CN113783258B - 智能自容式多协议串行数据采集器 - Google Patents

智能自容式多协议串行数据采集器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种智能自容式多协议串行数据采集器，其特征在于，它包括无线充电电路、霍尔开关控制电路、锂电池组、电压转换电路、微控制器、航标灯指示的单元、GPS信息接收单元、无线蓝牙传输单元、SD卡存储单元、上位机连接单元；所述微控制器与霍尔开关控制电路、航标灯指示单元、GPS信息接收单元、无线蓝牙传输单元、SD卡存储单元、上位机连接单元相连接。本发明克服现有的GPS轨迹数据采集方法对轨迹数据记录时包含大量漂移点和信息冗余点、占用了大量的存储空间、后期数据处理复杂度的缺陷，提供一种GPS数据智能采集电路，该装置可根据需要设置存储的GPS信息；存储格式采用TXT格式存储，节省了存储空间。

Description

智能自容式多协议串行数据采集器
技术领域
本发明属于地理位置GPS信息记录装置领域，具体涉及一种智能自容式多协议串行数据采集器，适用于海洋试验中记录本身GPS位置信息。
背景技术
21世纪是海洋的世纪，经济全球化促进了世界各国的贸易往来，同样也加速了航运业的发展。众所周知，我国海域面积广阔，海洋面积达299.7万平方公里，海洋运输是国际间商品交换中最重要的运输方式之一，货物运输量占全部国际货物运输量的比例大约在80％以上。现阶段的GPS设备大多数都存在①当波浪运动太高时，GPS传感器信号接收不稳定②GPS传感器定向时容易受到风浪海水的影响③GPS传感器必须接收最少数量要求的卫星信号才能完成波浪参数的解算④如果采用他国卫星进行GPS传输，数据可能会被窃取。
发明内容
本发明提供了一种智能自容式多协议串行数据采集器，本发明的首要目的是克服现有的GPS轨迹数据采集方法对轨迹数据记录时包含大量漂移点和信息冗余点、占用了大量的存储空间、后期数据处理复杂度的缺陷，提供一种GPS数据智能采集电路，该装置可根据需要设置存储的GPS信息；存储格式采用TXT格式存储，节省了存储空间，并可根据需要采用不同内存大小的SD存储卡。并配有一套GPS位置信息系统，可实时查看位置信息。
本发明具有价格低廉、工艺成熟稳定、易于集成等优点。
本发明的技术方案是：
一种智能自容式多协议串行数据采集器，它包括无线充电电路、霍尔开关控制电路、锂电池组、电压转换电路、微控制器、航标灯指示的单元、GPS信息接收单元、无线蓝牙传输单元、SD卡存储单元、上位机连接单元；
所述微控制器与霍尔开关控制电路、航标灯指示单元、GPS信息接收单元、无线蓝牙传输单元、SD卡存储单元、上位机连接单元相连接；其中：
所述霍尔开关控制电路，控制整个系统电源开闭；
所述航标灯指示单元，在夜间指示系统正在工作，更重要起警示作用；
所述GPS信息接收单元，设置设备波特率，采样时间及间隔，RTC时间以为输出格式类型，输出相应格式的GPS数据；
所述无线蓝牙传输单元，实现本套装置与手机端、PC端的数据交互；
所述SD卡存储单元，在无线蓝牙传输单元不工作时，对GPS采集的数据进行存储，待连接时进行下载操作；
所述上位机连接单元，实现装置与电脑的连接，进行数据交互。
所述的电压转换电路分为两路，其中一路用于装置中微控制器和SD卡存储单元的供电，另一路用于GPS信息接接收单元和无线蓝牙传输单元的供电；
所述的锂电池组与无线充电电路和霍尔开关控制电路相连接，无线充电装置为锂电池进行充电。
所述的电压转换电路还向微控制器实时发送装置电量信息；所述的GPS信息接收单元还向微控制器反馈自身GPS卫星定位信息；所述的微控制器，用于根据GPS搜索卫星星数信息控制所述采集单元的启停；所述的无线充电电路向微控制器反馈锂电池充电、充满状态信息；所述的无线蓝牙传输单元向微控制器反馈与PC端连接状态信息。
所述的微控制器为单片机；
所述的微控制器通过上位机连接单元与PC端的上位机进行连接通信；
