CN108459545A - 基于电池供电和4g通信的物联网传感器组 - Google Patents

基于电池供电和4g通信的物联网传感器组 Download PDF

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Abstract

一种基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，包括有单片机模块、和电池相连的电池及检测模块、4G通讯模块、温湿度传感器模块、烟雾传感模块、红外入侵测量模块、水浸检测模块和门磁检测模块。它经过高速率单片机进行加解密处理，再通过无线数据帧的方式发送出去。空闲时候，系统会关闭所有的外设，进入休眠模式，极大的降低待机电流，延长电池使用寿命。实时监测电池状态，将电压数值发送到后台服务器，以便通知工作人员即时更换旧电池，保障系统的持续运行。

Description

基于电池供电和4G通信的物联网传感器组
技术领域
本发明涉及传感器及无线通讯技术领域，具体涉及一种具有多个传感器、由电池供电、通过4G进行数据传输的装置。
背景技术
当前数字传感器普遍采用有线通讯、外接电源供电的方式，存在布线困难、维护麻烦等缺点。将其测量数据转为4G无线信号进行传输并且使用内置电池供电则可以很好的解决以上问题。其不足在于：1、当前这类转换器普及率还是比较低的，因为技术可靠性和成本都不是很好控制；2、这类转换器还有透明传输导致的数据安全性问题；3、通过电池代替有源电源，传感器组的续航问题也需要解决。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，它采用先进的芯片和处理技术来降低系统功耗、提高传输效率和可靠性；通过专用加密算法来保障传输数据安全性。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有单片机模块、和电池相连的电池及检测模块、4G通讯模块、温湿度传感器模块、烟雾传感模块、红外入侵测量模块、水浸检测模块和门磁检测模块；单片机模块的AD采样接口K12与电源及检测模块的测量点接口K21相连；单片机模块的UART2端口K14与4G通讯模块的UART端口K41相连；单片机模块的GPIO端口K15与温湿度传感器模块的输出口K51相连；单片机模块的GPIO及AD采样接口K16和烟雾传感模块的输入输出口K61相连；单片机模块的GPIO端口K17与红外入侵测量模块的输出口K71相连；单片机模块的GPIO端口K18与水浸检测模块的输出口K81相连；单片机模块的GPIO端口K19与门磁检测模块的输出口K91相连。
进一步，所述单片机模块的型号为PIC16LF1947，其工作模式包括有休眠工作模式和唤醒工作模式。
进一步，所述传感器组还包括有设备编号设置模块，单片机模块的GPIO端口K110与设备编号设置模块的输出端K101相连。
进一步，所述温湿度传感器包括有Risym DHT11芯片，其中1号接口为电源正极，接入3.3V电源；2号接口为输出口K51，接入到单片机模块的GPIO端口K15；3号接口为空；4号接口为电源负极，接入GND，1号接口与4号接之间串联有电容C7。
进一步，所述烟雾传感器模块包括有传感器模块U7，1引脚通过电阻R27连接到单片机模块的GPIO接口，1、2引脚为红外发送二极管的正负极；3脚通过电阻R28和R24分压后连接到单片机的AD采样接口，3、4脚为红外接收二极管的正负极。
进一步，所述红外入侵测量模块包括有Risym HC-SR501芯片，1引脚与5V电源连接，1引脚通过电源C11接入GND；2引脚通过R37与3.3V电源连接，2引脚为输出口K71与单片机模块的GPIO端口K17连接，3引脚接入GND。
进一步，所述水浸检测模块包括有NE555芯片，NE555芯片引脚4和引脚8与SS8550三极管的集电极连接，SS8550的三极管的基极与R26连接，SS8550三极管的发射极通过电脑R29与5V电源连接，通过电阻R30与3.3V电源连接；NE555芯片引脚7通过电阻R32与SS8559三极管的集电极连接，引脚7通过电阻R33与引脚2和引脚6连接，引脚6和引脚2与芯片P7的端口1连接，芯片P7的端口2通过电容C14与引脚6和引脚2连接；NE555芯片引脚3与二极管TP13连接，引脚3作为输出端口K81与单片机模块的GPIO端口K18连接；NE555芯片的引脚5通过电容C12与P7端口连接；NE555芯片引脚1分别与GND和P7的端口2连接。
进一步，所述门磁检测模块包括有接口P4和电阻R22，接口P4的1端口通过电阻R22与3.3V电源连接，P4的1端口作为水浸检测模块的输出口K81与单片机模块的GPIO端口K18相连，接口P4的2端口与GND连接。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1、不再需要复杂的布线；
2、数据传输具备4G传输通道，保证了数据的传输可靠性；
