CN107657801A - 一种基于lora的数据采集传输系统 - Google Patents

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张继峰
苑令华
相龙阳
边茂洲
朱洪睿
李倩
邢振
张朋
王传会
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Abstract

本发明涉及一种基于LORA的数据采集传输系统，包括主控MCU模块和与其相连的电源电路、模拟量采集单元、数字量采集单元；还包括LORA模块、LORA网关和监控中心，主控MCU模块与LORA模块通过SPI通讯，所述LORA模块，用于将所述数据转换为LORA数据后，将所述LORA数据发送至所述LORA网关；所述LORA网关，用于接收所述LORA数据，并将所述LORA数据转换为流量数据后发送至所述监控中心。本发明的有益效果在于：1、该系统中的电源以及数据采集都加了隔离，实现了被测信号与系统的电气隔离，增强了抗干扰能力，可以在复杂的现场环境中运用并能可靠运行；2、该系统将LORA通讯技术应用到煤矿井下，可以通过无线通讯将现场数据更加方便、快捷的传输到监控中心。

Description

一种基于LORA的数据采集传输系统
技术领域
本发明属于计算机数据采集领域，尤其涉及一种基于LORA的数据采集传输系统。
背景技术
目前煤矿井下现场数据的采集传输还是主要靠有线传输，在复杂的环境下，需要布置大量的电缆，信号之间容易产生干扰。且防爆产品由于其应用环境复杂，对设备的稳定运行有更高的要求，数据采集模块没有加上隔离，无法实现采集单元与主回路之间无电气连接，单元出现故障会破坏设备其他单元，可靠性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于LORA的数据采集传输系统，该系统将LORA通讯技术应用到煤矿井下，可以通过无线通讯将现场数据更加方便、快捷的传输到监控中心，可应用于防爆变频器、防爆SVG等产品的数据采集，并可实现无线传输功能。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案是：
一种基于LORA的数据采集传输系统，包括主控MCU模块2和与其相连的电源电路1、模拟量采集单元3、数字量采集单元4，所述电源电路1用于给主控MCU模块2、模拟量采集单元3、数字量采集单元4供电，模拟量采集单元3采集现场传感器的数据经过处理后传送到主控MCU模块2；数字量采集单元4采集现场的数字量数据经过处理后传送给主控MCU模块2；其特征在于：还包括LORA模块5、LORA网关6和监控中心7，主控MCU模块2与LORA模块5相连接的，主控MCU模块2与LORA模块5通过SPI通讯，所述LORA模块5，用于将所述数据转换为LORA数据后，将所述LORA数据发送至所述LORA网关6；所述LORA网关6，用于接收所述LORA数据，并将所述LORA数据转换为流量数据后发送至所述监控中心7；监控中心7用于查看模拟量采集单元3、数字量采集单元4采集的相关数据信息。
所述的电源电路1包括EMI滤波器和与其相连的变压器，所述EMI滤波器包括共模电感，电源电路采用了变压器隔离，使其输出与输入没有直接连接，提高了抗干扰能力，减少了外部电源对该模块的冲击电流，也保证了本模块发生故障时不会影响到其他单元，提高了设备的可靠性。电源电路还采用了具有共模电感的EMI滤波器滤波作用，隔离了本模块与外线间的干扰，提高了本模块的可靠性。
所述的主控MCU模块2包括单片机及其外围电路；或者数字信号处理器DSP及其外围电路；或者现场可编程门阵列FPGA及其外围电路。
所述的模拟量采集单元3包括电压模拟量采集单元、电流模拟量采集单元和/或温度模拟量采集单元。
所述的电流模拟量采集单元包括电压传感器31、信号调理电路34、采样保持器35、A/D转换电路36、微处理器37，所述电压传感器31的输出端与所述信号调理电路34的输入端连接，所述信号调理电路34的输出端与所述采样保持器35的输入端连接，所述采样保持器35的输出端与所述A/D转换电路36连接，所述A/D转换电路36的输出端与微处理器37连接，微处理器37通过外设接口连接至主控MCU模块2，所述微处理器37用于采集A/D转换电路输出的数字信号，所述主控MCU模块2用于接收所述微处理器37输出的数据并进行处理。
