电模块用以关闭传感器，其与第一电源管理模块12通信连接；所述网关2接收通过第一、第二无线模块16、24传送的检测数据并通过移动网络模块25向云端平台3发送。
作为具体实施例，所述传感器包括温度传感器14、湿度传感器15、红外传感器(未图示)和/或振动传感器(未图示)，所述检测数据包括温度数据、湿度数据、距离数据和/或振动数据，所述数据选通模块分别接收温度传感器14、湿度传感器15、红外传感器或振动传感器的数据，对温度传感器14选通处于温度阈值范围内的温度数据，对湿度传感器15选通处于湿度阈值范围内的湿度数据、对于红外传感器选通处于距离阈值范围内的红外数据、对于振动传感器选通处于振动频率阈值范围内的振动数据。
以温度传感器14和湿度传感器15为例说明数据选通模块。所述温度传感器14、湿度传感器15的温度数据和湿度数据均是通过至少两次连续采样后做加权算术平均获得的，数据选通模块判断温度数据是否处于60℃与-40℃的温度阈值范围内，是才会发送该温度数据，数据选通模块判断湿度数据是否处于99.9与0之间的湿度阈值范围内，是才会发送湿度数据。
所述第一单片机对检测数据的处理示例如下：
每次传感器的数据传输周期，第一单片机向传感器连续采集7次，用递归算法去掉一个最大值和一个最小值，若采集次数较少为2至3次，不做最大值与最小值的删除，对其它值通过加权算术平均数法算出平均值，其公式为：
其中n为扣除最大值与最小值后的剩余采集次数，f为权重，x1至xk为采样值，k为序号。
进一步，所述网关2还包括有存储模块(未图示)和云端通信检测模块(未图示)，所述云端通信检测模块用以检测网关2与云端平台3是否通信中断，所述存储模块接受云端通信检测模块的控制命令，以存储第一、第二无线模块16、24传送的检测数据。通过上述模块，网关2在与云端平台3通信中断时，会将蜂巢1的检测数据进行本地存储，待网关2与云端平台3通信恢复后将蜂巢1的检测数据再上传，以保证数据不会丢失；
进一步，所述网关2还包括有wifi定位模块26，所述wifi定位模块26用以通过wifi信号和移动网络信号获取地理位置数据，所述地理位置数据通过移动网络模块25上传云端平台，通过云端平台3后台的数据处理，可以将定位精度提升至50米以内，所述数据处理为采用加权算术平均数法和群是分析法相结合。
进一步，所述移动网络模块25采用GPRS、CDMA、3g或者4G网络模式。
进一步，所述网关2还采用第二电池29供电，以防市电停电时还能继续定时发送地理位置。
进一步，所述蜂巢1的第一电源管理模块12采用TI公司的TPL5110芯片进行电源管理。
作为另一个实施例，网关2还包括有第二温度传感器27和下行串口28，所述第二温度传感器27用以检测网关2的环境温度，所述下行串口28用以通过有线联线方式接入有线温度探头或智能串口,实现灵活布置监控点的作用,可节省一个蜂巢的成本。
参看图2的步骤流程图,本发明还公开一种超低功耗基于无线传输的数据采集方法，应用于上述超低功耗基于无线传输的数据采集系统，蜂巢1传感器上电启动由TPL5110芯片的第一电源管理模块1控制，断电由第一单片机11自己决定，可以实现传感器的非带电待机工作，具体实现步骤如下：
步骤1，网关2与蜂巢1通过约定的对码匹配关系，实现第一、第二无线模块16、24的通信；
步骤2，设定蜂巢1传感器的数据通信周期，在其数据通信周期外采用看门狗定时上电机制的第一电源管理模块1，每隔设定时间段为蜂巢1的传感器上电，所述传感器的数据通信周期设置在设定时间段内；
步骤3，通过第一单片机11控制传感器连续采样至少2次，对采样的检测数据计算其加权算数平均值；
步骤4，判断检测数据的加权算数平均值是否处于参数阈值范围内，是则将该检测数据发送给网关，否则发出告警信息以便检查排除故障；
步骤5，传感器的数据通信周期结束后，蜂巢单片机向电源管理模块发送关闭指令，使传感器断电。
进一步，还包括步骤8，检测云端平台是否通信中断，是则将网关接收的检测数据进行本地存储，待云端通信恢复后将所存检测数据上传。
进一步，还包括步骤7，网关通过wifi模块检测wifi信号和移动网络信号，以获取地理位置数据，并将地理位置数据发送给云端平台，所述云端平台通过加权算数平均数法和趋势分析法，实现网关的定位，并将定位精度提升到50米以内。
还包括步骤31，当单片机从传感器连续采样的次数大于等于4次时，对采样数据用递归算法去掉一个最大值和一个最小值后，再对采样数据做加权算术平均。
所述加权算术平均公式为：
其中n为扣除最大值与最小值后的剩余采集次数，f为权重，x1至xk为采样值，k为序号。
使用本发明中的方法方案中，在五个方面做出了技术改进：
1、传统无线传感器在待机时，都是采用单片机睡眠方面来实现低功耗，这种模式实际上单片机及周边电路还是上电的。本发明直接采用看门狗机制直接关断全部电源方法，大大节省了电池电源的消耗。
2、蜂巢的单片机除采用超低功耗单片机外，压缩运行时长且只要任务运行完成，单片机可主动关闭电源，以最大化省电。