3、数据的加密保障了数据的安全可靠；
4、低功耗的设计、可调整的工作占空比，延长了电池的使用寿命；
5、对电池状态有实时检测，为更换电池提供依据。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的电源及检测模块电路示意图；
图3为本发明的温湿度传感器电路示意图；
图4为本发明的烟雾传感器电路示意图；
图5为本发明的红外入侵测量模块电路示意图；
图6为本发明的水浸检测电路示意图；
图7为本发明的门磁检测电路示意图；
图8为单片模块电路示意图。
图中：1.单片机模块；2.电源及检测模块；4.4G通讯模块；5.温湿度传感器模块；6.烟雾传感模块；7.红外入侵测量模块；8.水浸检测模块；9.门磁检测模块；10.设备编号模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
如图1所示，基于电池供电和4G通信折物联网传感器组，包括有单片机模块1、和电池相连的电池及检测模块2、4G通讯模块4、温湿度传感器模块5、烟雾传感模块6、红外入侵测量模块7、水浸检测模块8和门磁检测模块9；单片机模块1的AD采样接口K12与电源及检测模块2的测量点接口K21相连；单片机模块1的UART2端口K14与4G通讯模块4的UART端口K41相连；单片机模块1的GPIO端口K15与温湿度传感器模块5的输出口K51相连；单片机模块1的GPIO及AD采样接口K16和烟雾传感模块6的输入输出口K61相连；单片机模块1的GPIO端口K17与红外入侵测量模块7的输出口K71相连；单片机模块1的GPIO端口K18与水浸检测模块8的输出口K81相连；单片机模块1的GPIO端口K19与门磁检测模块9的输出口K91相连。应用于电脑机房等监控环境，检测环境的温湿度、烟雾、人员入侵、漏水以及房门入侵。通过对环境温湿度的监测，来监控空调是否正常运行，对过高、过低的温湿度进行报警；通过对烟雾的监测，来监控环境是否发生火灾；通过检测红外人员入侵和房门入侵，来得到安防信息；通过漏水检测，来判断空调是否有漏水的问题。
工作时，电池经过电源及检测模块2给单片机模块1、4G通讯模块4、温湿度传感器模块5、烟雾传感模块6、红外感应模块7、水浸检测模块8、门磁检测模块9、设备编号设置模块10供电。单片机模块1待机时关闭以上所有模块的供电，并且自身进入休眠模式以降低功耗；定时唤醒单片机后，单片机开启其它模块的供电，开始检测各个传感器模块的数值，通过4G通讯模块4进行数据传输。数据传输完成后，单片机模块1关闭其余模块的供电，并进入休眠。本发明保证了信号传输的可靠性；空闲时候，系统会关闭所有的外设，进入休眠模式，极大的降低待机电流，延长电池使用寿命。实时监测电池状态，将电压数值发送到后台服务器，以便通知工作人员即时更换旧电池，保障系统的持续运行。
所述单片机模块的型号为PIC16LF1947，其工作模式包括有休眠工作模式和唤醒工作模式。单片机定时唤醒，定时时间长度可根据实际情况设置，唤醒后检测各项传感器数据，如果满足预设的报警条件，则实时发送传感器数据；如果没有达到报警条件，则间隔一定时长发送一次传感器数据。检测完成后再次进入休眠，等待下次唤醒。
传感器组还包括有设备编号设置模块，单片机模块的GPIO端口K110与设备编号设置模块的输出端K101相连。设备编号设置模块用作设置设备的编号。
如图二所示，电源及检测模块由电源芯片及一系列电阻电容元件组成。工作时，电池电压经过电源芯片降压到5V和3.3V，给单片机等模块供电。同时，电池电压经过R31和R36分压后接入单片机AD采样引脚进行电压检测。
如图三所示，温湿度测量模块5有四个接口。其中1号接口为电源正极，接入3.3V电源；2号接口为通讯数据接口，接入到单片机模块1的GPIO口；3号接口为空；4号接口为电源负极，接入GND。工作时，单片机模块1通过特定时序由2号接口对温湿度测量模块5发送指令，温湿度测量模块5将测量到的温湿度数据通过特定格式由2号接口传输回单片机，完成整个测量和传输过程。
如图四所示，烟雾传感模块6由传感器模块和一系列电阻电容元件组成。其中传感器模块U7的1、2引脚为红外发送二极管的正负极，3、4脚为红外接收二极管的正负极。1脚连接到单片机的GPIO口，3脚通过电阻分压后连接到单片机的AD采样接口。红外发送二极管和接收二极管安装时呈一定角度，令发射的红外线不能直接到达接收端。工作时，单片机通过引脚对红外发送二极管供电，二极管发射红外线。有烟雾颗粒存在时，颗粒会散射红外线，使本来不能接收到红外线的接收二极管能够接收到一定量的红外线。当接收二极管受到红外线照射时，其将在R28和R24上产生电压，此电压被单片机AD采样模块转为数字信号，即可判断是否有烟雾存在。
如图五所示，红外入侵测量模块7有三个接口。其中1号接口为电源正极，接入5V电源；2号接口为信号输出接口，接入到单片机模块1的GPIO口；3号接口为电源负极，接入GND。工作时，红外入侵测量模块7持续工作，将测量到的结果通过特定电平信号由2号接口输出。当该接口为低电平时，表示没有检测到人体；当该接口为高电平时，表示检测到了人体。
