CN110601968A - 一种小型化对称阵子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化对称阵子天线，整个网关可分为电源模块，主控芯片，传感器接口模块，通信模块，单片机数据预处理模块，显示接口模块，本发明有效解决了传统单一接口类型的数据网关的应用局限，也通过自定义数据帧格式结构的方法，解决了传感器数据多源异构问题，可应用于复杂的物联网环境下。

Description

一种小型化对称阵子天线
技术领域
本发明涉及数据网关设备技术领域，具体为一种小型化对称阵子天线。
背景技术
数据网关是连接各种传感器数据的汇聚点，也是传感器与监控中心平台之间的中间节点设备。在传感器密集的工业监控场景中，为减少通信线路，通常先将传感器数据通过有线或无线方式接到数据网关，然后再经过公网或专网连接到监控中心平台，因此，数据网关也是共享传输线路，提高线路利用率的一种有效设备。
从目前工业界的情况来看，传感器数据的多源异构现象将是未来长期存在的问题。在装备多种不同类型传感器的应用场景，行业标准、数据格式和传输协议都存在差异。而传感器厂家同时会提供适用于该传感器的变送器，大量不同类型的传感器数据通过各自具有单一接口的变送器传给远程监控中心，若采用有线方式，不能共用的传输线缆会增加用户成本，且不便安装检修；若采用无线方式，又会造成多条无线传输线路之间的干扰。
因此，需要一种小型化对称阵子天线，能够兼容不同传输标准、不同数据格式和接口的各种传感器，在数据网关的输出端，彻底屏蔽底层传感器的差异，解决数据采集过程中的多源异构问题，满足复杂环境下的数据采集和传输需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化对称阵子天线，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种小型化对称阵子天线，主体为壳体，壳体内部设置有智能物联网数据网关板，所述智能物联网数据网关板上设置有电源模块、主控芯片、通信模块、单片机数据采集预处理模块、显示接口模块、传感器接口模块，所述智能物联网数据网关板上还设置有工作指示灯、复位按键、USB接口及天线。
优选的，所述电源模块为24V电源，所述电源模块内部设置有24V转4.6V、24V转3.3V、24V转5V的电路，所述电源模块分别为主控板、单片机、USB接口供电。
优选的，所述主控芯片采用基于嵌入式ARM处理器的主板。
优选的，所述通信模块包括有线传输模块及无线传输模块；
所述有线传输模块包括以太网卡芯片、网络控制器及RJ45接头其中一种或多种；
其中，所述以太网卡芯片连接网络控制器和RJ45接口；
所述无线传输模块包括4G模块、NB-IoT模块、LoRa模块、ZigBee模块及WiFi模块；
其中，所述4G模块包括Me909s-821模块以及与之配套的SIM卡电路，所述NB-IoT模块包括NB73模块及其外围电路，所述LoRa模块包括RFM98芯片及其外围电路，所述ZigBee模块包括Z150PA芯片及其外围电路，所述WiFi模块包括AP6212芯片及其外围电路。
优选的，所述单片机数据采集预处理模块采用STM32F103C单片机芯片作为核心，并有TL431稳压芯片外围电路。
优选的，所述显示接口模块为HDMI接口及其外围电路。
优选的，所述传感器接口模块为电流、电压、RS232信号、RS485差分信号输入端及其外围电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明打破了传感器信息孤岛现象，提供多接口接入，提升了物联网数据网管的系统兼容性，能够满足市面上绝大多数的传感器接入要求。本发明能够胜任在复杂环境下的数据监测、遥控等功能，为管理各类设备提供了高效的解决方案，解决了现有技术面对多接口、多类型传感器数据无能为力的困境。
