CN112201011A - 一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，包括主控板，所述主控板支持与多种传感器数据采集通信；低功耗模块，所述低功耗模块将系统功耗设计在1.5mA以下，可支持野外地质灾害监测中常用到的加速度传感器、拉绳传感器、数字式雨量计及各种功耗适中的485传感器，通过NBIOT的网络传输方式，利用内置电池可稳定工作3年以上，能更大程度的满足地质灾害监测的需求。

Description

一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统

技术领域

本发明涉及地质灾害监测领域，具体为一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统。

背景技术

在地质灾害监测中，我们常用的监测系统是通过外接各种传感器来采集监测点的数据信息，经过MCU处理后经4G网络传输至平台进行显示个监测点状态。这种系统虽然实时性较高，能较好避免监测点数据的漏报，但整个系统功耗很高，在野外安装时必须配备成套的供电系统，如太阳能板+锂电池/蓄电池，这就给每个监测点的安装复杂性和安装成本带来了很大挑战，而且太阳能供电也存在在长期阴雨天后电池完全耗完电的情况出现。

近年来，随着一些低功耗的网络传输方式(如NB-IOT、Lora等)的出现，其在监测系统上的应用也越来越多。这类监测设备功耗更低，尺寸也更小，安装时一般不需要再另外配备供电系统，更容易安装，成本也更低，是野外地质灾害监测的一种非常好的解决方案。但这类监测系统也存在以下不足：

1、系统实时性不高，容易出现数据漏报的情况。为了降低功耗，其各工作模块采用间歇式工作模式，MCU采用休眠模式，在使用时，MCU退出休眠模式，并分别启动各个模块工作，不使用时现关闭各个模块，MCU进入休眠模式。这样MCU不是处于实时工作状态，无法实时监测各传感器的数据。

2、如果要求监测的实时性，则传感器的使用会受限制。由于要追要求低功耗，如果要增加系统的实时性，则MCU必须一直处于正常工作模式，这势必造成较大功耗，这就需要删减其他一些传感器的使用，只能选择一些极低功耗的传感器，使得传感器的选择非常受限，这也使这种监测系统的应用场景比较受限。

3、网络掉线导致数据丢失。当NB-IOT或Lora网络由于野外环境原因导致掉线时，采集的传感器数据则无法通过网络传输至平台，这会造成平台上传感器数据的断层，既不利于平台对监测点数据的综合判断。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，可支持野外地质灾害监测中常用到的加速度传感器、拉绳传感器、数字式雨量计及各种功耗适中的485传感器，通过NBIOT的网络传输方式，利用内置电池可稳定工作3年以上，能更大程度的满足地质灾害监测的需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，包括主机上壳和主机下壳，所述主机上壳、主机下壳之间设置有电池包、主控板，所述主控板上设置有GNSS天线和NBIOT天线，所述主机上壳设置有调试接口和外接传感器接口。

优选的，所述主控板与雨量计传感器、三轴加速度传感器、存储电路、拉绳传感器电路、GNSS模块、485电路、NBIOT电路、调试串口和晶振通信连接。

优选的，所述主控板的MCU采用意法半导体公司的低功耗系列STM32L4系列作为主控制器。

优选的，所述NBIOT电路选用NBIOT模组，用于数据的网络传输，支持移动、联通和电信三大运营商，根据现场NBIOT的网络环境灵活选择运营商，并同时支持可插拔的uSIM卡和贴片的eSIM卡；通过串口与MCU进行通信，并通过MCU控制模块的工作模式，当需要通过NBIOT网络传输数据时控制NBIOT模块在正常工作模式，不需要传输数据时控制NBIOT模块进入PSM模式，以降低系统功耗。

优选的，加速度传感器采用ADI公司的超低功耗的三轴加速度传感器，监测当前环境的X/Y/Z三轴方向运动的加速度值，做监测点的动静态判断，并计算出监测点的倾角大小，通过SPI总线与MCU进行通信，该加速度传感器正常工作时功耗只有uA级，可实时监测山体的动静态及倾斜角度变化。