所述的电压模拟量采集单元包括电流传感器32、信号调理电路34、采样保持器35、A/D转换电路36、微处理器37，所述电流传感器32的输出端与所述信号调理电路34的输入端连接，所述信号调理电路34的输出端与所述采样保持器35的输入端连接，所述采样保持器35的输出端与所述A/D转换电路36连接，所述A/D转换电路36的输出端与微处理器37连接，微处理器37通过外设接口连接至主控MCU模块2，所述微处理器37用于采集A/D转换电路输出的数字信号，所述主控MCU模块2用于接收所述微处理器37输出的数据并进行处理。
所述的温度模拟量采集单元包括温度传感器33、信号调理电路34、采样保持器35、A/D转换电路36、微处理器37，所述温度传感器33的输出端与所述信号调理电路34的输入端连接，所述信号调理电路34的输出端与所述采样保持器35的输入端连接，所述采样保持器35的输出端与所述A/D转换电路36连接，所述A/D转换电路36的输出端与微处理器37连接，微处理器37通过外设接口连接至主控MCU模块2，所述微处理器37用于采集A/D转换电路输出的数字信号，所述主控MCU模块2用于接收所述微处理器37输出的数据并进行处理。
传感器把待测的非电量转变成数据采集系统能够检测的电信号；从传感器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板，信号调理包括模拟信号的隔离、衰减、放大、滤波功能；因为ADC完成一次转换需要一定的时间，所以利用采样保持器使模拟信号电压在A/D转换期间保持不变：ADC是将模拟信号转换成数字信号，是整个采集系统的核心，也是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一；对于现代数据采集系统，采集量化后的数据速率高而且数量大，微处理无法对数据进行实时处理，因此需对数据进行缓存；微处理器负责管理和控制工作，对采集到的数据进行运算和处理，保持对主控MCU模块2通讯。
所述的信号调理电路34包括过压保护电路、差分滤波器、前置放大电路、线性光耦合器。
所述的数字量采集单元4包括数字量采集通道，用于采集的开关量信号，与数字量采集通道相连的隔离电路，隔离电路与主控MCU模块2的I/O口连接，数字量采集单元4主要功能是将采集到的开关量信号经信号保持电路和隔离电路后，利用主控MCU模块2的I/O口直接采集。
所述的LORA模块5的SPI通讯接口与从主控MCU模块2的SPI通讯接口连接，LORA模块5和主控MCU模块2之间采用SPI通讯传输数据。主控MCU模块2将采集到的现场数据经过处理后传输给LORA模块5，然后LORA模块5通过标准的LORAWAN协议将数据传输到监控中心7。
一种基于LORA的数据采集传输方法，包括以下步骤：
模拟量采集单元3采集现场传感器的数据经过处理后传送到主控MCU模块2；
数字量采集单元4采集现场的数字量数据经过处理后传送给主控MCU模块2；
主控MCU模块2把接收到的数据处理后，通过LORA模块经过标准的LORAWAN协议传输到LORA网关6然后传送给监控中心7，完成数据的采集。
本发明的工作原理：模拟量采集单元采集现场传感器的数据经过处理后传送到主控MCU模块；数字量采集单元采集现场的数字量数据经过处理后传送给主控MCU模块；主控MCU模块把接收到的数据处理后，通过LORA模块经过标准的LORAWAN协议传输到LORA网关然后传送给监控中心，完成数据的采集。
本发明的有益效果在于：1、该系统将变频器运行所需要的电压、电流、温度、数字量采集集成到一个板子上，减少了安装体积；2、该系统中的电源以及数据采集都加了隔离，实现了被测信号与系统的电气隔离，增强了抗干扰能力，可以在复杂的现场环境中运用并能可靠运行；3、该系统可广泛应用在电气等设备中用于采集设备本身电压、电流、温度等运行参数，也可应用检测设备；4、采用LORA扩频技术的超远距离无线传输方案，实现了终端现场数据采集到监控中心的传输。现场采集到的数据经过LORA网关接入到公司或一个区域内的系统中，无线传输，减小了现场布线，降低了传输成本。
