CN106979801A - 基于NB‑IoT技术的排气阀远程监测电路 - Google Patents

基于NB‑IoT技术的排气阀远程监测电路 Download PDF

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CN106979801A CN201710416558.1A CN201710416558A CN106979801A CN 106979801 A CN106979801 A CN 106979801A CN 201710416558 A CN201710416558 A CN 201710416558A CN 106979801 A CN106979801 A CN 106979801A
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张美燕
蔡文郁
周莉萍
郑晓丹
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells

Abstract

本发明涉及一种基于NB‑IoT技术的排气阀远程监测电路。本发明中压力变送器和流量传感器连接到双路模拟信号调理电路实现电流/电压转换以及电压变换，双路模拟信号调理电路将输出模拟电压量传输到工业微处理器电路的AD接口进行模数转换，工业微处理器电路经UART接口传输数据至NB‑IoT通信电路，最终由NB‑IoT通信电路将数据发送到远端服务器，太阳能供电电路为整个系统提供5V电源。本发明采用了工业级处理器和数据通信模块进行设计，可以实现排气阀内压力和流量数据的实时监测，通信覆盖广、硬件成本低、系统耗电省，采用太阳能进行系统供电，还可以外扩温度、重金属、放射性等多种模拟传感器接口。

Description

基于NB-IoT技术的排气阀远程监测电路
技术领域
本发明属于远程无线控制领域，具体涉及一种基于NB-IoT技术的排气阀远程监测电路。
背景技术
排气阀是市政管道工作中的一个非常关键的部件，排气阀的作用如下：污水管道中有时候会有气体溢出，当气体进入排气阀阀腔聚集在排气阀的上部，随着阀内气体的增多压力会增加，当气体压力大于系统压力时，气体会使腔内水面下降，浮筒随水位一起下降，打开排气口；气体排尽后，水位上升，浮筒也随之上升，关闭排气口。当系统中产生负压，阀腔中水面下降，排气口打开，此时外界大气压力比系统压力大，所以大气会通过排气口进入系统，防止负压的危害。
但是在长期使用过程中，由于污物的堵塞，排气阀的自动排气和自动关闭功能有时候会失效，当管道里空气积蓄过量时会产生气阻，影响流量，有甚者可能会引起管道破裂，而传统人工现场排查方式往往不能保证及时性，故单纯通过传统现场排查排气阀功能是否正常，从而进行必要检修，可能会导致污水外溢，严重影响农田等生态环境，因此有必要实施远程监测手段实现污水阀状态的实时监测。
由于污水管道覆盖到偏远地区，基于有线缆的数据监测手段无法普遍适用。基于GPRS数据传输方式的无线数据监测技术存在着无法全覆盖、耗电量较大、流量费用较高等缺陷，因此本发明提出了一种基于NB-IoT技术的排气阀远程监测电路。基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。
发明内容
本发明由NB-IoT通信电路、双路模拟信号调理电路、工业微处理器电路、太阳能供电电路、压力变送器、流量传感器组成。
本发明所述的NB-IoT通信电路由NB-IoT模块U1、SIM卡座U2、SMA天线J1、三极管Q1、电容C1、发光二极管D1组成。NB-IoT模块U1的第45、46引脚接VCC，NB-IoT模块U1的第2、43、47、48、51、52、54、59、60、61、62、63、64、65、66、71、72、73、74、81、82、83、92、93、94引脚接GND，NB-IoT模块U1的第53引脚接SMA天线J1，SMA天线J1的另一端接GND。NB-IoT模块U1的第38、39、40、41、42引脚分别接SIM卡座U2的第6、5、4、3、2、1引脚，SIM卡座U2的第1引脚与电容C1一端相连，电容C1的另一端连接SIM卡座U2的第6引脚。NB-IoT模块U1的第18引脚接发光二极管D1的阳极，发光二极管D1的阴极接地。NB-IoT模块U1的第29、30、34引脚分别接R7F0C806处理器U4的第11、12、13引脚相连。NB-IoT模块U1的第15引脚连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接GND，三极管Q1的基极接R7F0C806处理器U4的第5引脚。
