CN109782659A - 一种基于NB-iot窄带物联网水文监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于NB‑iot窄带物联网水文监测的装置，包括：前端多功能采集电路（1）、MCU处理器系统（2）、智能策略上传处理机制（3）、NB‑iot模组（4）、存储单元（5）；MCU处理器系统（2）读取存储单元（5）上配置的参数选择不同前端采集电路（1），可接多类型的传感器，可用于目前常规使用的水文监测仪器，智能策略上传处理机制（3）为存储在MCU处理器系统（2）上的控制程序，通过智能策略性上传机制（3）选择是否启动NB‑iot模组（4）传输数据，在不工作时低功耗保持休眠状态，只需一节锂电池常规监测频次可使用数年。该装置基于NB‑iot窄带物联网可体现NB‑iot的优势，并将传感器测量数据通过窄带物联网传输至云平台或服务器，便于水文监测大面积铺开。
Description
技术领域
本发明属于水文监测技术领域，主要针对各类传感器的数据采集及传输，例如水位传感器、雨量传感器、流速传感器、PH值传感器、浊度传感器、水质分析仪等数据的采集并远程传输，具体涉及一种基于NB-iot窄带物联网传感器数据的采集及传输的水文监测装置及方法。
背景技术
水文监测是指通过科学方法对自然界水的时空分布、变化规律进行监控、测量、分析以及预警等的一个复杂而全面的系统工程，是一门综合性学科。改革开放前，我国资料收集一般为人工方式，经过近十几年技术飞速发展，数据收集的自动化程度和现代化水平得到了极大提高。总的来说，一些流域和地区的水位和雨量信息已经具备了较高的自动化水平，其中的一些（如长江干流以及其主要支流出口处的所有水位、雨量项目）已经实现了采集、存储和传输的全程自动化。相对而言，在一些相对偏远或者其他类型（水渠、排污口）等水文监测点因为供电或者遥测距离有限而不能实现，更大的一个问题是各类传感器厂家前端输出原始初始信号基本有相应规范，但其数据传输的协议均不一致，导致数据无法统一上传。目前，传统监测测点一般为监测站形式，数据传输采用GPRS为主，因其功耗大必须要采用太阳能补充电量。这样导致整个监测站比较大，特别在偏远地区运输安装不便利，且太阳能板电池目标过大醒目，容易遭破坏及偷盗，维护成本大。目前急需一种装置简单安装便捷，工作调试相对容易的设备，且整体成本相对便宜，功耗低可通过无线网络将采集数据发送至专业平台，从而可大量铺开使用对自然界的水文采样点更密集更精确。
发明内容
本发明目的是提供一种基于NB-iot窄带物联网的水文监测装置，可接多类型的水文传感器，并在常规时间保持低功耗工作，在到达采集传感器参数时唤醒设备，再通过NB-iot窄带物联网发送至平台，完成系列流程再接收平台返回数据并进入休眠，保持低功耗。
基于NB-iot窄带物联网装置可采集前端各类传感器模拟信号，并可设置物理量与前端模拟信号之间的线性关系，NB-iot采集装置向平台直接发送物理量数据，且该NB-iot装置具有远程升级及可以存储配置参数及数据上传策略。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，包括：前端多功能采集电路（1）、MCU处理器系统（2）、智能策略上传处理机制（3）、NB-iot模组（4）、存储单元（5）；其中：
所述前端采集电路（1）上布置兼容多种信号采集电路；
所述智能策略性上传机制（3）为存储在MCU处理器系统（2）上的控制程序；
所述装置根据MCU处理器系统（2）读取存储单元（5）上配置的参数选择不同前端采集电路（1）；
通过MCU处理器系统（2）根据前端传感器电路（1）采集传感器初始信号，并根据存储单元（5）上传感器初始信号与物理量的线性参数，计算传感器测量物理量，并转化成自有协议的数字信号，然后通过智能策略性上传机制（3）选择是否启动NB-iot模组（4）传输数据。
进一步地，所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，所述智能策略上传处理机制（3）包括智能选择判断及智能节能机制，通过MCU处理器系统（2）协同完成。
进一步地，所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，所述智能策略上传处理机制（3）包括：①控制及判定数据是否上传，如变化小未超过阈值则不上传，节省电量；②可与平台远程通信修改上传参数，调整上传策略；③休眠状态下，NB-iot模组（4）进入休眠状态，MCU处理器系统（2）进入低功耗模式，其他外设电路均通三极管控制供电达到节能功效；④存储单元（5）可存储千条以上的数据，包括选择不同前端采集电路（1）配置的参数，可根据配置参数选择不同采集电路。
进一步地，所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，采样前，所述装置通过前端多功能采集电路（1）给前端连接的传感器供电，采样完毕传感器供电切断。
进一步地，所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，所述存储单元（5）可存储一定空间的数据，可以存标定系数以及产品参数以及NB-iot的测量数据。
进一步地，所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，传感器初始信号包括：水位、雨量、流速、PH值、浑浊度。
进一步地，所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，前端采集电路（1）的兼容性，可采集电流、电压、频率信号、或直接硬件接口的数字信号。