所述的GPS信息接收单元，向所述的微控制器发送时间信息。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：
该发明为便携式IP68防水等级，可满足海试试验要求；可利用采集信息绘制航船行驶轨迹，便于对实验数据处理分析；定位速度快，在GPS覆盖的地方，设备从搜星到采集时间不超过1分钟；海洋定位精度高，在50km以内,GPS的相对定位精度达到6-10m，100-500km达到7-10m，1000km达到了9-10m；并且可以持续的提供精确的三维速度和时间等信息；操作简便，全天候观测、记录。保密性及抗干扰性强。
附图说明
图1本发明专利的原理结构框图；
图2本发明专利的无线充电电路原理图；
图3本发明专利的电压转换电路原理图；
图4本发明专利的微控制器原理图；
图5本发明专利的航标灯指示单元原理图；
图6本发明专利的SD卡存储单元原理图；
图7本发明专利的无线蓝牙传输单元原理图；
图8本发明专利的GPS信息接收单元原理图；
图9本发明专利的结构图；
图10本发明专利的实物图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明申请作进一步的说明：
一种智能自容式多协议串行数据采集器，其特征在于，它包括无线充电电路、霍尔开关控制电路、锂电池组、电压转换电路、微控制器、航标灯指示的单元、GPS信息接收单元、无线蓝牙传输单元、SD卡存储单元、上位机连接单元。所述微控制器与霍尔开关控制电路、航标灯指示单元、GPS信息接收单元、无线蓝牙传输单元、SD卡存储单元、上位机连接单元相连接。其中：所述霍尔开关控制电路，可控制整个系统电源开闭；所述航标灯指示单元，可在夜间指示系统正在工作，更重要起警示作用；所述GPS信息接收单元，可设置设备波特率，采样时间及间隔，RTC时间以为输出格式类型，输出相应格式的GPS数据；所述无线蓝牙传输单元，可实现本套装置与手机端、PC端的数据交互；所述SD卡存储单元，可在无线蓝牙模块不工作时，对GPS采集的数据进行存储，待连接时进行下载操作，降低了整体功耗，延长了设备使用时间；所述上位机连接单元，可实现装置与电脑的连接，进行数据交互。所述的电压转换电路分为两路，其中一路用于装置中微控制器和SD卡存储单元的供电，另一路用于GPS信息接接收单元和无线蓝牙传输单元的供电；其目的是保证装置控制单元和采集、传输单元互不影响，以保证系统稳定工作；所述的锂电池组与无线充电电路和霍尔开关控制电路相连接，无线充电装置可为锂电池进行充电。所述的电压转换电路还应向微控制器实时发送装置电量信息；所述的GPS信息接收单元还应向微控制器反馈自身GPS卫星定位信息；所述的微控制器，用于根据GPS搜索卫星星数信息控制所述采集单元的启停。所述的无线充电电路可向微控制器反馈锂电池充电、充满状态信息；所述的无线蓝牙传输单元可向微控制器反馈与PC端连接状态信息。所述的微控制器为单片机。所述的微控制器还可通过上位机连接单元与PC端的上位机进行连接通信。所述的GPS信息接收单元，还用于向所述的微控制器发送时间信息。电源转换芯片，可将4.2V锂电池电池电压转换为3.3V为单片机、GPS定位模块和蓝牙模块供电。所述的无线充电单元为USB充电，充电电压为5V。所述的电压转换单元采用两路电源转换芯片，分别为单片机和无线蓝牙模块供电。霍尔开关控制电路还包括一个低功耗单片机。所述的SD存储单元存储量为16G。
本发明从船舶航行安全需要出发，基于国内外常用的船舶航行数据记录形式的发展现状，在充分了解GPS导航原理的基础上，结合全球定位系统(GPS)技术和嵌入式技术，设计出一款经济的多功能的GPS位置采集存储器。与人工《航海日志》相比较，该系统实现了航行数据记录的智能化，能够自动记录完整准确的航行数据，并且根据用户的需要可以进行相关的数据处理工作；与基于纸海图的航迹记录仪相比较，该系统无需大量海图信息库，实现了航行数据记录的无纸化、小型化，并且价格便宜，能够普及到各类中小型船只；该系统同样也具备一般的GPS导航产品的导航定位功能，能够完成一般的导航定位工作。