本发明所述的双路模拟信号调理电路由双路运放芯片U3、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9，电容C2、C3，稳压二极管D2、D3组成。双路模拟信号调理电路用于接压力变送器和流量传感器。压力变送器的一端接电阻R1、电容C2、电阻R2的一端，压力变送器的另一端接电阻R1和电容C2的另一端、以及电阻R3的一端，电阻R2、R3的另一端分别接双路运放芯片U3的第3、2引脚，双路运放芯片U3的第1引脚接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接电阻R4的一端、稳压二极管D2的阴极、R7F0C806处理器U4的第15引脚，电阻R4的另一端接双路运放芯片U3的第2引脚，稳压二极管D2的阳极接地。流量传感器的一端接电容C3、电阻R6的一端，流量传感器的另一端接电容C3的另一端和电阻R7的一端，电阻R6、R7的另一端分别接双路运放芯片U3的第5、6引脚，双路运放芯片U3的第7引脚接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接电阻R8的一端、稳压二极管D3的阴极、R7F0C806处理器U4的第14引脚，电阻R8的另一端接双路运放芯片U3的第6引脚，稳压二极管D3的阳极接地。双路运放芯片U3的第8引脚接VCC，第4引脚接GND。
本发明所述的工业微处理器电路由R7F0C806处理器U4、电容C4、电阻R10、模拟接口J2组成。R7F0C806处理器U4的第11、12、13引脚分别连接NB-IoT模块U1的第29、30、34引脚，R7F0C806处理器U4的第5引脚连接三极管Q1的基极，R7F0C806处理器U4的第15、14引脚分别连接稳压二极管D2、D3的阴极。R7F0C806处理器U4的第9引脚接GND。R7F0C806处理器U4的第10引脚接VCC、电容C4的一端，电阻R10的一端，电容C4的另一端接地，电阻R10的另一端接R7F0C806处理器U4的第1引脚。R7F0C806处理器U4的第16、17、18、19引脚分别接模拟接口J2的第4、3、2、1引脚，模拟接口J2的第5、6、7、8引脚接GND。
本发明所述的太阳能供电电路由太阳能电板、蓄电池、MC34063充电芯片U5、电阻R11、R12、R13，电容C5、C6、C7，电感L，二极管D4、D5组成。太阳能电板的正极与二极管D4的阳极连接，太阳能电板的负极与GND相连，二极管D4的阴极与电容C5、电阻R11的一端和MC34063充电芯片U5的第6引脚相连，电容C5的另一端接GND，电阻R11的另一端与MC34063充电芯片U5的第7、8、1引脚相连。MC34063充电芯片U5的第2引脚连接电感L的一端和二极管D5的阴极，二极管D5的阳极接GND，电感L的另一端接电容C7、电阻R12的一端和蓄电池的正极，为VCC输出端。电容C7的另一端接地，电阻R12的另一端接电阻R13的一端和MC34063充电芯片U5的第5引脚，电阻R13的另一端接GND，蓄电池的负极接GND。VCC为直流5V。所述的太阳能电板为输出12V的普通太阳能电板，蓄电池为普通的5V电压蓄电池。
本发明所用的NB-IoT模块U1采用上海移远通信技术有限公司的BC95模块，双路运放芯片U3采用德州仪器的LM358芯片，R7F0C806处理器U4采用瑞萨电子的R7F0C006微控制器，MC34063充电芯片U5采用意法半导体公司MC34063芯片。
本发明提出的基于NB-IoT技术的排气阀远程监测电路采用了工业级处理器和数据通信模块进行设计，可以实现排气阀内压力和流量数据的实时监测，通信覆盖广、硬件成本低、系统耗电省，采用太阳能进行系统供电，还可以外扩温度、重金属、放射性等多种模拟传感器接口，可作为一种综合的智能排气阀配套监测电路，具有较强的实用性与广泛的市场前景。
相比较于背景技术，本发明的有益效果是：
（1）采用了NB_IoT（窄带蜂窝物联网）技术作为无线远程数据的通信方式，具有覆盖广、功耗低和成本低等优点。
（2）采用太阳能供电方式，可长期工作，无需维护。
（3）可采集压力数据和流量数据，还可以扩展多达4路的模拟数据。
附图说明
