CN113708820B - 一种基于Lora的红外传感器中继系统 - Google Patents

一种基于Lora的红外传感器中继系统 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于Lora的红外传感器中继系统，包括中继器、若干温度检测装置和后台服务器；若干温度检测装置与后台服务器之间通过中继器组网进行通讯连接；其中，所述中继器包括MCU微控制单元、NAND存储模块、Lora无线通讯模块和电源模块；MCU微控制单元与Lora无线通讯模块双向电连接，MCU微控制单元的数据IO口双向连接有NAND存储模块，MCU微控制单元的供电端与电源模块连接；MCU微控制单元的输入端与若干温度检测装置的输出端连接。本发明能耗低，传输速度快，发热低，特别适用于高压电场环境；本发明外接多种协议模块与接口，具有各种传感器数据的接入和其他设备与网络云端通信的功能。

Description

一种基于Lora的红外传感器中继系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于Lora的红外传感器中继系统。
背景技术
中继是一种有效的数据传输技术，它可以在一对一或者一对多的应用中快速而低廉的传输数位信息。它可以使用于语音、数据通信，既可用于局域网（LAN）也可用于广域网（WAN）的通信。每个中继用户将得到一个接到中继节点的专线。中继网络对于终端用户来说，它通过一条经常改变且对用户不可见的通道来处理和其他用户间的数据传输。
现有的传感器中继电路协议模块与接口单一，无法配合各种传感器数据的接入，且无法实现设备与网络云端通信的功能；不能满足多节点、多协议通信，数据预处理等功能；因此不适用高压电场环境。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于Lora的红外传感器中继系统。
本发明采用的技术方案为：
一种基于Lora的红外传感器中继系统，该基于Lora的红外传感器中继系统包括中继器、若干温度检测装置和后台服务器；若干温度检测装置与后台服务器之间通过中继器组网进行通讯连接；其中，所述中继器包括MCU微控制单元、NAND存储模块、Lora无线通讯模块和电源模块；MCU微控制单元与Lora无线通讯模块双向电连接，MCU微控制单元的数据IO口双向连接有NAND存储模块，MCU微控制单元的供电端与电源模块连接；MCU微控制单元的输入端与若干温度检测装置的输出端连接。
进一步，所述MCU微控制单元的IO口还连接有4G无线模块和蓝牙模块，中继器通过4G无线模块和蓝牙模块能够使若干温度检测装置、手持终端与后台服务器之间通过中继器组网进行通讯连接。
进一步，该基于Lora的红外传感器中继系统的工作包括如下步骤：
步骤1、系统初始化；
步骤2、中继配置，系统初始化后对中继器配置信息进行确认，若未配置，则将EEPROM中数据清除，再检测SD卡，并打印相关SD卡信息；每5s进行一次数据上报，数据上报前检查是否处于等待后台服务器应答状态，若是则返回继续等待，若不处于等待后台服务器应答状态则将队列中或SD卡中的数据发送至后台服务器；中继器处于等待后台应答状态时，5s未收到后台服务器应答帧则判定超时，将数据存入队列中，队列满则存入SD中；
步骤3、数据类型判断，当中继收到后台服务器或者蓝牙模块发送来的帧时，判断为4G帧还是蓝牙帧，以便使用对应的串口进行响应；对接收到的帧进行处理，首先检测帧格式是否正确，格式不正确进行报错，若中继地址未配置，则报错，需保证先配置中继地址再进行其他操作，中继地址配置完成后，即可根据信息帧不同的功能码进行响应不同的操作；
步骤4、数据上报，当中继器收到温度检测装置发来的数据帧后，根据数据帧中的温度改变前端的上报周期；当温度低于30℃时，上报周期为30min，当温度高于30℃低于50℃时，将上报周期更改为15min，当温度超过50℃时，将上报周期更改为1min。
进一步，步骤3中所述的功能码包括：0x21H配置中继地址池、0x22H校时、0x23H数据应答帧、0x24H配置温度检测装置命令帧、0x25H读中继地址、0x26H读已配置温度监测装置信息、0x27H读中继时间、0x28H删除温度检测装置配置信息、0x2FH初始化。
进一步，所述的手持终端采用安装有相应APP的智能手机、pad；手持终端通过协议完成与中继器的交互，对中继器上4G模块的配置，使得中继器收到的温度检测装置的数据可以通过4G模块转发到后台服务器、网络上指定的服务器；中继器也可以接受来自网络上指定的服务器的数据，并将信息转发至手持终端。