进一步地，所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，数字信号接口包含RS485、RS232、uartTTL、CAN总线，并预留其他端口可扩展其他信号。
进一步地，所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，每个所述装置具有全球唯一编号，对出厂产品可随时跟踪售后服务。
进一步地，所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置的工作方法，所述装置一直监测内部时钟，并监测内存采集时间频次设置，如发现到了预设采集频次点则启动装置的工作状态，首先，将传感器上电，保证传感器能正常工作，然后采样传感器输出的模拟信号，MCU处理器系统（2）采集到初始原始信号，并根据初始标定参数计算出物理量及其他参数，MCU处理器系统（2）同时唤醒NB-iot模组（4），NB-iot模组（4）将MCU处理器系统（2）取得的物理量及其他参数直接发送至数据平台，平台上位机按约定协议解析得到传感器的各类参数。
本发明基于NB-iot窄带物联网水文监测装置的特点，包括：
1.前端具有采用多种模拟信号电路，可根据前端传感器不同配置相应电路。
2.具有存储空间，可存储前端传感器的信息，例如：表定标参数，数据采集记录等。
3.数据直接发送至平台，可兼容节点不受限制。
4.休眠电流极低为uA级别，采集传输完毕即刻进入休眠。
5.网关具有省电策略，网关采样前给传感器供电，采样完毕传感器供电切断，并对数据上传具有选择性从而达到节省电量效果。
6.低功耗设计，一节18650锂电池每天上传12条数据可支持2年，一条测量数据可支持5年。
7.具有多通道采集功能，可采集多路前端模拟信号。
8.无线通讯采用NB-iot窄带互联网网络，NB-iot具有覆盖广、海量连接、功耗更小、成本低等优势。
9.NB-iot窄带物联水文监测装置可与平台可双向通信，可配置物位计参数，例如，上传频次、调零设置等。
10. 可调整上传策略，如达到变化阈值即刻将数据上传，不处理则加密上传，达到二级阈值，则进一步密集上传。
本发明的有益效果是：一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的方法和装置，可接多类型的传感器，并在不工作时低功耗保持休眠状态，在工作时间同样保持低功耗，甚至可自行配置其更复杂的上传策略，该装置和方法基于NB-iot窄带物联网可体现NB-iot的优势并将传感器测量数据通过窄带物联网传输至云平台或服务器。可用于目前常规使用的水文监测仪器，操作使用方便，智能度高，网络覆盖率高穿透力也强，低功耗使其使用更便捷，只需一节锂电池常规监测频次可使用数年。解决了水文监测站常规采用太阳能供电，GPRS无线传输，运输安装均是大工程，且目标巨大醒目容易遭破坏，而基于NB-iot的水文监测装置外形小，根据不同情况可采用不同上传策略，使电量更充分利用。便于水文监测大面积铺开，采样点密度更密集更准确。
附图说明
图1是本发明装置的电路结构原理示意图；
图2是本发明MCU处理器系统（2）的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明，以便于本领域技术人员理解本发明。
本发明产品是一种数据采集传输装置，可兼容多种前端传感器，可直接采集传感器数据并上传至平台，平台再根据数据进行展示并分类处理。
一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的方法和装置如图1所示，整个装置分为：
前端多功能采集电路（1），布置兼容多种信号采集电路，主要负责给前端传感器供电并采集其输出信号，常规例如，水位计输出4-20mA电流，可根据采集电流并通过标定的0点及满量程点可计算器水位深度；同样根据传感器类型不一致支持采集电压信号，频率信号，均可以通过标定参数计算对应物理量的变化。
MCU处理器系统（2），将采集数据处理成物理值并控制上电及控制无线发送等功能，MCU处理器系统（2）为工作控制的中枢单元，控制前端多功能采集电路（1）的工作并获取前端传感器的初始信号，并控制前端传感器的供电状态，并与NB-iot模组（4）通讯控制模组的工作状态，是否休眠是否唤醒，并将数据丢包给模组。
智能策略上传处理机制（3），智能策略上传处理机制（3）为存储在MCU处理器系统（2）上的控制程序；MCU处理器系统（2）读取存储单元（5）上配置的参数选择不同前端采集电路（1），通过MCU处理器系统（2）根据前端传感器电路（1）采集传感器初始信号，并根据存储单元（5）上传感器初始信号与物理量的线性参数，计算传感器测量物理量，并转化成自有协议的数字信号，然后通过智能策略性上传机制（3）选择是否启动NB-iot模组（4）传输数据。
NB-iot模组（4），接收MCU处理器系统（2）的数据及通信命令，是否上发数据或接收下行数据，NB-iot模组（4）与基站建立链接，与平台通信，数据交互完毕再进入休眠，在MCU处理器系统（2）的控制下唤醒，并可接受基站下发数据，工作完毕即进入低功耗的休眠状态，再等MCU处理器系统（2）下一个时间点唤醒工作。NB-iot模组（4）具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-iot比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑海量连接的能力，NB-iot一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-iot终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本。