附图说明
图1是本发明的系统图；
图2是电源电路的电路图；
图3是电压模拟量采集单元的原理框图；
图4是电压检测电路图；
图5是电流模拟量采集单元的原理框图；
图6是电流检测电路图；
图7是温度模拟量采集单元的原理框图；
图8是温度检测电路图；
图9是数字量采集电路图。
其中，1-电源电路、2-主控MCU模块、3-模拟量采集单元、4-数字量采集单元、5-LORA模块、6-LORA网关、7-监控中心、31-电压传感器、32-电流传感器、33-温度传感器、34-信号调理电路、35-采样保持器、36-A/D转换电路、37-微处理器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
参照图1-9，本具体实施方式所述的一种基于LORA的数据采集传输系统，包括主控MCU模块2和与其相连的电源电路1、模拟量采集单元3、数字量采集单元4，所述电源电路1用于给主控MCU模块2、模拟量采集单元3、数字量采集单元4供电，模拟量采集单元3采集现场传感器的数据经过处理后传送到主控MCU模块2；数字量采集单元4采集现场的数字量数据经过处理后传送给主控MCU模块2；其特征在于：还包括LORA模块5、LORA网关6和监控中心7，主控MCU模块2与LORA模块5相连接的，主控MCU模块2与LORA模块5通过SPI通讯，所述LORA模块5，用于将所述数据转换为LORA数据后，将所述LORA数据发送至所述LORA网关6；所述LORA网关6，用于接收所述LORA数据，并将所述LORA数据转换为流量数据后发送至所述监控中心7；监控中心7用于查看模拟量采集单元3、数字量采集单元4采集的相关数据信息。
所述的电源电路1包括EMI滤波器和与其相连的变压器，所述EMI滤波器包括共模电感，电源电路采用了变压器隔离，使其输出与输入没有直接连接，提高了抗干扰能力，减少了外部电源对该模块的冲击电流，也保证了本模块发生故障时不会影响到其他单元，提高了设备的可靠性。电源电路还采用了具有共模电感的EMI滤波器滤波作用，隔离了本模块与外线间的干扰，提高了本模块的可靠性。
所述的主控MCU模块2包括单片机及其外围电路；或者数字信号处理器DSP及其外围电路；或者现场可编程门阵列FPGA及其外围电路。
所述的模拟量采集单元3包括电压模拟量采集单元、电流模拟量采集单元和/或温度模拟量采集单元。
所述的电流模拟量采集单元包括电压传感器31、信号调理电路34、采样保持器35、A/D转换电路36、微处理器37，所述电压传感器31的输出端与所述信号调理电路34的输入端连接，所述信号调理电路34的输出端与所述采样保持器35的输入端连接，所述采样保持器35的输出端与所述A/D转换电路36连接，所述A/D转换电路36的输出端与微处理器37连接，微处理器37通过外设接口连接至主控MCU模块2，所述微处理器37用于采集A/D转换电路输出的数字信号，所述主控MCU模块2用于接收所述微处理器37输出的数据并进行处理。
所述的电压模拟量采集单元包括电流传感器32、信号调理电路34、采样保持器35、A/D转换电路36、微处理器37，所述电流传感器32的输出端与所述信号调理电路34的输入端连接，所述信号调理电路34的输出端与所述采样保持器35的输入端连接，所述采样保持器35的输出端与所述A/D转换电路36连接，所述A/D转换电路36的输出端与微处理器37连接，微处理器37通过外设接口连接至主控MCU模块2，所述微处理器37用于采集A/D转换电路输出的数字信号，所述主控MCU模块2用于接收所述微处理器37输出的数据并进行处理。
所述的温度模拟量采集单元包括温度传感器33、信号调理电路34、采样保持器35、A/D转换电路36、微处理器37，所述温度传感器33的输出端与所述信号调理电路34的输入端连接，所述信号调理电路34的输出端与所述采样保持器35的输入端连接，所述采样保持器35的输出端与所述A/D转换电路36连接，所述A/D转换电路36的输出端与微处理器37连接，微处理器37通过外设接口连接至主控MCU模块2，所述微处理器37用于采集A/D转换电路输出的数字信号，所述主控MCU模块2用于接收所述微处理器37输出的数据并进行处理。