进一步，该基于Lora的红外传感器中继系统包括应用层、业务逻辑层、功能模块层、系统内核层、硬件层，所述的应用层功能包括数据采集、中继通信、实时温度监测以及实时雨量数据监测；业务逻辑层包括系统初始化业务、MQTT通信业务、MESH通信业务、数据采集业务；功能模块层包括系统初始化模块、AT模块、MESH模块、数据采集模块；系统内核层包括线层管理、中断管理、内存管理、时钟管理、同步与通信；硬件层包括URAT串口，I2C总线、SPI总线。
进一步，所述电源模块采用5V蓄电池供电，并采用太阳能充电模块进行充电。
进一步，所述温度检测装置包括传感器、温差发电装置和AD转化模块；其中传感器包括雨量传感器和温度传感器；温差发电装置输出端与传感器的供电端连接，温差发电装置采用液态金属作为导热介质；AD转换模块采用高精度16位AD转换模块。
进一步，该基于Lora的红外传感器中继系统包括应用层、业务逻辑层、功能模块层、系统内核层、硬件层，所述的应用层功能包括数据采集、中继通信、实时温度监测以及实时雨量数据监测；业务逻辑层包括系统初始化业务、MQTT通信业务、MESH通信业务、数据采集业务；功能模块层包括系统初始化模块、AT模块、MESH模块、数据采集模块；系统内核层包括线层管理、中断管理、内存管理、时钟管理、同步与通信；硬件层包括URAT串口，I2C总线、SPI总线。
本发明的有益效果是：
该基于Lora的红外传感器中继系统能耗低，传输速度快，发热低，特别适用于高压电场环境；该基于Lora的红外传感器中继系统明外接多种协议模块与接口，具有各种传感器数据的接入和其他设备与网络云端通信的功能。该基于Lora的红外传感器中继系统能够有效多的提高数据传输效率，实现了数据传输的低延迟和高保真，实现了多接入口的同时数据采集与传输。
附图说明
图1为本发明的组网图；
图2为本发明中继器的结构图；
图3为本发明中继器的工作原理流程图；
图4为本发明Lora无线通讯模块的电路图；
图5为本发明MCU微控制单元的电路图；
图6为本发明4G模块的电路图；
图1中，1—中继器、2—温度检测装置、3—后台服务器、4—手持终端、5—4G无线模块、6—蓝牙模块，7—网络上指定的服务器。
实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，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付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。
如图1所示，本发明是一种基于Lora的红外传感器中继系统，该基于Lora的红外传感器中继系统包括中继器1、若干温度检测装置2和后台服务器3。若干温度检测装置2与后台服务器3之间通过中继器1组网进行通讯连接。如图2所示，其中，中继器1包括MCU微控制单元、NAND存储模块、Lora无线通讯模块和电源模块；MCU微控制单元与Lora无线通讯模块双向电连接，MCU微控制单元的数据IO口双向连接有NAND存储模块，MCU微控制单元的供电端与电源模块连接；MCU微控制单元的输入端与若干温度检测装置的输出端连接，通过MCU微控制单元能够提供数据预处理功能。
MCU微控制单元：采用STM32F103RCT6微控制单元，是一种嵌入式-微控制器的集成电路(IC)，芯体规格是32位，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K，电压-电源(Vcc/Vdd)为2V至3.6V，工作温度为-40°C至85°C，其电路图如图5所示。
NAND存储模块：采用复杂的I/O口来串行地存取数据，8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND存储模块的读和写操作采用512字节的块，基于Nand-Flash的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。NAND存储模块每个块的最大擦写次数是100万次，而传统的Nor-Flash存储的擦写次数是10万次，采用NAND存储模块能够有效的提高数据的存储时间，以适用于高压电场环境，提高系统的使用寿命。