优选的，所述485电路采用485转换芯片，用于MCU与外接的485传感器的数据通信。

优选的，所述存储电路采用低功耗的NorFlash芯片，通过SPI总线与MCU进行数据通信，用于NBIOT网络掉线时的离线数据存储，以便在NBIOT网络恢复后能将网络离线时的数据进行补发，能避免网络掉线时的数据漏报。

优选的，所述GNSS模块选用低功耗的GNSS模组，通过串口与MCU进行通信，用于系统的定位和校时，定位可用于后续设备位置的找寻，校时可定时更新校准系统时间，避免系统内部实时时钟的运行偏差导致数据上传至平台时间的偏差；所述拉绳传感器电路上做兼容设计，支持电流、电阻及电压型拉绳传感器，通过电阻分压及ADC采样读取传感器电压值，并测量出拉绳拉出长度，可用于山体裂缝形变的监测。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明主控系统可支持野外地质灾害监测中常用到的加速度传感器、拉绳传感器、数字式雨量计及各种功耗适中的485传感器，通过NBIOT的网络传输方式，利用内置电池可稳定工作3年以上，能更大程度的满足地质灾害监测的需求。

2、目前低功耗监测设备存在的实时性不高、使用场景受限和网络掉线导致数据丢失的问题，本发明设计了一种基于NBIOT网络传输的具备多种传感器数据采集的低功耗主控系统，通过支持加速度传感器，拉绳传感器、数字式雨量计，特别是支持各种类型的485传感器，能极大拓宽其的使用场景。且该系统在工作时，其主控MCU不做休眠处理，一直处于工作状态，能增加系统的实时性。内置存储器，当NBIOT网络时也能存储传感器数据，当网络恢复时能将传感器数据补发至平台，保证传感器数据的连续性、完整性。

附图说明

图1是本发明主控板系统框图；

图2是本发明主控板供电框图；

图3是本发明低功耗监测主机示意图。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明设计了一种基于NBIOT网络传输的具备多种传感器数据采集的低功耗主控系统，通过支持加速度传感器，拉绳传感器、数字式雨量计，特别是支持各种类型的485传感器，能极大拓宽其的使用场景。且该系统在工作时，其主控MCU不做休眠处理，一直处于工作状态，能增加系统的实时性。内置存储器，当NBIOT网络时也能存储传感器数据，当网络恢复时能将传感器数据补发至平台，保证传感器数据的连续性、完整性，可支持野外地质灾害监测中常用到的加速度传感器、拉绳传感器、数字式雨量计及各种功耗适中的485传感器，通过NBIOT的网络传输方式，利用内置电池可稳定工作3年以上，能更大程度的满足地质灾害监测的需求。

参照图3所示为本发明一种结构实施例，包括一次性锂亚电池包1，调试接口2，传感器及传感器供电接口3，主控板4，可内置的小型的GNSS天线5和NBIOT天线6，还包括主机上壳7和主机下壳8，使该主控系统有更高的集成度。作为该主控系统的核心-主控板，主要包括电源电路，MCU，NBIOT，GNSS，485模块，存储电路及加速度传感器、裂缝传感器等相关电路。

在本发明中，本发明能同时支持多种传感器数据采集，并能将功耗设计在1.5mA以下，使用一次性电池能正常工作3年以上，其中多种传感器包括拉绳传感器，并能兼容常用的电流型、电压型和电阻型拉绳传感器；多种传感器还包括加速度传感器和数字式雨量传感器；多种传感器还包括各种485协议传感器，且不限于12V供电的485协议传感器，可通过对外接口给外部设备提供多路供电电压；

在本发明中，还包括使用MCU和加速度传感器不做休眠处理，处于一直工作状态，一直监测环境状态，使系统具备高实时性，还包括各模块的供电部分均使用MOS开关进行控制，既可以通过MCU来控制个模块的工作及断电，又可在当模块工作异常时，通过MCU断电重启相关模块，使系统具备异常处理功能。