传感器把待测的非电量转变成数据采集系统能够检测的电信号；从传感器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板，信号调理包括模拟信号的隔离、衰减、放大、滤波功能；因为ADC完成一次转换需要一定的时间，所以利用采样保持器使模拟信号电压在A/D转换期间保持不变：ADC是将模拟信号转换成数字信号，是整个采集系统的核心，也是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一；对于现代数据采集系统，采集量化后的数据速率高而且数量大，微处理无法对数据进行实时处理，因此需对数据进行缓存；微处理器负责管理和控制工作，对采集到的数据进行运算和处理，保持对主控MCU模块2通讯。
所述的信号调理电路34包括过压保护电路、差分滤波器、前置放大电路、线性光耦合器。
所述的数字量采集单元4包括数字量采集通道，用于采集的开关量信号，与数字量采集通道相连的隔离电路，隔离电路与主控MCU模块2的I/O口连接，数字量采集单元4主要功能是将采集到的开关量信号经信号保持电路和隔离电路后，利用主控MCU模块2的I/O口直接采集。
所述的LORA模块5的SPI通讯接口与从主控MCU模块2的SPI通讯接口连接，LORA模块5和主控MCU模块2之间采用SPI通讯传输数据。主控MCU模块2将采集到的现场数据经过处理后传输给LORA模块5，然后LORA模块5通过标准的LORAWAN协议将数据传输到监控中心7。
一种基于LORA的数据采集传输方法，包括以下步骤：
模拟量采集单元3采集现场传感器的数据经过处理后传送到主控MCU模块2；
数字量采集单元4采集现场的数字量数据经过处理后传送给主控MCU模块2；
主控MCU模块2把接收到的数据处理后，通过LORA模块经过标准的LORAWAN协议传输到LORA网关6然后传送给监控中心7，完成数据的采集。
本具体实施方式的工作原理：模拟量采集单元采集现场传感器的数据经过处理后传送到主控MCU模块；数字量采集单元采集现场的数字量数据经过处理后传送给主控MCU模块；主控MCU模块把接收到的数据处理后，通过LORA模块经过标准的LORAWAN协议传输到LORA网关然后传送给监控中心，完成数据的采集。
本具体实施方式的有益效果在于：1、该系统将变频器运行所需要的电压、电流、温度、数字量采集集成到一个板子上，减少了安装体积；2、该系统中的电源以及数据采集都加了隔离，实现了被测信号与系统的电气隔离，增强了抗干扰能力，可以在复杂的现场环境中运用并能可靠运行；3、该系统可广泛应用在电气等设备中用于采集设备本身电压、电流、温度等运行参数，也可应用检测设备；4、采用LORA扩频技术的超远距离无线传输方案，实现了终端现场数据采集到监控中心的传输。现场采集到的数据经过LORA网关接入到公司或一个区域内的系统中，无线传输，减小了现场布线，降低了传输成本。
本发明的具体实施例不构成对本发明的限制，凡是采用本发明的相似结构及变化，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于LORA的数据采集传输系统，包括主控MCU模块（2）和与其相连的电源电路（1）、模拟量采集单元（3）、数字量采集单元（4），所述电源电路（1）用于给主控MCU模块（2）、模拟量采集单元（3）、数字量采集单元（4）供电，模拟量采集单元（3）采集现场传感器的数据经过处理后传送到主控MCU模块（2）；数字量采集单元（4）采集现场的数字量数据经过处理后传送给主控MCU模块（2）；其特征在于：还包括LORA模块（5）、LORA网关（6）和监控中心（7），主控MCU模块（2）与LORA模块（5）相连接的，主控MCU模块（2）与LORA模块（5）通过SPI通讯，所述LORA模块（5），用于将所述数据转换为LORA数据后，将所述LORA数据发送至所述LORA网关（6）；所述LORA网关（6），用于接收所述LORA数据，并将所述LORA数据转换为流量数据后发送至所述监控中心（7）；监控中心（7）用于查看模拟量采集单元（3）、数字量采集单元（4）采集的相关数据信息。