Lora无线通讯模块：采用E22-400T22S模块，E22-400T22S模块是全新一代的Lora无线模块，具有多种传输模式，工作在410.125-493.125MHz频段，默认为43.125MHz，其电路图如图4所示。具有4种工作模式，分别为：传输模式、WOR模式、配置模式、深度休眠模式，基于上述四个工作模式，可以自动选取可切换工作模式，在需要进行数据传输时，切换至传输模式进行数据传输，在没有数据传输时，系统可以自动切换至深度休眠模式，进行休眠，从而降低系统能耗，达到低能耗的效果。
电源模块：采用太阳能充电模块进行充电，电池模块采用5V蓄电池供电，由于安装于野外工作环境使用，光照条件充足，所以蓄电池可以采用太阳能充电模块进行充电，能够做到能源的再生利用，达到节能的目的。
传感器模块：包括传感器、温差发电装置和AD转化模块。传感器包括雨量传感器和温度传感器，雨量传感器用于采集野外环境的雨量大小，温度传感器用于采集电力线温度数据。温差发电装置输出端与传感器的供电端连接，温差发电装置采用液态金属作为导热介质，液态金属比起传统的传热介质，能够有效的提高传热效率。AD转换模块能够将传感器采集到的模拟量信号转换为数字量信号，其采用高精度16位AD转换模块，能够保证AD转换数据的快速与准确，AD转换模块，由于是16位的，可配合各种传感器数据的接入。
为了进一步使中继器能够在若干温度检测装置2、手持终端4与后台服务器3之间进行组网，如图2所示，所述MCU微控制单元的IO口还连接有4G无线模块和蓝牙模块，其中4G无线模块的电路图如图6所示，4G无线模块和蓝牙模块可以实现设备与网络云端通信的功能；实现多节点、多协议通信。如图1所示，中继器1通过4G无线模块5和蓝牙模块6能够使若干温度检测装置2、手持终端4与后台服务器3之间通过中继器1组网进行通讯连接。所述的手持终端4采用安装有相应APP的智能手机、pad；手持终端4通过协议完成与中继器1的交互，对中继器1上4G无线模块5进行配置，使得中继器1收到的温度检测装置2的数据可以通过4G无线模块5转发到后台服务器3、网络上指定的服务器7；中继器1也可以接受来自网络上指定的服务器7的数据，并将信息转发至手持终端4。
该基于Lora的红外传感器中继系统的工作流程如图3所示，包括如下步骤：
步骤1、系统初始化。
步骤2、中继配置，系统初始化后对中继器配置信息进行确认，若未配置，则将NAND存储模块中EEPROM的数据清除，再检测NAND存储模块的SD卡，并打印相关SD卡信息；每5s进行一次数据上报，数据上报前检查是否处于等待后台服务器应答状态，若是则返回继续等待，若不处于等待后台服务器应答状态则将队列中或SD卡中的数据发送至后台服务器；中继器处于等待后台应答状态时，5s未收到后台服务器应答帧则判定超时，将数据存入队列中，队列满则存入SD中。
步骤3、数据类型判断，当中继收到后台服务器或者蓝牙模块发送来的帧时，判断为4G帧还是蓝牙帧，以便使用对应的串口进行响应；对接收到的帧进行处理，首先检测帧格式是否正确，格式不正确进行报错，若中继地址未配置，则报错，需保证先配置中继地址再进行其他操作，中继地址配置完成后，即可根据信息帧不同的功能码进行响应不同的操作。
其中，功能码包括：0x21H配置中继地址池、0x22H校时、0x23H数据应答帧、0x24H配置温度检测装置命令帧、0x25H读中继地址、0x26H读已配置温度监测装置信息、0x27H读中继时间、0x28H删除温度检测装置配置信息、0x2FH初始化。
步骤4、数据上报，当中继器收到温度检测装置发来的数据帧后，根据数据帧中的温度改变前端的上报周期；当温度低于30℃时，上报周期为30min，当温度高于30℃低于50℃时，将上报周期更改为15min，当温度超过50℃时，将上报周期更改为1min。
该基于Lora的红外传感器中继系统当传感器模块进行工作时，MCU微控制单元能够将传感器模块实时采集的温度数据存储于NAND存储模块；当NAND存储模块中的时间存储到一定数量，或者是到系统指定数据传输时间时，MCU微控制单元唤醒Lora无线模块的传输模式，MCU微控制单元将NAND存储模块中存储的温度数据通过Lora无线通讯模块传输至后端服务器。当Lora无线通讯模块不进行数据传输时，Lora无线传输模块处于深度休眠模式。