(2)本发明设计一种感性加载的小型化对称阵子天线，能够接入不同传输标准、不同数据格式和接口的传感器，解决数据采集过程中的多源异构问题，彻底屏蔽底层传感器的差异；在数据网关到监控中心平台的传输过程中，同时提供多种有线和无线传输方式，满足复杂环境下的数据采集和传输需求。
(3)针对目前主流的工业传感器普遍采用的有线输入接口，设计了4～20mA电流传感器信号、0～5V电压信号、RS232信号，RS485差分信号的四种接入电路，通过在单片机部分制定统一的通信帧格式结构，解决传感器节点数据的多源异构问题，以应对复杂物联网环境。
(4)针对目前主流的网关与监控中心平台之间的连接方式，设计了包括RJ45网口有线传输方式，4G模块、LoRa模块、NB-IoT模块、ZigBee模块和WiFi模块等无线传输方式，以适应不同场景下的数据回传要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
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。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种小型化对称阵子天线，主体为壳体，壳体内部设置有智能物联网数据网关板，智能物联网数据网关板上设置有电源模块、主控芯片、通信模块、单片机数据采集预处理模块、显示接口模块、传感器接口模块，智能物联网数据网关板上还设置有工作指示灯、复位按键、USB接口及天线，电源模块包括24V供电，系统复位按钮，系统工作指示灯。复位按钮可直接让核心板重启，在遇到网关卡机时，可利用该按钮使系统复位。设计工作指示灯是为了让使用者更直观的观察网关的工作状态而设置。
电源模块为整个智能物联网数据网关板提供工作电压；主控芯片负责与传感器前端和后端云平台进行数据通信，并控制整个数据网关板的各个子模块；通信模块提供有线传输和无线传输方式，主要负责智能物联网数据网关的数据、命令上传下发等功能；单片机数据采集预处理模块负责传感器数据的前级处理，并制定通信帧格式结构；显示接口模块主要用于HDMI显示，用于对网关进行调试；传感器接口模块，主要负责将四类传感器信号接入本网关内部。
一种小型化对称阵子天线的设计与实现，首先根据市场上需求，设计本网关的接口类型，包括在仪器仪表中最常见的4～20mA模拟电流信号，电压传感器信号、RS232信号、RS485差分信号作为信号输入端。选取STM32单片机作为数据采集的核心，搭载Linux操作系统的嵌入式ARM处理器为核心板，整个数据网关由这两部分组成。解决传统数据网关的接口单一、数据多源异构问题。
其中，传感器接口模块，针对可能出现的微小信号，对电压、电流信号设计相应的运放电路，放大倍数可根据运放电路中的电阻进行调整，提升系统兼容性。运放部分采用LM358运算放大器，根据其自身特性，可实现两路信号的放大。电流、电压传感器信号经过前级电路预处理后，交给STM32单片机进行下一级处理。RS232、RS485电路部分负责对RS232、RS485信号进行处理，该部分包括SP3232、SP3485芯片及其外围电路，可实现智能数据网关与该类传感器的通信。
其中，单片机数据预处理模块以STM32作为数据采集的核心，主要负责传感器前端的数据采集、处理、发送至核心板、接收核心板命令、命令下发给传感器前端等功能。该部分外接2.5V电压参考电路，为其内部A/D转换模块提供准确的电压参考值。并在单片机内制定了通信格式，规定了数据帧结构，用不同的数据格式区分各个命令，在每组数据帧尾加入CRC循环冗余校验码，具有自纠错能力，确保通信数据的正确。通信协议的制定方便各传感器接收单片机的命令，包括更改子节点地址、更改传输波特率等，对单片机来说管理传感器前端也更为方便高效。
其中，主控芯片为搭载Linux操作系统的嵌入式ARM处理器，且包含各类传输模块。相较于Windows操作系统，Linux操作系统本身的安全性更高，对于物联网数据网关来说，采用安全等级更高的Linux操作系统更合适。主控芯片具有大小为2GB的RAM，16GB的ROM。