图1是本发明的硬件结构图。
图2是本发明的NB-IoT通信电路。
图3是本发明的双路模拟信号调理电路。
图4是本发明的工业微处理器电路。
图5是本发明的太阳能供电电路。
图6是本发明的应用示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由NB-IoT通信电路、双路模拟信号调理电路、工业微处理器电路、太阳能供电电路、压力变送器、流量传感器组成。压力变送器为4-20mA输出，流量传感器为0-5V电压输出，连接到双路模拟信号调理电路实现电流/电压转换以及电压变换，双路模拟信号调理电路将输出模拟电压量传输到工业微处理器电路的AD接口进行模数转换，工业微处理器电路经UART接口传输数据至NB-IoT通信电路，最终由NB-IoT通信电路将数据发送到远端服务器。太阳能供电电路为整个系统提供5V电源。
如图2所示，所述的NB-IoT通信电路由NB-IoT模块U1、SIM卡座U2、SMA天线J1、三极管Q1、电容C1、发光二极管D1组成。NB-IoT模块U1的第45、46引脚接VCC，NB-IoT模块U1的第2、43、47、48、51、52、54、59、60、61、62、63、64、65、66、71、72、73、74、81、82、83、92、93、94引脚接GND，NB-IoT模块U1的第53引脚接SMA天线J1，SMA天线J1的另一端接GND。NB-IoT模块U1的第38、39、40、41、42引脚分别接SIM卡座U2的第6、5、4、3、2、1引脚，SIM卡座U2的第1引脚与电容C1一端相连，电容C1的另一端连接SIM卡座U2的第6引脚。NB-IoT模块U1的第18引脚接发光二极管D1的阳极，发光二极管D1的阴极接地，发光二极管D1用以指示连接状态。NB-IoT模块U1的第29、30、34引脚分别接R7F0C806处理器U4的第11、12、13引脚相连，用于进行UART接口数据传输。NB-IoT模块U1的第15引脚连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接GND，三极管Q1的基极接R7F0C806处理U4的第5引脚，用以控制NB-IoT模块复位操作。NB-IoT模块U1采用上海移远通信技术有限公司的BC95模块，NB-IoT是物联网（IoT）领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT设备电池寿命可以提高至10年，同时还能提供非常全面的蜂窝数据覆盖，因此具有广泛的应用前景。本发明通过NB-IoT通信电路将排气阀的各种状态参数传输到远程服务器，实现实时自动监测。
如图3所示，所述的双路模拟信号调理电路由双路运放芯片U3、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9，电容C2、C3，稳压二极管D2、D3组成。双路模拟信号调理电路用于接压力变送器和流量传感器，所述的压力变送器为输出范围为4-20mA的压力变送器，流量传感器为输出范围为0-5V的流量传感器。压力传感器输出的4-20mA电流在电阻R1上产生电压，然后通过双路运放芯片U3实现电压变换。流量传感器输出的0-5V电压通过双路运放芯片U3实现电压变换。压力变送器的一端接电阻R1、电容C2、电阻R2的一端，压力变送器的另一端接电阻R1、电容C2的另一端和电阻R3的一端。电阻R2、R3的另一端分别接双路运放芯片U3的第3、2引脚，双路运放芯片U3的第1引脚接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接电阻R4的一端、稳压二极管D2的阴极、R7F0C806处理器U4的第15引脚，电阻R4的另一端接双路运放芯片U3的第2引脚，稳压二极管D2的阳极接地。流量传感器的一端接电容C3、电阻R6的一端，流量传感器的另一端接电容C3的另一端和电阻R7的一端。电阻R6、R7的另一端分别接双路运放芯片U3的第5、6引脚，双路运放芯片U3的第7引脚接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接电阻R8的一端、稳压二极管D3的阴极、R7F0C806处理器U4的第14引脚，电阻R8的另一端接双路运放芯片U3的第6引脚，稳压二极管D3的阳极接地。双路运放芯片U3的第8引脚接VCC，第4引脚接GND。双路运放芯片U3采用德州仪器的LM358芯片，进行模拟信号缓冲与变换，双路运放芯片U3第1、7引脚输出的电压输入到R7F0C806处理器U4的AD接口进行数据采集。稳压二极管D2和稳压二极管D3用于保护R7F0C806处理器U4，以使接口电压不至于超过端口电压限制。
