CN108540956B - 一种物联网数据采集器及其组网方法 - Google Patents

一种物联网数据采集器及其组网方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种物联网数据采集器及其组网方法，所述物联网数据采集器包括CPU模块、采集模块、传感器、数据存储单元、无线通讯模块和电源模块，传感器的输出端与采集模块连接，采集模块的输出端与CPU模块连接，CPU模块的输出端与无线通讯模块连接，CPU模块还与数据存储单元连接；电源模块分别为传感器、采集模块、数据存储单元、CPU模块和无线通讯模块供电；电源模块包括太阳能充电电路、5V升压电路模块、3V稳压电路模块、4V稳压电路模块、10V电源转换模块，5V升压电路模块与采集模块连接，3V稳压电路模块CPU模块连接，4V稳压电路模块与无线通讯模块连接；太阳能充电电路为预留电路。本发明保证了自身续航能力的同时，减小了体积，有利于安装。

Description

一种物联网数据采集器及其组网方法
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，特别涉及一种物联网数据采集器及其组网方法。
背景技术
物联网数据采集器是一款集多数据采集、多通讯方式、大容量存储、实时数据上传以及远程监测管理等功能的智能产品，多应用于水文水资源监测、环保监测，在农业农情监测、畜牧业养殖行业得到了广泛的应用。现有的物联网数据采集器为实现持久续航，多采用太阳能供电，这样大大增大了物联网数据采集器的体积，不利于安装。而如果不采用太阳能供电，采用普通电池供，需要频繁更换电池。如果更换不及时，将导致采集器无法正常工作。
发明内容
本发明提出一种物联网数据采集器及其组网方法，保证物联网数据采集器续航能力的同时，减小其体积，以利于安装；结构简单，通用性强，系统功耗低。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种物联网数据采集器，包括CPU模块、采集模块、传感器、数据存储单元、无线通讯模块和电源模块，所述传感器的输出端与采集模块连接，所述采集模块的输出端与CPU模块连接，所述CPU模块的输出端与无线通讯模块连接，所述CPU模块还与数据存储单元连接；所述电源模块分别为传感器、采集模块、数据存储单元、CPU模块和无线通讯模块供电；所述电源模块包括充电电池、5V升压电路模块、3V稳压电路模块、4V稳压电路模块和10V电源转换模块，所述5V升压电路模块与采集模块连接，所述3V稳压电路模块与CPU模块连接，所述4V稳压电路模块与无线通讯模块连接；所述10V电源转换模块与传感器连接，所述充电电池为5V升压电路模块、3V稳压电路模块、4V稳压电路模块和10V电源转换模块供电。
进一步的技术方案，还包括接口模块，所述接口模块为标准4～20mA模拟接口，所述传感器与接口模块连接，通过接口模块与采集模块连接；所述传感器为压力传感器、电流信号传感器、电压信号传感器、土壤检测传感器、湿度传感器、日照强度传感器、风速传感器、水位传感器和水质传感器中的一种或多种。
进一步的技术方案，所述CPU模块的CPU为STM32F103。
进一步的技术方案，所述无线通讯模块为GPRS无线通信模块、zigbee无线通讯模块、lora无线通讯模块中的一种。
进一步的技术方案，所述采集模块包括放大滤波模块和模数转换模块，所述放大滤波模块输入端与传感器连接，输出端与模数转换模块连接，所述模数转换模块的输出端与CPU模块连接。
进一步的技术方案，所述数据存储模块的存储器采用C25Q64实现。
进一步的技术方案，所述GPRS无线通信模块采用SIM868实现。
进一步的技术方案，所述充电电池为18650锂电池
一种物联网数据采集器的组网方法，包括如下步骤：
步骤S1：在系统初始化时，每个采集器分别测量无线网络信号的强弱，并将数值存储下来，并进行自组网连接；
步骤S2：每个采集器每隔一段时间以广播的方式在广播频道向周围采集器发送含有自身出厂编号的数据，同时接收其它采集器的广播，重复三次；
步骤S3：每个采集器记录其它采集器的出厂编号，并将无线网络信号的强弱数值发送到出厂编号最小的那个采集器上；
步骤S4：由出厂编号最小的采集器判断哪个采集器信号无线网络信号最好，并发送指令将信号最好的采集器作为主站采集器，其余的物联网数据采集器将数据传至给主站采集器，由主站采集器对数据进行打包并上传至服务器。
进一步的技术方案，还包括：
步骤S5：主站采集器没有收到个别采集器的数据时，则由主站发出指令，由其它能收到其信号的采集器先进行一次数据打包，然后接力发给主站采集器。