存储单元（5）；具有存储空间，可存储前端传感器的信息，选择不同前端采集电路（1）配置的参数，数据上传参数，表定标参数，数据采集记录等。
和其他外设电路，完成装置常规必要功能的电路，如低功耗电源电路、复位电路、温度传感器、时钟电路等。
其中，MCU处理器系统（2）的工作流程如图2所示：
一直监测内部时钟，并监测内存采集时间频次设置，如发现到了预设采集频次点则启动装置的工作状态，首先，将传感器上电，保证传感器能正常工作，然后采样传感器输出的模拟信号，电流、电压或者频率计数信号。MCU处理器系统（2）控制端采集到初始原始信号并根据初始标定参数计算出物理量及其他参数，MCU处理器系统（2）同时唤醒NB-iot模组（4），NB-iot模组（4）将MCU处理器系统（2）取得的物理量及其他参数直接发送至数据平台，平台上位机按约定协议即可解析得到传感器的各类参数，水位值、流速、PH值、雨量、温度等参数。
该发明装置体积小便于现场安装使用，因其只需要更换电池、且各个装置均是相互独立所以维护简单，且生产成本相对GPRS传输太阳能补充电量方案低廉。
该发明产品在现场使用简易，现场接入传感器即可以，记录网关ID号，在平台可配置其参数，选择前端模拟采集电路的，数据计算模型，警戒报警值，上传策略等。基于NB-iot无线窄带低功耗传输可一节锂电长时间工作，且无线运营资费相对便宜。且数据可直接采用NB-iot窄带物联网直接传输至平台服务器。单节点供电、通信无相互干扰及关联，低功耗长时间工作减少大量的安装调试人力及时间成本，系统的稳定性也大大提高。并在采集方法上其上传策略可以自主多样编辑。
以上实施例仅用于说明本发明的具体实施方式，而不是用于限定本发明，本发明所要求保护的范围以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，其特征在于，包括前端多功能采集电路（1）、MCU处理器系统（2）、智能策略上传处理机制（3）、NB-iot模组（4）、存储单元（5）；其中：
所述前端采集电路（1）上布置兼容多种信号采集电路；
所述智能策略性上传机制（3）为存储在MCU处理器系统（2）上的控制程序；
所述装置根据MCU处理器系统（2）读取存储单元（5）上配置的参数选择不同前端采集电路（1）；
通过MCU处理器系统（2）根据前端传感器电路（1）采集传感器初始信号，并根据存储单元（5）上传感器初始信号与物理量的线性参数，计算传感器测量物理量，并转化成自有协议的数字信号，然后通过智能策略性上传机制（3）选择是否启动NB-iot模组（4）传输数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，其特征在于，所述智能策略上传处理机制（3）包括智能选择判断及智能节能机制，通过MCU处理器系统（2）协同完成。
3.根据权利要求2所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，其特征在于，所述智能策略上传处理机制（3）包括：①控制及判定数据是否上传，如变化小未超过阈值则不上传，节省电量；②可与平台远程通信修改上传参数，调整上传策略；③休眠状态下，NB-iot模组（4）进入休眠状态，MCU处理器系统（2）进入低功耗模式，其他外设电路均通三极管控制供电达到节能功效；④存储单元（5）可存储千条以上的数据，包括选择不同前端采集电路（1）配置的参数，可根据配置参数选择不同采集电路。
4.根据权利要求3所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，其特征在于，采样前，所述装置通过前端多功能采集电路（1）给前端连接的传感器供电，采样完毕传感器供电切断。
5.根据权利要求1所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，其特征在于，所述存储单元（5）可存储一定空间的数据，可以存标定系数以及产品参数以及NB-iot的测量数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，其特征在于，传感器初始信号包括：水位、雨量、流速、PH值、浑浊度。
7.根据权利要求1所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，其特征在于，前端采集电路（1）的兼容性，可采集电流、电压、频率信号、或直接硬件接口的数字信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，其特征在于，数字信号接口包含RS485、RS232、uartTTL、CAN总线，并预留其他端口可扩展其他信号。
9.根据权利要求1所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置，其特征在于，每个所述装置具有全球唯一编号，对出厂产品可随时跟踪售后服务。
10.根据权利要求1~9任一所述的一种基于NB-iot窄带物联网水文监测的装置的工作方法，其特征在于，所述装置一直监测内部时钟，并监测内存采集时间频次设置，如发现到了预设采集频次点则启动装置的工作状态，首先，将传感器上电，保证传感器能正常工作，然后采样传感器输出的模拟信号，MCU处理器系统（2）采集到初始原始信号，并根据初始标定参数计算出物理量及其他参数，MCU处理器系统（2）同时唤醒NB-iot模组（4），NB-iot模组（4）将MCU处理器系统（2）取得的物理量及其他参数直接发送至数据平台，平台上位机按约定协议解析得到传感器的各类参数。
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