CN111351550A - 基于无线通信技术的超声波物位计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线通信技术的超声波物位计，其中，包括：微处理器，传感器通过传感器激励模块、数模转换模块与微处理器通信；微处理器上还连接有低功耗广域网模块、按键输入装置、液晶显示装置。本发明解决了现有技术中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，具有低功耗广域网模块，使得本发明具有低功耗、远距离、易于扩展的优点。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。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波物位计，尤其涉及一种基于无线通信技术的超声波物位计。
背景技术
智能超声波物位计是工业现场常用的一次仪表，是工业控制系统中的一个基本单元，也是整个控制系统得以正常工作的基石。超声波物位计安装于容器上部，在电子单元的控制下，探头向被测物体发射一束超声波脉冲。声波被物体表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到重新接收，其时间与探头至被测物体的距离成正比。电子单元检测该时间，并根据已知的声速计算出被测距离，达到测量物位的目的。由于温度对声速具有较大的影响，所以仪表应测量环境温度，以修正声速。
随着电子技术的不断发展，工业过程控制中对超声波物位计的性能要求日益提高，目前市面上大多数超声波物位计采用有线方式，尤其是智能超声波物位计产品技术成熟，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、FF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，无线超声波物位计可以弥补这个空缺，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。超声波物位计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超声波物位计在工业现场的普及。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。
LoRa及NB-iot技术作为物联网的重要分支，具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特性，可用最少的网络基础设施覆盖城市区域。低功耗广域网技术对比传统调制技术，在抑制同频干扰方面优势比较明显，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗扰和功耗的问题，同时利用免许可频段，真正实现低功耗远距离免费通信。
因此研发基于低功耗广域网技术的智能超声波物位计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超声波物位计，其中，包括：微处理器，传感器通过传感器激励模块、数模转换模块与微处理器通信；微处理器上还连接有低功耗广域网模块、按键输入装置、液晶显示装置。
如上所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其中，所述低功耗广域网模块采用LoRa低功耗广域网模块，所述LoRa低功耗广域网模块包括：通信处理器及射频芯片、外围电路接口和无线收发天线；所述LoRa低功耗广域网模块通过异步串行方式和所述微处理器连接。
如上所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其中，所述低功耗广域网模块采用NB-iot低功耗广域网模块。
如上所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其中，所述微处理器具有存储器采用ATMEGA644P处理器，所述微处理器通过UART串行接口与低功耗广域网模块通信。
如上所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其中，所述模数转换模块通过UART串口与所述微处理器通信。
如上所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其中，还包括电池模块，所述电池模块连接所述微处理器进行供电。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明解决了现有技术中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，具有低功耗广域网模块，使得本发明具有低功耗、远距离、易于扩展的优点。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。
附图说明
图1是本发明基于无线通信技术的超声波物位计的结构框图；
图2是本发明基于无线通信技术的超声波物位计的微处理器的连接示意图。
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超声波物位计的结构框图，请参见图1，一种基于无线通信技术的超声波物位计，其中，包括：微处理器1，传感器2通过传感器激励模块3、数模转换模块与微处理器1通信；微处理器1上还连接有低功耗广域网模块6、按键输入装置5、液晶显示装置。低功耗广域网模块6内嵌多种网络服务协议栈，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。液晶显示装置用于实时显示测量的物位值。液晶显示装置包括液晶驱动电路7、液晶显示板8。
进一步的，低功耗广域网模块6采用LoRa低功耗广域网模块6，LoRa低功耗广域网模块6包括：通信处理器及射频芯片、外围电路接口和无线收发天线；低功耗广域网模块6通过异步串行方式和微处理器1连接。
采用LoRa技术的优点在于：
(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15 Km。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。
具体的，在本发明的实施过程中，可以在智能超声波物位计上设置电子单元仓，传感器2为集成压电、保护膜、吸声材料及温度传感器2的传感器2模块，电子单元仓与传感器2连接。
进一步的，微处理器1及存储器、传感器激励模块3、模数转换单元、低功耗广域网模块6、液晶驱动电路7和电池模块8设置在电子单元仓内。
更进一步的，收发天线设置在电子单元仓的外部，进行无线通信。
进一步的，低功耗广域网模块6采用NB-iot低功耗广域网模块6。
采用NB-iot技术的优点在于：
(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，可将数以千计的超声波物位计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、移动设备物位测量等场景，节省电缆桥架和安装费用，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，具有低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构等优点，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，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；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。
图2是本发明基于无线通信技术的超声波物位计的微处理器的连接示意图，请参见图2，进一步的，微处理器1具有存储器采用ATMEGA644P处理器，微处理器1通过UART串行接口与低功耗广域网模块6通信。ATMEGA644P是8 位的RISC低功耗微处理器1。该处理器将物位信息通过UART串行接口发送至低功耗广域网模块6。
进一步的，模数转换模块通过UART串口与微处理器1通信。模数转换单元最主要的功能是将作用在传感器2上的物位信号转换为数字信号。
传感器2可以采用物位传感器2，其功能是实时采集物位传感器2附近的物位，并将其转换为数字信号，通过UART串行接口与ATMEGA644P处理器进行数据通信。
进一步的，还包括电池模块8，电池模块8连接微处理器1进行供电。
在本发明的具体实施过程中：
通过基于低功耗广域网模块6的智能超声波物位计实现包含低功耗广域网模块6无线传输的一种工业控制网络。工业控制网络包括低功耗广域网模块6 工业无线网络和现有的FCS/DCS工业有线网络，其中FCS/DCS控制系统的工程师站或操作员站，运行与原网络中只有有线设备传输时相同的应用程序。接入到工业无线网络中的低功耗广域网模块6无线通信模块接收到低功耗广域网模块6物联网的消息后，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，然后启动物位采集及转换单元进行相应的执行和处理。处理完成后，采集物位的初始信号，经模数转换单元滤波、放大、转换后送至微处理器1，微处理器1按照低功耗广域网模块6协议的要求对数据进行计算和处理，并封装低功耗广域网模块6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低功耗广域网模块6物联网，一次物位采集结束。
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 (6)
1.一种基于无线通信技术的超声波物位计，其特征在于，包括：微处理器，传感器通过传感器激励模块、数模转换模块与微处理器通信；微处理器上还连接有低功耗广域网模块、按键输入装置、液晶显示装置。
2.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其特征在于，所述低功耗广域网模块采用LoRa低功耗广域网模块，所述LoRa低功耗广域网模块包括：通信处理器及射频芯片、外围电路接口和无线收发天线；所述LoRa低功耗广域网模块通过异步串行方式和所述微处理器连接。
3.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其特征在于，所述低功耗广域网模块采用NB-iot低功耗广域网模块。
4.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其特征在于，所述微处理器具有存储器采用ATMEGA644P处理器，所述微处理器通过UART串行接口与低功耗广域网模块通信。
5.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其特征在于，所述模数转换模块通过UART串口与所述微处理器通信。
6.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的超声波物位计，其特征在于，还包括电池模块，所述电池模块连接所述微处理器进行供电。
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