本发明的有益效果是：本发明采用普通充电电池供电，无需采用太阳能充电板，大大的减小了物联网数据采集器的体积，从而有利于安装；充电电池采用18650锂电池，更换，充电方便同；时本申请的电源模块通过5V升压电路模块、3V稳压电路模块、4V稳压电路模块、10V电源转换模块分别为采集模块、CPU模块、无线通讯模块的传感器供电，同时采用低功耗的CPU STM32F103从而降低整个电路的功耗，本发明续航可达1年之久，无需频繁更换电池；采用标准4～20mA模拟接口，可根据不同试验要求，随意更换各种传感器。本发明结构简单，数据采集精度高，传输数据快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统原理图；
图2为本发明3V稳压电路模块的电路原理图；
图3为本发明10V电源转换模块的电路原理图；
图4为本发明太阳能充电电路的电路原理图；
图5为本发明CPU模块的电路原理图；
图6为本发明数据存储单元的电路原理图；
图7为本发明组网方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出的一种物联网数据采集器，包括CPU模块、采集模块、传感器、数据存储单元、无线通讯模块和电源模块，传感器的输出端与采集模块连接，采集模块的输出端与CPU模块连接，CPU模块的输出端与无线通讯模块连接，CPU模块还与数据存储单元连接；电源模块分别为传感器、采集模块、数据存储单元、CPU模块和无线通讯模块供电。
还设有接口模块，接口模块为标准4～20mA模拟接口，传感器与接口模块连接，通过接口模块与采集模块连接。传感器为压力传感器、电流信号传感器、电压信号传感器、土壤检测传感器、湿度传感器、日照强度传感器、风速传感器、水位传感器和水质传感器中的一种或多种。接口模块的设置，增加了本发明的通用性。
电源模块为整个系统提供多种电源，并提供节电策略，进行节电管理。为提高系统的环境适应能力，系统的电源供应采用有线供电和太阳能供电两种方式。如图2～图4所示，电源模块包括太阳能充电电路、充电电池、5V升压电路模块、3V稳压电路模块、4V稳压电路模块、10V电源转换模块，所述5V升压电路模块与采集模块连接，所述3V稳压电路模块CPU模块连接，所述4V稳压电路模块与无线通讯模块连接。10V电源转换模块与传感器连接，所述充电电池为5V升压电路模块、3V稳压电路模块、4V稳压电路模块和10V电源转换模块供电，充电电池采用18650锂电池。太阳能充电电路为预留电路，其输出端与充电电池连接，可直接连接太阳能电池板，为充电电池供电，太阳能充电电路可设置可不设置，可以理解的是，如果设置该电路，会增大装置体积。电源模块含有升压电路，把3.6V电池电压升到稳定的5V供采集模块使用。4V稳压电路的输出是给SIM868无线通信模块提供4V电源的。由于SIM868无线通信模块在发送数据瞬间电流较大(1～2A)，所以选用了有2A输出能力的SP29302芯片。为了节约用电，4V电压仅仅在需要使用SIM868(GPRS发送数据)时才开启。如图2所示，3V稳压电源是供CPU使用的；为了CPU休眠结束后能正常工作，CPU的3V电源需要一直加在CPU上；只是在休眠状态下，CPU内部没有把3V电源加在某些输出端口上。
本发明采用了超低功耗设计，并由电源管理模块提供节电策略。节电策略原则是：在无需测量时，除了CPU需要加电外，关闭其它电路的供电；测量时，除非是需要测量此功能模块的参数，否则就不供电，并且，测量参数在满足指标要求的情况下，测量时间要尽可能短。
如图5所示，CPU模块的CPU为STM32F103，32位的ARM。它主要完成系统的管理、压力数据的采集、将采集信号与存储模块的特征曲线进行相关运算，获得相关系数，从而判断管道是否出现泄露，并控制电磁阀进行相关动作，同时利用无线模块发送报警信息等功能。
无线通讯模块为GPRS无线通信模块、zigbee无线通讯模块、lora无线通讯模块中的一种。所述GPRS无线通信模块采用SIM868实现。本实施例中，无线通信模块采用SIM868来实现，SIM868是GSM/GPRS+GNSS模块。该模块采用四频GSM/GPRS网络，具有尺寸小，功耗低，功能全的特点。温度范围支持-40℃到85℃，并提供包括USB2.0、SD、GPIO、I2C等在内的丰富的应用接口。SIM868与CPU通过两个串口完成通信。一个完成GPS功能的通信，一个完成无线收发数据的功能。SIM868采用4V供电。SIM868模块中的GPRS天线采用外置小辣椒GPRS天线。
采集模块包括放大滤波模块和模数转换模块，所述放大滤波模块输入端与传感器连接，输出端与模数转换模块连接，所述模数转换模块的输出端与CPU模块连接。采集模块将各种传感器信号滤波后进行数据采集。它的内部设置了具有12位精度的模数转换模块。它工作时首先进行设备的初始化，然后设置定时器，采用DMA方式对压力信号进行传输与存储。这里采集到的信号都是经过放大器与滤波器的处理，采样频率20KHz，这样高的采样率保证了采集到压力信号的完整性。在ADC转换么后，信号通过DMA通道传输到RAM中并进行存储。当采样的个数达到设定要求时，就会停止DMA传输，采样结束。