S1.霍尔开关控制电路由霍尔元件、微控制器以及外围电路组成。
所述电路可使用磁棒直接对装置进行启闭；
所述电路的微控制器采用低功耗微控制器，可使开关控制电路一直处于检测状态，却具有极低功耗；
所述电路的微控制器外围电路均采用小封装电阻、电容，故在电路板制版后占用面积极小，方便其他电路布放；
所述霍尔开关控制电路可适用于其他众多电路系统中，尤其是水声设备中，可实现不开罐电路启闭，节约人力物力。
S2.电压转换电路两路在电压进出转换芯片前后均布有大量的去耦电路，使所述电路具有低噪声、低功耗、高效率等有优点。
S3.无线蓝牙传输单元通过串口与微控制器相连接，并配有按键开关、连接状态指示灯。
所述传输单元与微控制器的TX、RX串口相连接，可进行数据收发控制；
所述的按键开关可配置无线蓝牙的主从状态，可与不同的蓝牙连接或者与PC端连接；
所述的连接状态指示灯可在蓝牙与PC端上位机连接时点亮，指示可进行数据交互操作。
S4.装置存储单元采用SD存储模式。
所述存储模式存储格式为TXT，具有大数据量小存储空间等优点；
所述的存储单元的SD卡与微控制器相连接采用SPI模式进行通信，SD卡只能使用3.3V的I/O电平。所以，微控制器一定要能够支持3.3V的I/O端口输出；故电路在设计中，在SPI模式下，CS/MOSI/MISO/CLK都加了10KΩ的上拉电阻；
所述的存储模式采用的SPI模式，所以应先让SD卡进入SPI模式。方法如下：在SD卡收到复位命令时，CS为有效电平(低电平)，则SPI模式被启用。
所述的SPI模式在读取数据时采用CMD17来实现，写入数据时采用SMD24来实现。
S5.微控制器采用STM32F103RET6型号芯片所述微控制器使用两个串口分别连接无线蓝牙传输单元和GPS信息接收单元；
所述微控制器使用1个SPI接口连接SD卡存储单元，进行GPS数据的存储和读写操作；所述微控制器使用内部72M晶振，使用1个内部ADC读取电池电压值。
S7.设备启动
1、在使用前请确认智能自容式多协议串行数据采集器的有机玻璃罩安装到位，使用电磁开关磁棒在智能自容式多协议串行数据采集器的有机玻璃罩端面上的霍尔开关位置按照图1所示的位置划动电磁开关；
2、设备启动时，红色指示灯会常亮1秒，随后红色指示灯开始连续闪烁，表示设备开始正常初始化工作；
3、当设备正常初始化完毕后开始采集，蓝色指示灯开始闪烁，说明GPS正常工作，设备正常采集工作状态中。
异常状态说明：
1、红色指示灯常亮或者闪烁：
设备内部磁盘错误或者磁盘已满，请通过上位机软件删除旧的数据文件或者格式化磁盘。
2、设备无反应，无任何指示灯闪亮：
设备内部电池电量耗尽，需要给设备充电，请将设备放置到无线充电底盘连接外接充电器进行充电对设备进行充电。
S8.设备关闭
需要使用磁棒在图1所示位置划动霍尔开关关闭设备。
S9.设备充电
充电时，请连接无线充电底座的USB线为设备充电，充电时间约为12个小时，充电过程中显示，当设备不连接上位机，直接连接充电电源时，红色指示灯常亮，当充满电时，红色指示灯熄灭。或者借助上位机软件，在连接的状态下，检查界面上所显示的内部电池电压是否达到4.2V以上，即为充电完成。
异常状态说明：
1)连续充电24小时，通过软件检测内部电池电压仍不足4.2V以上：可能电池损坏，需联系厂家更换电池组。
2)通过软件检测内部电池电压达到4.2V以上，但使用过程中很快电量即消耗殆尽：可能电池老化损坏，需联系厂家更换电池组。
S10.设备连接
当需要连接设备时，需要首先关闭设备；然后使用磁棒打开设备，设备上电后红灯闪烁，蓝牙模块蓝灯闪烁，表示当前处于准备连接状态。
1.打开带有蓝牙功能电脑的蓝牙功能，选择添加设备，蓝牙自动搜索设备名称分别为iGpsLogger的智能自容式多协议串行数据采集器。
2.搜索到设备后选择连接设备，在选择配对选项时选择输入设备的配对码，配对码默认为1234。
