CN111121995A - 基于无线通信技术的多通道温度变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线通信技术的多通道温度变送器，所述变送器本体上安装有电子单元仓，其中，包括：微处理器连接有：传感器单元，低功耗广域网模块通过协议转换模块与所述微处理器通信，所述低功耗广域网模块包括：通信处理器、射频芯片、外围电路接口、无线收发天线；所述微处理器、所述协议转换模块、所述射频芯片、所述外围电路接口均设置在所述电子单元仓内，所述无线收发天线设置在所述电子单元仓外。本发明采用具有低功耗广域网模块的温度变送器，相较于现有技术，具有低功耗、远距离、易扩展、布置方便的优点。有效降低了组网的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度变送器，尤其涉及一种基于无线通信技术的多通道温度变送器。
背景技术
多通道温度变送器安装于被监测设备附近，取代传统的单点连线、低成本单通道输入变送器和多路转换器的温度测量方法，同时采集8路温度信息，并通过总线将信息传送到上位控制系统中，减少了用户的使用步骤、降低了复杂性、提高了操作效率，同时可简化工厂过程架构，降低工业成本。
随着电子技术的不断发展，工业过程控制中对多通道温度变送器的性能要求日益提高，目前市面上大多数多通道温度变送器采用有线方式，尤其是智能多通道温度变送器产品技术成熟，在保留了传统的4～20mA工业标准电信号的基础上，还具备了如HART、ProfiBus、MODBUS等类型的现场总线通讯方式。但是有线方式不适合在恶劣的现场环境中使用，无线多通道温度变送器可以弥补这个空缺，可以用在布线困难、较危险、腐蚀性较高等有线仪表不便使用的场合，在工业控制领域具有广阔的应用前景。多通道温度变送器作为测控系统中一个常用单元，无线化具有重要意义。
然而，工厂现有系统通信体系完整，改变整体传输协议成本高、开发周期长，且不确定的信号干扰、网络延时等问题制约着无线多通道温度变送器在工业现场的普及。较好的方案是只改变底层设备间的通信协议，上层管理设备保持不变，在重要测点仍使用有线多通道温度变送器保证测量的实时性和准确性；在高腐蚀、高污染等场合中，使用无线多通道温度变送器作为补充测量，使底层参数检测更加充分。
现有工业无线仪器仪表大多采用组成局域网或广域网的方式无线传输信息，但远距离和低功耗只能二选一，且有着丢包多、功耗大、电池寿命短的弊端。
因此，研发基于低功耗广域网技术的多通道温度变送器可最大程度发挥无线传输的优势，能够降低成本，提高生产和维护的安全性，具有重大意义和市场价值。
发明内容
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于无线通信技术的多通道温度变送器，所述变送器本体上安装有电子单元仓，其中，包括：微处理器连接有：传感器单元，低功耗广域网模块通过协议转换模块与所述微处理器通信，所述低功耗广域网模块包括：通信处理器、射频芯片、外围电路接口、无线收发天线；所述微处理器、所述协议转换模块、所述射频芯片、所述外围电路接口均设置在所述电子单元仓内，所述无线收发天线设置在所述电子单元仓外。
如上所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其中，所述微处理器采用MSP430处理器。
如上所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其中，所述传感器单元包括：传感器连接模数转换单元，所述传感器为热电阻或热电偶传感器。
如上所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其中，所述低功耗广域网模块为：LoRa低功耗广域网模块或NB-IoT低功耗广域网模块。
如上所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其中，还包括一电池模块，所述电池模块与所述微处理器、所述低功耗广域网模块、所述协议转换模块连接供电。
如上所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其中，所述微处理器具有存储器。
如上所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其中，所述传感器、所述模数转换单元通过UART串行接口与所述微处理器通信。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明采用具有低功耗广域网模块的温度变送器，相较于现有技术，具有低功耗、远距离、易扩展、布置方便的优点。有效降低了组网的成本。
附图说明
图1是本发明基于无线通信技术的多通道温度变送器打的电路框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