在本发明中，还包括拉绳传感器、485传感器电路和NBIOT网络模块、存储器电路、GNSS电路处于间歇式工作模式，以降低系统功耗。其中拉绳传感器、485传感器电路、GNSS电路通过控制其电源定时打开和关断来实现间歇式工作模式，NBIOT网络模块和存储器电路通过控制其休眠/唤醒的方式来实现间歇式工作模式，还包括使用加速度传感器数据作为阈值唤醒其他传感器的数据采集和NBIOT网络的数据传输，还包括离线数据存储，当网络掉线时，能将传感器数据进行存储，等网络重新连接时再将传感器数据补发至平台，保证数据的完整性，数据存储器不限于NorFlash，还包括网络模块用到的SIM卡，能同时兼容可插拔的uSIM卡和贴片的eSIM卡，还包括NBIOT和GNSS天线均小型化，能方便集成于主机/设备里，还包括该主机集成度高、部件少、组装简单、组装工时少、方便生产，内部电池组仅通过结构件上的卡扣就能固定，不需要如电池压板等复杂的固定方式，还包括该主机能通过外部调试接口直接对整机进行调试、固件升级、系统重新上下电等操作，无需拆机进行。

具体方案如下：

主控板系统框图如图1所示：

主控板的MCU则采用意法半导体公司的低功耗系列STM32L4系列作为主控制器，Cortex-M4内核，接口资源丰富(UART/SPI/IIC/ADC等)满足系统要求，为了保证系统的实时性，需要使MCU处于一直工作状态，但这样则会增加整个系统的功耗，在设计时通过采样降低MCU供电电压和MCU的工作频率等方法，达到兼顾功耗和系统实时性的要求。

NBIOT电路则选用NBIOT模组，用于数据的网络传输，支持移动、联通和电信三大运营商，可根据现场NBIOT的网络环境灵活选择运营商，并同时支持可插拔的uSIM卡和贴片的eSIM卡。通过串口与MCU进行通信，并可通过MCU控制模块的工作模式，当需要通过NBIOT网络传输数据时可控制NBIOT模块在正常工作模式，不需要传输数据时可控制NBIOT模块进入PSM模式，以降低系统功耗。

加速度传感器采用ADI公司的超低功耗的三轴加速度传感器，监测当前环境的X/Y/Z三轴方向运动的加速度值，做监测点的动静态判断，并计算出监测点的倾角大小，通过SPI总线与MCU进行通信，该加速度传感器正常工作时功耗只有uA级，可实时监测山体的动静态及倾斜角度变化。

485电路采用485转换芯片，用于MCU与外接的485传感器的数据通信。由于485电路及外接的传感器功耗较大，为了降低功耗，系统对485传感器数据采用定时读取的方式，并测试优化出每次读取的时间，同时为了保证主机的实时性，MCU通过加速度传感器实时监测被监测点动静态状态和倾斜角度大小变化，并以此作为阈值，唤醒485模块进行工作，并将传感器数据通过网络模块加报至平台。平时485模块不工作时则把该模块相关电路做断电处理。

存储电路采用低功耗的NorFlash芯片，通过SPI总线与MCU进行数据通信，用于NBIOT网络掉线时的离线数据存储，以便在NBIOT网络恢复后能将网络离线时的数据进行补发，能避免网络掉线时的数据漏报。为了降低存储电路的功耗，仅在网络掉线时才唤醒NorFlash芯片,正常工作时则将其控制进入休眠模式，该NorFlash芯片在休眠时功耗仅有几uA。

GNSS模块选用低功耗的GNSS模组，通过串口与MCU进行通信，用于系统的定位和校时，定位可用于后续设备位置的找寻，校时可定时更新校准系统时间，避免系统内部实时时钟的运行偏差导致数据上传至平台时间的偏差。虽然GNSS模块的功耗相对偏高，但该模块电路并非关键功能，使用频率较小，如一天使用一次，平时则将该模块相关电路断电处理，以降低系统功耗。