该基于Lora的红外传感器中继系统包括应用层、业务逻辑层、功能模块层、系统内核层、硬件层，所述的应用层功能包括数据采集、中继通信、实时温度监测以及实时雨量数据监测。数据采集是通过温度传感器采集温度数据，中继通信通过中继器与无线通信模块进行中继通信，通过MCU微控制单元进行实时温度检测和实时雨量数据监测。业务逻辑层包括系统初始化业务、MQTT通信业务、MESH通信业务、数据采集业务；功能模块层包括系统初始化模块、AT模块、MESH模块、数据采集模块；系统内核层包括线层管理、中断管理、内存管理、时钟管理、同步与通信；业务逻辑、功能模块层和系统内核层均是软件层模块，其中业务逻辑和功能模块层主要用于整个系统软件层面的系统初始化以及驱动其他硬件模块的工作；系统内核层用于管理各个模块的正常工作，集成于MCU微控制模块中。硬件层包括URAT串口，I2C总线、SPI总线，URAT串口，I2C总线、SPI总线均与MCU微控制单元连接，用于数据的传输。

Claims (6)

1.一种基于Lora的红外传感器中继系统，其特征在于：该基于Lora的红外传感器中继系统包括中继器、若干温度检测装置和后台服务器；若干温度检测装置与后台服务器之间通过中继器组网进行通讯连接；其中，所述中继器包括MCU微控制单元、NAND存储模块、Lora无线通讯模块和电源模块；MCU微控制单元与Lora无线通讯模块双向电连接，MCU微控制单元的数据IO口双向连接有NAND存储模块，MCU微控制单元的供电端与电源模块连接；MCU微控制单元的输入端与若干温度检测装置的输出端连接；
所述MCU微控制单元的IO口还连接有4G无线模块和蓝牙模块，中继器通过4G无线模块和蓝牙模块能够使若干温度检测装置、手持终端与后台服务器之间通过中继器组网进行通讯连接；
该基于Lora的红外传感器中继系统的工作包括如下步骤：
步骤1、系统初始化；
步骤2、中继配置，系统初始化后对中继器配置信息进行确认，若未配置，则将EEPROM中数据清除，再检测SD卡，并打印相关SD卡信息；每5s进行一次数据上报，数据上报前检查是否处于等待后台服务器应答状态，若是则返回继续等待，若不处于等待后台服务器应答状态则将队列中或SD卡中的数据发送至后台服务器；中继器处于等待后台应答状态时，5s未收到后台服务器应答帧则判定超时，将数据存入队列中，队列满则存入SD中；
步骤3、数据类型判断，当中继收到后台服务器或者蓝牙模块发送来的帧时，判断为4G帧还是蓝牙帧，以便使用对应的串口进行响应；对接收到的帧进行处理，首先检测帧格式是否正确，格式不正确进行报错，若中继地址未配置，则报错，需保证先配置中继地址再进行其他操作，中继地址配置完成后，即可根据信息帧不同的功能码进行响应不同的操作；
步骤4、数据上报，当中继器收到温度检测装置发来的数据帧后，根据数据帧中的温度改变前端的上报周期；当温度低于30℃时，上报周期为30min，当温度高于30℃低于50℃时，将上报周期更改为15min，当温度超过50℃时，将上报周期更改为1min。
2.根据权利要求1所述的基于Lora的红外传感器中继系统，其特征在于：步骤3中所述的功能码包括：0x21H配置中继地址池、0x22H校时、0x23H数据应答帧、0x24H配置温度检测装置命令帧、0x25H读中继地址、0x26H读已配置温度监测装置信息、0x27H读中继时间、0x28H删除温度检测装置配置信息、0x2FH初始化。
3.根据权利要求1所述的基于Lora的红外传感器中继系统，其特征在于：所述的手持终端采用安装有相应APP的智能手机、pad；手持终端通过协议完成与中继器的交互，对中继器上4G模块的配置，使得中继器收到的温度检测装置的数据可以通过4G模块转发到后台服务器、网络上指定的服务器；中继器也可以接受来自网络上指定的服务器的数据，并将信息转发至手持终端。
4.根据权利要求1所述的基于Lora的红外传感器中继系统，其特征在于：该基于Lora的红外传感器中继系统包括应用层、业务逻辑层、功能模块层、系统内核层、硬件层，所述的应用层功能包括数据采集、中继通信、实时温度监测以及实时雨量数据监测；业务逻辑层包括系统初始化业务、MQTT通信业务、MESH通信业务、数据采集业务；功能模块层包括系统初始化模块、AT模块、MESH模块、数据采集模块；系统内核层包括线层管理、中断管理、内存管理、时钟管理、同步与通信；硬件层包括URAT串口，I2C总线、SPI总线。
5.根据权利要求1所述的基于Lora的红外传感器中继系统，其特征在于：所述电源模块采用5V蓄电池供电，并采用太阳能充电模块进行充电。
6.根据权利要求1所述的基于Lora的红外传感器中继系统，其特征在于：所述温度检测装置包括传感器、温差发电装置和AD转化模块；其中传感器包括雨量传感器和温度传感器；温差发电装置输出端与传感器的供电端连接，温差发电装置采用液态金属作为导热介质；AD转换模块采用高精度16位AD转换模块。
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