如图六所示，水浸测量模块8由NE555芯片和一系列电阻电容组成。该电路构成一个无稳态振荡电路，其振荡频率由R32、R33、C14及其并联的感应电容决定。NE555的输出口接入单片机模块1的GPIO口。工作时，单片机统计单位时间内接收到的脉冲数量。当接口P7引出的两根导线没有接触到水时，P7型号为KF128-5.08-2P，C14及其并联的感应电容是一个定值，此时单位时间内的脉冲数量是一定的；当接口P7引出的导线接触到水，导致其感应电容发生变化，影响到振荡电路的振荡频率，进而导致单位时间内的脉冲数量发生变化。单片机检测到这个变化，即可判断有水浸。
如图七所示，门磁检测模块9由接口P4和上拉电阻R22组成。当门磁开关断开时，单片机检测到高电平；当门磁开关闭合时，单片机检测到低电平。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，所述传感器组包括有单片机模块、和电池相连的电池及检测模块、4G通讯模块、温湿度传感器模块、烟雾传感模块、红外入侵测量模块、水浸检测模块和门磁检测模块；单片机模块的AD采样接口K12与电源及检测模块的测量点接口K21相连；单片机模块的UART2端口K14与4G通讯模块的UART端口K41相连；单片机模块的GPIO端口K15与温湿度传感器模块的输出口K51相连；单片机模块的GPIO及AD采样接口K16和烟雾传感模块的输入输出口K61相连；单片机模块的GPIO端口K17与红外入侵测量模块的输出口K71相连；单片机模块的GPIO端口K18与水浸检测模块的输出口K81相连；单片机模块的GPIO端口K19与门磁检测模块的输出口K91相连。
2.如权利要求1所述的基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，其特征在于：所述单片机模块的型号为PIC16LF1947，其工作模式包括有休眠工作模式和唤醒工作模式。
3.如权利要求1所述的基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，其特征在于：所述传感器组还包括有设备编号设置模块，单片机模块的GPIO端口K110与设备编号设置模块的输出端K101相连。
4.如权利要求1所述的基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，其特征在于：所述温湿度传感器包括有Risym DHT11芯片，其中1号接口为电源正极，接入3.3V电源；2号接口为输出口K51，接入到单片机模块的GPIO端口K15；3号接口为空；4号接口为电源负极，接入GND，1号接口与4号接之间串联有电容C7。
5.如权利要求1所述的基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，其特征在于：所述烟雾传感器模块包括有传感器模块U7，1引脚通过电阻R27连接到单片机模块的GPIO接口，1、2引脚为红外发送二极管的正负极；3脚通过电阻R28和R24分压后连接到单片机的AD采样接口，3、4脚为红外接收二极管的正负极。
6.如权利要求1所述的基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，其特征在于：所述红外入侵测量模块包括有Risym HC-SR501芯片，1引脚与5V电源连接，1引脚通过电源C11接入GND；2引脚通过R37与3.3V电源连接，2引脚为输出口K71与单片机模块的GPIO端口K17连接，3引脚接入GND。
7.如权利要求1所述的基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，其特征在于：所述水浸检测模块包括有NE555芯片，NE555芯片引脚4和引脚8与SS8550三极管的集电极连接，SS8550的三极管的基极与R26连接，SS8550三极管的发射极通过电脑R29与5V电源连接，通过电阻R30与3.3V电源连接；NE555芯片引脚7通过电阻R32与SS8559三极管的集电极连接，引脚7通过电阻R33与引脚2和引脚6连接，引脚6和引脚2与芯片P7的端口1连接，芯片P7的端口2通过电容C14与引脚6和引脚2连接；NE555芯片引脚3与二极管TP13连接，引脚3作为输出端口K81与单片机模块的GPIO端口K18连接；NE555芯片的引脚5通过电容C12与P7端口连接；NE555芯片引脚1分别与GND和P7的端口2连接。
8.如权利要求1所述的基于电池供电和4G通信的物联网传感器组，其特征在于：所述门磁检测模块包括有接口P4和电阻R22，接口P4的1端口通过电阻R22与3.3V电源连接，P4的1端口作为水浸检测模块的输出口K81与单片机模块的GPIO端口K18相连，接口P4的2端口与GND连接。
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