3、本发明，采用TI的433Mhz芯片，在实现低功耗的同时，通信距离比BLE等更远。
4、本方法具备扩展性，网关可以接入多个蜂巢，可以扩展数量理论上不受限制，还有通信白名单机制。
5、可以利用WIFI定位功能，使WIFI和GPRS同时获取地理位置数据，再通过算法处理，将定位精度提升到50米以内；价格上比GPS定位要便宜。性价比极高。
6、传统的传感器一般需要外接电源，安装布线都较为不便。本方法蜂巢内置电池工作，安装不需要布线。
7、本方法的网关在外接供电停电后，还可以用内置电池供电工作，发送地理位置，可以广泛应用于防盗，资产管理，移动位置轨迹监控等领域。
8、本发明的网关设备，接口扩展丰富，可接入有线温度探头及下行串口。
上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种超低功耗基于无线传输的数据采集系统，包括云端平台、与云端平台通过移动网络模块进行通信的网关、与网关通过无线模块进行数据通信的至少一个蜂巢，所述网关采用市电供电，蜂巢包括有单片机和与单片机通信连接的传感器，其特征在于，所述蜂巢还包括：为传感器定时上电的电源管理模块、与电源管理模块电性连接的电池；所述蜂巢的单片机包括有数据选通模块和自断电模块，所述数据选通模块接收传感器的检测数据，并向无线模块发送在检测参数阈值范围内的检测数据；所述自断电模块用以关闭传感器，其与电源管理模块通信连接；所述网关接收通过无线模块传送的检测数据并通过移动网络模块向云端平台发送。
2.根据权利要求1所述的超低功耗基于无线传输的数据采集系统，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、红外传感器和/或振动传感器，所述检测数据包括温度数据、湿度数据、距离数据和/或振动数据，所述数据选通模块分别接收温度传感器、湿度传感器、红外传感器或振动传感器的数据，对温度传感器选通处于温度阈值范围内的温度数据，对湿度传感器选通处于湿度阈值范围内的湿度数据、对于红外传感器选通处于距离阈值范围内的红外数据、对于振动传感器选通处于振动频率阈值范围内的振动数据。
3.根据权利要求1或2所述的超低功耗基于无线传输的数据采集系统，其特征在于，所述网关还包括有存储模块和云端通信检测模块，所述云端通信检测模块用以检测网关与云端平台是否通信中断，所述存储模块接受云端通信检测模块的控制命令，以存储无线模块传送的数据。
4.根据权利要求3所述的超低功耗基于无线传输的数据采集系统，其特征在于，所述网关还包括有wifi定位模块，所述wifi定位模块用以通过wifi信号和移动网络信号获取地理位置数据，所述地理位置数据通过移动网络模块上传云端平台。
5.根据权利要求1所述的超低功耗基于无线传输的数据采集系统，其特征在于，所述移动网络模块采用GPRS、CDMA、3g或者4G网络模式。
6.根据权利要求1所述的超低功耗基于无线传输的数据采集系统，其特征在于，所述网关还采用电池供电；网关还包括有第二温度传感器和下行串口，所述第二温度传感器用以检测网关的环境温度，所述下行串口用以通过有线联线方式接入有线温度探头或智能串口。
7.一种超低功耗基于无线传输的数据采集方法，应用于权利要求1至7任意一项所述的超低功耗基于无线传输的数据采集系统，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1，网关与蜂巢通过约定的对码匹配关系，实现无线模块的通信；
步骤2，设定蜂巢传感器的数据通信周期，在其数据通信周期外采用看门狗定时上电机制的电源管理模块，每隔设定时间段为蜂巢的传感器上电，所述传感器的数据通信周期设置在设定时间段内；
步骤3，通过单片机从传感器连续采样至少2次，对采样的检测数据计算其加权算数平均值；
步骤4，判断检测数据的加权算数平均值是否处于参数阈值范围内，是则将该检测数据发送给网关，否则发出告警信息以便检查排除故障；
步骤5，传感器的数据通信周期结束后，蜂巢单片机向电源管理模块发送关闭指令，使传感器断电。
8.根据权利要求7所述的超低功耗基于无线传输的数据采集方法，其特征在于，还包括步骤6，检测云端平台是否通信中断，是则将网关接收的检测数据进行本地存储，待云端通信恢复后将所存检测数据上传。
9.根据权利要求6或7所述的超低功耗基于无线传输的数据采集方法，其特征在于，还包括步骤7，网关通过wifi模块检测wifi信号和移动网络信号，以获取地理位置数据，并将地理位置数据发送给云端平台，所述云端平台通过加权算数平均数法和趋势分析法，实现网关的定位。
10.根据权利要求7所述的超低功耗基于无线传输的数据采集方法，其特征在于，还包括步骤31，当单片机从传感器连续采样的次数大于等于4次时，对采样数据用递归算法去掉一个最大值和一个最小值后，再对采样数据做加权算术平均。
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