其中，通信模块为针对智能物联网数据网关可能布置的环境，本发明在数据传输环节设置了无线传输和有线传输两种方式以供选择。包括网卡模块、NB-IoT模块、WiFi模块、ZigBee模块、4G模块、LoRa模块。
其中，显示接口为HDMI口，可直接对核心板进行调试维护，方便操作。云平台显示前端传感器网络的实时数据，完成智能物联网数据网关的各项功能。
电源模块包括24V供电，系统复位按钮，系统工作指示灯。复位按钮可直接让核心板重启，在遇到网关卡机时，可利用该按钮使系统复位。设计工作指示灯是为了让使用者更直观的观察网关的工作状态而设置。
进一步地，电压电流传感器接口为4线制，分别为供电、信号+、信号-、地。RS232、RS485传感器电路模块，该部分采用SP3232、SP3485芯片，将该类型的传感器信号接入到系统。RS485电路采用软件控制转换方向的方式，利用匹配电阻增加通信距离，进而完成RS485半双工通信。
进一步地，单片机采用STM32F103C，工作电压为3.3V。主要完成电压电流传感器信号接收、传感器数据预处理、与后端云平台和前端传感器网络通信、制定帧格式结构、接收LoRa信号等工作。TL431为稳压源，其作用是使电路获得更稳定的电压，给单片机内的AD提供稳定的2.5V参考电压，提高AD精度。
进一步地，LoRa部分芯片选取RFM98，其工作电压为3.3V，并配合天线接口，进行数据传输。
优选地，核心板是整个板子的核心，它上面有HDMI显示信号的接口、SPI通信、UART通信、I2C通信、MAC层相应引脚、PHY层相应引脚、WiFi信号引脚等，共204个引脚。控制上网功能、各类通信协议等。
进一步地，4G模块部分电路，包括SIM卡部分。4G模块工作电压为3.3V。
进一步地，网卡部分由三部分组成，即RTL8211E网卡芯片、网络控制器、RJ45接口。
进一步地，NB-IoT模块采用NB73模块，实现数据的无线传输功能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种小型化对称阵子天线，主体为壳体，壳体内部设置有智能物联网数据网关板，其特征在于：所述智能物联网数据网关板上设置有电源模块、主控芯片、通信模块、单片机数据采集预处理模块、显示接口模块、传感器接口模块，所述智能物联网数据网关板上还设置有工作指示灯、复位按键、USB接口及天线。
2.根据权利要求1所述的一种小型化对称阵子天线，其特征在于：所述电源模块为24V电源，所述电源模块内部设置有24V转4.6V、24V转3.3V、24V转5V的电路，所述电源模块分别为主控板、单片机、USB接口供电。
3.根据权利要求1所述的一种小型化对称阵子天线，其特征在于：所述主控芯片采用基于嵌入式ARM处理器的主板。
4.根据权利要求1所述的一种小型化对称阵子天线，其特征在于：所述通信模块包括有线传输模块及无线传输模块；
所述有线传输模块包括以太网卡芯片、网络控制器及RJ45接头其中一种或多种；
其中，所述以太网卡芯片连接网络控制器和RJ45接口；
所述无线传输模块包括4G模块、NB-IoT模块、LoRa模块、ZigBee模块及WiFi模块；
其中，所述4G模块包括Me909s-821模块以及与之配套的SIM卡电路，所述NB-IoT模块包括NB73模块及其外围电路，所述LoRa模块包括RFM98芯片及其外围电路，所述ZigBee模块包括Z150PA芯片及其外围电路，所述WiFi模块包括AP6212芯片及其外围电路。
5.根据权利要求1所述的一种小型化对称阵子天线，其特征在于：所述单片机数据采集预处理模块采用STM32F103C单片机芯片作为核心，并有TL431稳压芯片外围电路。
6.根据权利要求1所述的一种小型化对称阵子天线，其特征在于：所述显示接口模块为HDMI接口及其外围电路。
7.根据权利要求1所述的一种小型化对称阵子天线，其特征在于：所述传感器接口模块为电流、电压、RS232信号、RS485差分信号输入端及其外围电路。
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