图1是本发明基于无线通信技术的多通道温度变送器打的电路框图，请参见图1，一种基于无线通信技术的多通道温度变送器，变送器本体上安装有电子单元仓，其中，包括：微处理器1连接有：传感器单元，低功耗广域网模块3通过协议转换模块5与微处理器1通信，低功耗广域网模块3包括：通信处理器、射频芯片、外围电路接口、无线收发天线；微处理器1、协议转换模块5、射频芯片、外围电路接口均设置在电子单元仓内，无线收发天线设置在电子单元仓外。
进一步的，微处理器1采用MSP430处理器。MSP430是16位的RISC低功耗微处理器1，具有主动模式和六个软件可选的低功耗操作模式，该处理器将温度信息通过UART串行接口发送至低功耗广域网模块3。
进一步的，传感器单元包括：传感器连接模数转换单元2，传感器为热电阻或热电偶传感器。
具体的，所述热电阻或热电偶传感器及模数转换单元2通过UART串行接口与MSP430处理器进行数据通信，热电阻或热电偶传感器及模数转换单元2 最主要的功能是将作用在传感器上的热电偶/热电阻信号转换为数字信号。
进一步的，低功耗广域网模块3为：LoRa低功耗广域网模块3或NB-IoT 低功耗广域网模块3。
具体的，在本发明的实施过程中，可以是基于LoRa技术的智能多通道温度变送器，该变送器是一个符合LoRa协议的无线收发设备，支持LoRa协议与 MODBUS协议透明传输，同时还包含符合MODBUS协议的数据包。LoRa低功耗广域网模块3通过异步串行方式和所述微处理器1及存储器连接
所述LoRa无线通信模块3是高性能、低功耗的LoRa无线通信模块，模块内嵌丰富的网络服务协议栈，可提供完善的短信和数据传输服务，模块通过UDP 协议与远端的云服务器进行数据通信，可实现测量数据、工作状态、健康状况等信息的定期推送。
接入LoRa网络的智能多通道温度变送器，其传输的报文都包含MODBUS 协议数据帧，即LoRa网络将完整的MODBUS协议报文封装在网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用LoRa协议网络标准。采用LoRa具有以下优点：
(1)低功耗。本发明采用Aloha方法进行通讯，主控制器在正常情况下具有极低的工作电流和微小的休眠状态电流，只在节点有数据要发送的时候向网络同步数据。LoRa无线通信模块在不通讯时处于休眠模式，延长电池的使用寿命。
(2)远距离。LoRa无线通信模块基于线性调频扩频调制，可解调低于20dB 的噪声。在理想条件，即相同的发射功率，天线增益和环境因素条件下，LoRa的通信距离是NB-IoT的4倍，是LTE的42倍。城镇可达2-5km，郊区可达 15Km。降低通信速率换来了高灵敏度和可靠的网络连接，同时提高了网络效率并消除了干扰。
(3)易扩展。LoRa扩频通信技术通信距离远，在较大范围内只使用一个网关即可连接区域内终端，大大降低了组网成本。此外，由于LoRa技术组成星形网络结构，具有安装工序简单、无需提前布线、组网灵活、通讯距离远、抗干扰能力强等优点，可实现多设备间的数据传输和远程维护，当用户需要升级时，经协商和授权后可远程对设备进行固件更新、维护等操作，可节省大量的人力和物力成本。
更进一步的，还可以采用NB-IoT方案，接入NB-IoT网络的智能多通道温度变送器，其传输的报文都包含MODBUS协议数据帧，即NB-IoT网络将完整的MODBUS协议报文封装在网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、 MAC层、网络层采用NB-IoT协议网络标准。
NB-IoT无线通信模块是高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模块，模块内嵌丰富的网络服务协议栈，可提供完善的短信和数据传输服务，模块通过UDP协议与远端的云服务器进行数据通信，可实现测量数据、工作状态、健康状况等信息的定期推送。
采用NB-IoT具有以下优点：
(1)统一的接口标准。无需面对多种总线的软硬件协议处理，使用统一的无线传输协议，可将数以千计的多通道温度变送器集中进行实时采集监测、数据接入、请求应答、系统维护。依靠网络运营商的通信保障能力，可获得持续稳定的数据传输服务。
(2)便捷的现场实施。在不更换DCS控制系统等上层设备传输方式的基础上，特别适用于室外布置、离散布置、距离远、高腐蚀、难布线、移动设备温度测量等场景，节省电缆桥架和安装费用，即使增设新的无线测量点也不会带来预算的压力，企业预期的单个接连模块不超过5美元，更容易扩展和升级。
(3)超强的接入能力。NB-IoT可通过基站直接上传至云端，部署优势明显， NB-IoT的一个扇区能够支持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，可为物联网产品提供广阔的空间平台；在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于覆盖区域的能力提升了100 倍；可实现远程维护，当用户需要升级时，经协商和授权后可远程对设备进行固件更新、维护等操作，可节省大量的人力和物力成本。
进一步的，还包括一电池模块4，电池模块4与微处理器1、低功耗广域网模块3、协议转换模块5连接供电。
进一步的，微处理器1具有存储器。
进一步的，传感器、模数转换单元2通过UART串行接口与微处理器1通信。
具体的，以LoRa网络为例，具体操作过程可以如下：