如图4所示，所述的工业微处理器电路由R7F0C806处理器U4、电容C4、电阻R10、模拟接口J2组成。R7F0C806处理器U4的第11、12、13引脚分别连接NB-IoT模块U1的第29、30、34引脚，与NB-IoT模块之间实现UART数据传输，R7F0C806处理器U4的第5引脚连接三极管Q1的基极，用于控制NB-IoT模块U1复位，R7F0C806处理器的第15、14引脚分别连接稳压二极管D2、D3的阴极。R7F0C806处理器U4的第9引脚接GND，第10引脚接VCC、电容C4和电阻R10的一端，电容C4的另一端接地，电阻R10的另一端接R7F0C806处理器U4的第1引脚。R7F0C806处理器U4的第16、17、18、19引脚分别接模拟接口J2的第4、3、2、1引脚，模拟接口J2的第5、6、7、8引脚接GND。模拟接口J2可接外部4路模拟量数据，可用于扩展温度数据等传感器。R7F0C806处理器U4采用瑞萨电子的R7F0C006微控制器，瑞萨电子R7F0C006微控制器采用了RL78 内核，在同类产品中实现了以最低功耗实现高处理性能，同时集成了一个智能的LCD控制器/驱动器。R7F0C006拥有高精度(±1%)片上振荡器、24 MHz工作频率的CPU，以及其他增强外围设备，适合用于家用电器、医疗保健设备及其他消费类电子。
如图5所示，所述的太阳能供电电路由太阳能电板、蓄电池、MC34063充电芯片U5、电阻R11、R12、R13，电容C5、C6、C7，电感L，二极管D4、D5组成。太阳能电板的正极与二极管D4的阳极连接，太阳能电板的负极与GND相连，二极管D4的阴极与电容C5、电阻R11的一端和MC34063充电芯片U5的第6引脚相连，电容C5的另一端接GND，电阻R11的另一端与MC34063充电芯片U5的第7、8、1引脚相连。MC34063充电芯片U5的第2引脚连接电感L的一端和二极管D5的阴极，二极管D5的阳极接GND，电感L的另一端接电容C7的一端、电阻R12的一端和蓄电池的正极，为VCC输出端。电容C7的另一端接地，电阻R12的另一端接电阻R13的一端和MC34063充电芯片U5的第5引脚，电阻R13的另一端接GND，蓄电池的负极接GND。VCC为直流5V。太阳能供电电路可用于给整个系统供电，所述的太阳能电板为输出12V的普通太阳能电板，蓄电池为普通的5V电压蓄电池。MC34063充电芯片U5采用意法半导体公司MC34063芯片。
本发明的应用示意图如图6所示，流量传感器和压力变送器探头置于排气阀内部，流量传感器和压力变送器连接到本发明所述的基于NB-IoT技术的排气阀远程监测电路，负责将传感器检测到的数据传输到排气阀远程监测电路，同时与太阳能板连接，由太阳能板提供工作电源。
基于NB-IoT技术的排气阀远程监测电路采用了NB_IoT技术作为数据远程无线通信方式，具有覆盖广、功耗低和成本低等优点，电路不仅可采集压力阀中的压力数据和流量数据，还可以扩展多达4路的其他模拟传感器，可以增加污水重金属、放射性等参数监测功能，具有广泛的适用性。系统采用太阳能供电方式，可以长期工作，维护简单方便。

Claims (1)

1.基于NB-IoT技术的排气阀远程监测电路，由NB-IoT通信电路、双路模拟信号调理电路、工业微处理器电路、太阳能供电电路、压力变送器、流量传感器组成，压力变送器为4-20mA输出，流量传感器为0-5V电压输出，压力变送器和流量传感器连接到双路模拟信号调理电路实现电流/电压转换以及电压变换，双路模拟信号调理电路将输出模拟电压量传输到工业微处理器电路的AD接口进行模数转换，工业微处理器电路经UART接口传输数据至NB-IoT通信电路，最终由NB-IoT通信电路将数据发送到远端服务器，太阳能供电电路为整个系统提供5V电源，其特征在于：