如图6所示，数据存储模块的存储器采用C25Q64实现，存储模块的功能是存储特征曲线，并将存储一段时间的原始测量数据。存储模块由W25Q64及其外围电路来实现的。它有64MB的存储空间，可以存储多种特征曲线数据并进行存储。其电源是可以关断的，仅仅在要写入数据时才开启，一旦存储结束，马上关断其电源。
本申请还设有USB接口，下载接口、备用IO接口、传感器备用接口、测试孔。
本发明的指标如下：
(1)运行环境温度：-20～70℃。
(2)电压采集范围：0-10V，采集精度：±0.1％。
(3)电流采集范围：4-20mA，采集精度：±0.1％。
(4)RS485接口适用范围：波特率9600-115200。
(5)CAN接口适用范围：传输速率250k-1M。
(6)标准通讯方式：GPRS无线通讯+USB串口通信。
(7)采集间隔：1min～24h。
(8)供电方式：内置充电电池供电/外接太阳能供电。
本发明具有如下优点：
1、具有强大的数据采集能力。
物联网数据采集器可以直接采集模拟类型电流信号传感器、电压信号传感器的信号，可以直接采集目前市面上绝大多数不同信号类型的传感器数据，并且留有RS485和CAN总线数据接口，方便与其它数字类型传感器对接。内置了MODBUS工业现场的总线协议，必要时可扩展接口功能实验与PLC等控制设备的互联互通。与美国Decagon公司生产的EM50相比，所挂载传感器的类型更加多样。不仅可以连接是土壤检测传感器，而且可以实现与多种设备例如气象站数据、水文站数据等互联互通。
物联网数据采集器留有5个测量端口，一次可同时测量5个不同类型的传感器，通过不同传感器的挂接组合，可以同时提供土壤各个要素的多种信息。
2、具有先进的功能扩展及组网能力
物联网数据采集器留有丰富的接口、模块化的设计，能够根据所需灵活扩展功能，如激光测距模块、GPS模块、六轴加速度计模块等。
其通讯也采用模块设计，标准配置采用公网的GPRS实现组网和数据传输，但在需要的情况下可以通过更换不同的通讯模块，实现多种组网方式。物联网数据采集器支持Zigbee、lora等多种模块，能够利用Zigbee模块、lora模块组成本地局域网，由一个公网信号最好的主站进行统一采集，打包上传，实现数据接力，从而节省了数据流量。与东方生态公司生产的“智墒”土壤水分采集系统相比，物联网数据采集器更加适用于山区、戈壁等公网信号覆盖不好的地方。
本发明结构简便，采集器可以通过USB口进行各种参数设置和数据下载。采集器中内置大容量的SD卡，可连续存储一年以上的各种数据，能够可靠保证数据安全。
如图7所示，一种物联网数据采集器的组网方法，包括如下步骤：
步骤S1：在系统初始化时，每个采集器分别测量无线网络(4G)信号的强弱，并将数值存储下来，并进行自组网连接；
步骤S2：每个采集器每隔一段时间以广播的方式在广播频道向周围采集器发送含有自身出厂编号的数据，同时接收其它采集器的广播，重复三次；
步骤S3：每个采集器记录其它采集器的出厂编号，并将无线网络(4G)信号的强弱数值发送到出厂编号最小的那个采集器上；
步骤S4：由出厂编号最小的采集器判断哪个采集器信号无线网络(4G)信号最好，并发送指令将信号最好的采集器作为主站采集器，其余的物联网数据采集器将数据传至给主站采集器，由主站采集器对数据进行打包并上传至服务器。
步骤S5：主站采集器没有收到个别采集器的数据时，则由主站发出指令，由其它能收到其信号的采集器先进行一次数据打包，然后接力发给主站采集器。
本发明的组网方法，有效节省了数据流量，数据准确度高，传输效率高，安全可靠。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种物联网数据采集器的组网方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：在系统初始化时，每个采集器分别测量无线网络信号的强弱，并将数值存储下来，并进行自组网连接；
步骤S2：每个采集器每隔一段时间以广播的方式在广播频道向周围采集器发送含有自身出厂编号的数据，同时接收其它采集器的广播，重复三次；
步骤S3：每个采集器记录其它采集器的出厂编号，并将无线网络信号的强弱数值发送到出厂编号最小的那个采集器上；
步骤S4：由出厂编号最小的采集器判断哪个采集器信号无线网络信号最好，并发送指令将信号最好的采集器作为主站采集器，其余的物联网数据采集器将数据传至给主站采集器，由主站采集器对数据进行打包并上传至服务器。
2.根据权利要求1所述的一种物联网数据采集器的组网方法，其特征在于，还包括：步骤S5：主站采集器没有收到个别采集器的数据时，则由主站发出指令，由其它能收到其信号的采集器先进行一次数据打包，然后接力发给主站采集器。
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