接入LoRa网络的智能多通道温度变送器，其传输的报文都包含MODBUS 协议数据帧，即LoRa网络将完整的MODBUS协议报文封装在网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用LoRa协议网络标准。
其中LoRa无线网络是利用空气作为无线媒介，LoRa协议栈负责接收来自 LoRa无线网络的非周期报文，并将其递交给LoRa/MODBUS协议透传模块进行下一步的处理，同时返回网络一个接收成功的数据帧；同时负责将 LoRa/MODBUS协议透传模块递交给它的报文作为LoRa的报文无线发送到 LoRa网络中。另外LoRa协议栈还需要定时向LoRa无线网络发送LoRa信标帧告知自己的在网信息和时间校准。
其中LoRa/MODBUS透传协议模块，负责接收MODBUS协议模块送来的 MODBUS数据包，然后利用透明传输机制，将完整的MODBUS协议报文封装在LoRa网络的通信协议应用层的报文部分，而物理层、MAC层、网络层采用 LoRa协议报文格式，封装后送至LoRa协议栈；同时负责接收LoRa协议栈送来的报文，将其中的MODBUS数据包解析出来投递到MODBUS协议模块进行命令处理。
其中，MODBUS协议模块，负责解析LoRa/MODBUS协议透传模块传来的MODBUS数据请求帧，首先判断地址域是否是请求消息的目标服务器地址，如果是，则通过功能码决定要进行何种行动，并查看数据域中执行功能码行为时所需的参数，然后赋给执行参数或温度值模块，使仪表按照功能要求工作；同时负责封装MODBUS数据应答帧，帧格式采用RTU模式，将执行参数或温度值模块的数值放入数据域，将地址域和功能码按请求帧的数值返回，加上循环冗余校验码，送至LoRa/MODBUS协议透传模块进行进一步处理。
具体的，工业控制网络包括LoRa工业无线网络和MODBUS工业有线网络，其中MODBUS控制系统的工程师站或操作员站中运行的是与原网络中只有有线设备传输时相同的MODBUS应用程序。放置在工业无线网络中的MODBUS 接口卡收到工程师站或操作员站送来的MODBUS请求命令帧后，将请求帧按照 LoRa协议格式下发至无线网关，无线网关负责透明传输给相应的无线多通道温度变送器，反之亦然。
当无线多通道温度变送器通过LoRa无线通信模块接收到LoRa网络的消息后，先将报文送至输入缓冲寄存器中，待报文接收完毕后，微处理器1进行数据包解析，然后启动温度采集及转换单元进行相应的执行和处理。处理完成后，采集热电偶/热电阻的初始信号，经模数转换单元2滤波、放大、转换后送至微处理器1，微处理器1按照LoRa协议的要求对数据进行计算和处理，并封装LoRa 数据应答帧，通过UDP协议异步串行方式将数据通过射频芯片和天线发送至无线网关，继而发送到LoRa网络，一次温度采集结束。
以上是LoRa网络的实施例，而将其中的LoRa替换为NB-IoT模块，同样可以依次进行操作。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员可以无需创造性劳动或者通过软件编程就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于无线通信技术的多通道温度变送器，所述变送器本体上安装有电子单元仓，其特征在于，包括：微处理器连接有：传感器单元，低功耗广域网模块通过协议转换模块与所述微处理器通信，所述低功耗广域网模块包括：通信处理器、射频芯片、外围电路接口、无线收发天线；所述微处理器、所述协议转换模块、所述射频芯片、所述外围电路接口均设置在所述电子单元仓内，所述无线收发天线设置在所述电子单元仓外。
2.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其特征在于，所述微处理器采用MSP430处理器。
3.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其特征在于，所述传感器单元包括：传感器连接模数转换单元，所述传感器为热电阻或热电偶传感器。
4.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其特征在于，所述低功耗广域网模块为：LoRa低功耗广域网模块或NB-IoT低功耗广域网模块。
5.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其特征在于，还包括一电池模块，所述电池模块与所述微处理器、所述低功耗广域网模块、所述协议转换模块连接供电。
6.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其特征在于，所述微处理器具有存储器。
7.根据权利要求3所述的基于无线通信技术的多通道温度变送器，其特征在于，所述传感器、所述模数转换单元通过UART串行接口与所述微处理器通信。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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