所述的NB-IoT通信电路由NB-IoT模块U1、SIM卡座U2、SMA天线J1、三极管Q1、电容C1、发光二极管D1组成；NB-IoT模块U1的第45、46引脚接VCC，NB-IoT模块U1的第2、43、47、48、51、52、54、59、60、61、62、63、64、65、66、71、72、73、74、81、82、83、92、93、94引脚接GND，NB-IoT模块U1的第53引脚接SMA天线J1的一端，SMA天线J1的另一端接GND；NB-IoT模块U1的第38、39、40、41、42引脚分别接SIM卡座U2的第6、5、4、3、2、1引脚，SIM卡座U2的第1引脚与电容C1一端相连，电容C1的另一端连接SIM卡座U2的第6引脚；NB-IoT模块U1的第18引脚接发光二极管D1的阳极，发光二极管D1的阴极接地；NB-IoT模块U1的第29、30、34引脚分别接R7F0C806处理器U4的第11、12、13引脚相连；NB-IoT模块U1的第15引脚连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接GND，三极管Q1的基极接R7F0C806处理器U4的第5引脚；
所述的双路模拟信号调理电路由双路运放芯片U3、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9，电容C2、C3，稳压二极管D2、D3组成；双路模拟信号调理电路用于接压力变送器和流量传感器；压力变送器的一端接电阻R1、电容C2、电阻R2的一端，压力变送器的另一端接电阻R1和电容C2的另一端、以及电阻R3的一端，电阻R2、R3的另一端分别接双路运放芯片U3的第3、2引脚，双路运放芯片U3的第1引脚接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接电阻R4的一端、稳压二极管D2的阴极、R7F0C806处理器U4的第15引脚，电阻R4的另一端接双路运放芯片U3的第2引脚，稳压二极管D2的阳极接地；流量传感器的一端接电容C3、电阻R6的一端，流量传感器的另一端接电容C3的另一端和电阻R7的一端，电阻R6、R7的另一端分别接双路运放芯片U3的第5、6引脚，双路运放芯片U3的第7引脚接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接电阻R8的一端、稳压二极管D3的阴极、R7F0C806处理器U4的第14引脚，电阻R8的另一端接双路运放芯片U3的第6引脚，稳压二极管D3的阳极接地；双路运放芯片U3的第8引脚接VCC，第4引脚接GND；
所述的工业微处理器电路由R7F0C806处理器U4、电容C4、电阻R10、模拟接口J2组成；R7F0C806处理器U4的第11、12、13引脚分别连接NB-IoT模块U1的第29、30、34引脚，R7F0C806处理器U4的第5引脚连接三极管Q1的基极，R7F0C806处理器U4的第15、14引脚分别连接稳压二极管D2、D3的阴极；R7F0C806处理器U4的第9引脚接GND；R7F0C806处理器U4的第10引脚接VCC、电容C4的一端，电阻R10的一端，电容C4的另一端接地，电阻R10的另一端接R7F0C806处理器U4的第1引脚；R7F0C806处理器U4的第16、17、18、19引脚分别接模拟接口J2的第4、3、2、1引脚，模拟接口J2的第5、6、7、8引脚接GND；
所述的太阳能供电电路由太阳能电板、蓄电池、MC34063充电芯片U5、电阻R11、R12、R13，电容C5、C6、C7，电感L，二极管D4、D5组成；太阳能电板的正极与二极管D4的阳极连接，太阳能电板的负极与GND相连，二极管D4的阴极与电容C5、电阻R11的一端和MC34063充电芯片U5的第6引脚相连，电容C5的另一端接GND，电阻R11的另一端与MC34063充电芯片U5的第7、8、1引脚相连；MC34063充电芯片U5的第2引脚连接电感L的一端和二极管D5的阴极，二极管D5的阳极接GND，电感L的另一端接电容C7、电阻R12的一端和蓄电池的正极，为VCC输出端；电容C7的另一端接地，电阻R12的另一端接电阻R13的一端和MC34063充电芯片U5的第5引脚，电阻R13的另一端接GND，蓄电池的负极接GND；VCC为直流5V；所述的太阳能电板为输出12V的太阳能电板，蓄电池为5V电压蓄电池；
所述的NB-IoT模块U1采用上海移远通信技术有限公司的BC95模块，双路运放芯片U3采用德州仪器的LM358芯片，R7F0C806处理器U4采用瑞萨电子的R7F0C006微控制器，MC34063充电芯片U5采用意法半导体公司MC34063芯片。
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