拉绳传感器电路，拉绳传感器电路上做兼容设计，支持电流、电阻及电压型拉绳传感器，通过电阻分压及ADC采样读取传感器电压值，并测量出拉绳拉出长度，可用于山体裂缝形变的监测。

在本发明中，该主控系统具备对多种传感器的数据采集，特别是各种功耗适中的485协议的传感器。支持的传感器包括加速度计、电流、电阻及电压型拉绳传感器、数字式雨量计及能支持12V供电的485协议的传感器，如雷达液位计、泥水位计、土壤含水率等，能更大的满足野外对监测点数据的监测。该主控系统通过采用一系列降功耗方法，如：选用低功耗器件、降低MCU供电电压、对实时性要求不高的模块采用间歇式供电或在不使用时则进行休眠等操作，经实测，该主控系统平均流耗在1.5mA以内，使用一次性锂亚电池包可正常工作3年以上。该主控系统实时性高，其主控MCU和主要的加速度传感器均处于一直工作、监测状态，其他传感器除了定时采集和NBIOT网络上报外，当加速度传感器对动静态和倾角大小判断超过阈值后也会立刻唤醒其他传感器的数据采集和NBIOT网络加报。该主控系统具备离线存储功能，当NBIOT网络在网络环境变差，出点掉线情况时，可唤醒NorFlash，先存储要上报的数据，等NBIOT网络恢复后再将网络离线时的数据进行补发，能避免网络掉线时的数据漏报和监测点数据的断层。该主控系统集成度高，通过将GNSS和NBIOT天线小型化，使得GNSS和NBIOT天线均可内置在使用该主控系统的监测设备中，除了外接的一些传感器外，使用该主控系统的监测设备无需再外接其他配件，既可简化监测设备的安装，又可防止主机长期在野外放置后出现天线外置被损毁的风险。

参照图2所示，主控板的供电框图，具体如下：

整个系统需要2.0V、3.3V、12V和电池包自身这四种供电系统。2.0V主要用于MCU、加速度传感器和拉绳传感器供电；3.3V主要用于NorFlash和485供电；12V用于外接的485传感器的供电，在使用时将其打开，不用时将其关断；锂亚电池经过一个二极管降压后给NB模块和GNSS模块供电。因而系统的电源电路包括2.0V的DCDC降压电路，3.3V的升降压电路和12V的升压电路。

在本发明中，由于该主控系统主要用于野外环境的监测，这对产品的可靠性、稳定性有很高的要求，为了保证系统的稳定性，在主控板上也做了一些防护举措，如：在电源输入端加了过流保护和欠压保护，过流保护可防止主控板短路或器件损坏造成流耗过大，对电池造成的损坏，欠压保护可防止电池电量的过放；各工作模块均加了电源开关电路，既可控制电源开关的打开关闭来让模块间歇式工作，以降低功耗，又可在模块工作异常时对模块进行断电重启；系统中设计了硬件看门狗复位电路，可在MCU运行出现异常后，通过硬件看门狗复位整个系统，防止系统出现死机情况。

以下提供本发明一具体的实施例

实施例1

该低功耗主控系统的一个应用实例如图3所示，一个集成化、小型化的低功耗监测主机，将本发明中的主控系统，包括锂亚电池组、主控板、GNSS/NBIOT天线、调试接口、外接传感器接口均集成在主机中，通过结构堆叠，使该监测主机尽可能小型化，方便其在野外的安装。

该监测主机开始工作时，系统会先初始化各个模块和自检各个模块是否能正常工作，通过GNSS模块获取当前时间和位置信息，获取的当前时间会对系统时间进行校时，并通过NBIOT网络上传主机相关信息、系统时间、主机位置、各传感器初始信息等。