3.设备连接正常后，电脑会自动生成虚拟串口。此串口在上位机配置中使用。
S11.数据文件名称(例如：G10_083631.txt)每个文件大小约150字节。
S12.模块USB接口为独立接口，其输出的NEMA格式数据可以不同于模块串口输出数据。使用时按照配置软件消息输出窗口所能看到的NEMA格式，串口1和串口2仅保留RMC格式，其余消息输出禁止
S13.模块上位机参数配置
1.打开iHydrowatch软件，选择菜单栏开始选项，进入设备及参数列表，添加设备3自容式数据记录仪。
2.选择菜单栏设置选项，进入设备及参数列表，选择串口参数设置选项。配置相应蓝牙虚拟串口，波特率设置为115200，确认修改配置。
3.当模块配置完成后，自动采集GPS信号通过蓝牙传递给上位机，生成GPS坐标信息文件，可下载查看GPS信息。
表1本发明专利的主要参数
综上所述：本发明公开了一种智能自容式多协议串行数据采集器装置，本装置系统由STM32作为微控制器，可实现对GPS位置数据的采集和存储。并配备有无线充电装置、航标灯指示单元、GPS信息接收单元、无线蓝牙传输单元、霍尔开关控制电路、电压转换电路、SD卡存储单元、上位机系统，可实现免开盖充电、数据收发、工作开关、数据下载等功能。其中无线充电装置充电接口为常见TYPE—C接口，无线蓝牙模块可实现与手机端、PC端的相互通信，霍尔开关控制电路小巧、简单而且适用且实用于许多设备中，本套系统还配备上位机系统，可实现对本套系统的蓝牙串口、串口波特率、RTC时间、内存卡空间的查看和设置。本装置有实时记录GPS坐标点信息、无线蓝牙传输、夜间灯光指示及无线充电等功能；还具有低噪声、结构简单、实用性好和低功耗等优点。

Claims (5)

1.一种智能自容式多协议串行数据采集器，其特征在于，它包括无线充电电路、霍尔开关控制电路、锂电池组、电压转换电路、微控制器、航标灯指示的单元、GPS信息接收单元、无线蓝牙传输单元、SD卡存储单元、上位机连接单元；
所述微控制器与霍尔开关控制电路、航标灯指示单元、GPS信息接收单元、无线蓝牙传输单元、SD卡存储单元、上位机连接单元相连接；其中：
所述霍尔开关控制电路，控制整个系统电源开闭；
所述航标灯指示单元，在夜间指示系统正在工作，更重要起警示作用；
所述GPS信息接收单元，设置设备波特率，采样时间及间隔，RTC时间以为输出格式类型，输出相应格式的GPS数据；
所述无线蓝牙传输单元，实现本套装置与手机端、PC端的数据交互；
所述SD卡存储单元，在无线蓝牙传输单元不工作时，对GPS采集的数据进行存储，待连接时进行下载操作；
所述上位机连接单元，实现装置与电脑的连接，进行数据交互；
所述的电压转换电路分为两路，其中一路用于装置中微控制器和SD卡存储单元的供电，另一路用于GPS信息接接收单元和无线蓝牙传输单元的供电；
所述的锂电池组与无线充电电路和霍尔开关控制电路相连接，无线充电装置为锂电池进行充电。
2.根据权利要求1所述一种智能自容式多协议串行数据采集器，其特征在于，所述的电压转换电路还向微控制器实时发送装置电量信息；所述的GPS信息接收单元还向微控制器反馈自身GPS卫星定位信息；所述的微控制器，用于根据GPS搜索卫星星数信息控制所述采集单元的启停；所述的无线充电电路向微控制器反馈锂电池充电、充满状态信息；所述的无线蓝牙传输单元向微控制器反馈与PC端连接状态信息。
3.根据权利要求1所述一种智能自容式多协议串行数据采集器，其特征在于，所述的微控制器为单片机。
4.根据权利要求1所述一种智能自容式多协议串行数据采集器，其特征在于，所述的微控制器通过上位机连接单元与PC端的上位机进行连接通信。
5.根据权利要求1所述一种智能自容式多协议串行数据采集器，其特征在于，所述的GPS信息接收单元，向所述的微控制器发送时间信息。
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