2.如权利要求1所述的一种基于LORA的数据采集传输系统，其特征在于：所述的电源电路（1）包括EMI滤波器和与其相连的变压器，所述EMI滤波器包括共模电感。
3.如权利要求1所述的一种基于LORA的数据采集传输系统，其特征在于：所述的主控MCU模块（2）包括单片机及其外围电路；或者数字信号处理器DSP及其外围电路；或者现场可编程门阵列FPGA及其外围电路。
4.如权利要求1所述的一种基于LORA的数据采集传输系统，其特征在于：所述的模拟量采集单元（3）包括电压模拟量采集单元、电流模拟量采集单元和/或温度模拟量采集单。
5.如权利要求1所述的一种基于LORA的数据采集传输系统，其特征在于：所述的电流模拟量采集单元包括电压传感器（31）、信号调理电路（34）、采样保持器（35）、A/D转换电路（36）、微处理器（37），所述电压传感器（31）的输出端与所述信号调理电路（34）的输入端连接，所述信号调理电路（34）的输出端与所述采样保持器（35）的输入端连接，所述采样保持器（35）的输出端与所述A/D转换电路（36）连接，所述A/D转换电路（36）的输出端与微处理器（37）连接，微处理器（37）通过外设接口连接至主控MCU模块（2），所述微处理器（37）用于采集A/D转换电路输出的数字信号，所述主控MCU模块（2）用于接收所述微处理器（37）输出的数据并进行处理。
6.如权利要求1所述的一种基于LORA的数据采集传输系统，其特征在于：所述的电压模拟量采集单元包括电流传感器（32）、信号调理电路（34）、采样保持器（35）、A/D转换电路（36）、微处理器（37），所述电流传感器（32）的输出端与所述信号调理电路（34）的输入端连接，所述信号调理电路（34）的输出端与所述采样保持器（35）的输入端连接，所述采样保持器（35）的输出端与所述A/D转换电路（36）连接，所述A/D转换电路（36）的输出端与微处理器（37）连接，微处理器（37）通过外设接口连接至主控MCU模块（2），所述微处理器（37）用于采集A/D转换电路输出的数字信号，所述主控MCU模块（2）用于接收所述微处理器（37）输出的数据并进行处理。
7.如权利要求1所述的一种基于LORA的数据采集传输系统，其特征在于：所述的温度模拟量采集单元包括温度传感器（33）、信号调理电路（34）、采样保持器（35）、A/D转换电路（36）、微处理器（37），所述温度传感器（33）的输出端与所述信号调理电路（34）的输入端连接，所述信号调理电路（34）的输出端与所述采样保持器（35）的输入端连接，所述采样保持器（35）的输出端与所述A/D转换电路（36）连接，所述A/D转换电路（36）的输出端与微处理器（37）连接，微处理器（37）通过外设接口连接至主控MCU模块（2），所述微处理器（37）用于采集A/D转换电路输出的数字信号，所述主控MCU模块（2）用于接收所述微处理器（37）输出的数据并进行处理。
8.如权利要求1所述的一种基于LORA的数据采集传输系统，其特征在于：所述的数字量采集单元（4）包括数字量采集通道，用于采集的开关量信号，与数字量采集通道相连的隔离电路，隔离电路与主控MCU模块（2）的I/O口连接。
9.如权利要求1所述的一种基于LORA的数据采集传输系统，其特征在于：所述的LORA模块（5）的SPI通讯接口与从主控MCU模块（2）的SPI通讯接口连接，LORA模块（5）和主控MCU模块（2）之间采用SPI通讯传输数据。
10.一种基于LORA的数据采集传输方法，包括以下步骤：
模拟量采集单元（3）采集现场传感器的数据经过处理后传送到主控MCU模块（2）；
数字量采集单元（4）采集现场的数字量数据经过处理后传送给主控MCU模块（2）；
主控MCU模块（2）把接收到的数据处理后，通过LORA模块经过标准的LORAWAN协议传输到LORA网关（6）然后传送给监控中心（7），完成数据的采集。
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