该主机正常工作后，除MCU和加速度传感器处于一直工作状态，MCU会实时监测加速度计的动静态状态和倾角变化大小。当加速度传感器的动静态状态和倾角变化大小没有超过设定阈值时，其他模块如拉绳传感器、485传感器、NBIOT、GNSS相关电路则采用间歇性工作模式，拉绳传感器、雨量传感器、485传感器会一小时采集并通过NBIOT网络上报一次传感器数据，GNSS则一天开启一次，并获取当前的时间和位置信息。当加速度传感器的动静态状态和倾角变化大小超过了设定阈值时，则会立刻开启对各个传感器的数据采集，之后也会加快传感器间歇性工作的频率，并加报至平台，直至预警恢复正常。与此同时，当监测到间歇性工作的拉绳传感器、雨量传感器、485传感器的数据超过其各自设定的阈值时，也会启动对这种传感器的加速采集和加报，直至预警恢复正常。

当NBIOT网络工作正常时，NorFlash存储器则一直处于休眠状态，当NBIOT网络掉线时，系统会唤醒NorFlash，存储当前要上报的传感器数据等，等到NBIOT网络恢复时，系统会将存储的数据补发至平台，保证平台上数据的完整性。

该监测主机适合用于在野外对滑坡体、崩塌体等地质灾害的监测，无需外部供电就能正常工作3年以上，而且体积小、易于安装，安装成本低，非常适合三级地灾监测点的使用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，其特征在于：包括主控板，所述主控板支持与多种传感器数据采集通信；低功耗模块，所述低功耗模块将系统功耗设计在1.5mA以下。

2.根据权利要求1所述的一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，其特征在于：还包括主机上壳和主机下壳，所述主机上壳、主机下壳之间设置有电池包，所述主控板上设置有GNSS天线和NBIOT天线，所述主机上壳设置有调试接口和外接传感器接口。

3.根据权利要求2所述的一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，其特征在于，所述主控板与雨量计传感器、三轴加速度传感器、存储电路、拉绳传感器电路、GNSS模块、485电路、NBIOT电路、调试串口和晶振通信连接。

4.根据权利要求3所述的一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，其特征在于，所述主控板的MCU采用意法半导体公司的低功耗系列STM32L4系列作为主控制器。

5.根据权利要求3所述的一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，其特征在于，所述NBIOT电路选用NBIOT模组，用于数据的网络传输，支持移动、联通和电信三大运营商，根据现场NBIOT的网络环境灵活选择运营商，并同时支持可插拔的uSIM卡和贴片的eSIM卡；通过串口与MCU进行通信，并通过MCU控制模块的工作模式，当需要通过NBIOT网络传输数据时控制NBIOT模块在正常工作模式，不需要传输数据时控制NBIOT模块进入PSM模式，以降低系统功耗。

6.根据权利要求3所述的一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，其特征在于，加速度传感器采用ADI公司的超低功耗的三轴加速度传感器，监测当前环境的X/Y/Z三轴方向运动的加速度值，做监测点的动静态判断，并计算出监测点的倾角大小，通过SPI总线与MCU进行通信，该加速度传感器正常工作时功耗只有uA级，可实时监测山体的动静态及倾斜角度变化。

7.根据权利要求3所述的一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，其特征在于，所述485电路采用485转换芯片，用于MCU与外接的485传感器的数据通信。

8.根据权利要求3所述的一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，其特征在于，所述存储电路采用低功耗的Nor Flash芯片，通过SPI总线与MCU进行数据通信，用于NBIOT网络掉线时的离线数据存储，以便在NBIOT网络恢复后能将网络离线时的数据进行补发，能避免网络掉线时的数据漏报。

9.根据权利要求3所述的一种具备多种传感器数据采集和传输的低功耗主控系统，其特征在于，所述GNSS模块选用低功耗的GNSS模组，通过串口与MCU进行通信，用于系统的定位和校时，定位可用于后续设备位置的找寻，校时可定时更新校准系统时间，避免系统内部实时时钟的运行偏差导致数据上传至平台时间的偏差；所述拉绳传感器电路上做兼容设计，支持电流、电阻及电压型拉绳传感器，通过电阻分压及ADC采样读取传感器电压值，并测量出拉绳拉出长度，可用于山体裂缝形变的监测。

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