CN206019730U - 环境参数采集发送端及环境参数采集系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种环境参数采集发送端及环境参数采集系统，包括：环境参数传感器，用于采集获取环境参数；LoRa无线通信模块，适于基于LoRa技术进行通信；发送端控制电路，与所述环境参数传感器和所述LoRa无线通信模块连接，用于控制所述LoRa无线通信模块发送所述环境参数。通过利用基于LoRa技术的无线通信模块进行环境参数的无线发送和接收，可以在不依赖于现有的运营商网络进行环境参数采集，同时具有较小的功耗以及较大的通信范围。进一步地，通过利用一次性电池以及升压型电源管理电路的组合来进行供电，可以最大化电池的使用效率，延长使用时间，同时降低成本。

Description

环境参数采集发送端及环境参数采集系统

技术领域

本实用新型涉及传感网络技术，具体涉及一种环境参数采集发送端及环境参数采集系统。

背景技术

在自动楼宇环境管理中，环境参数的采集(例如，温度、湿度等参数)，对空调和供暖的管理至关重要，尤其是大型楼宇建筑中，中央空调的管控，都要依靠温度和湿度等数据的支持。因此，环境参数采集系统自从出现后就发展很快，出现了各种各样的产品。

根据数据传输的不同，环境参数采集系统可以一般分为有线和无线两种。

有线的环境参数采集系统，通过有线的方式将传感器侧采集的环境参数发送给接收端，进而以有线方式上传上位机。有线通信连接使用例如串口和网口等。而无线的环境参数采集系统，通过无线方式将传感器侧采集的环境参数发送给接收端，进而发送给上位机。

现有的无线温湿度采集器，一般采用GPRS、3G、4G等移动数字通信技术或ZigBee等无线技术将进行数据发送。GPRS依托于运营商，信号覆盖范围广，不受地理环境影响，但需要交纳数据流量费用。ZigBee不依托运营商，可以自由组网，更加灵活方便，但受制于其发射功率影响，覆盖范围较小。

同时，根据供电方式的不同，环境参数采集系统的发送端可分为电池供电和外接电源供电。电池供电一般采用常见的锂电池，外接电源供电一般采购市电220v或者直流24v。而且，使用外接电源供电的有线环境参数采集系统使用范围较窄，楼宇里很多地方都无法安装。无论采用哪种方式，如图1所示，环境参数采集发送端通常都是采用一个降压电路，将直流输入电压降压后供给到不同模块。但是，采用降压电路损耗较大，效率较低，很容易随着电池电压的降低导致系统不能正常工作。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种环境参数采集发送端及环境参数采集系统，能够较长距离进行环境参数的采集发送，并且延长设备的续航时间。

第一方面，提供一种环境参数采集发送端，包括：

环境参数传感器，用于采集获取环境参数；

LoRa无线通信模块，适于基于LoRa技术进行通信；

发送端控制电路，与所述环境参数传感器和所述LoRa无线通信模块连接，用于控制所述LoRa无线通信模块发送所述环境参数。

优选地，所述环境参数采集发送端还包括：

一次性电池；以及，

电源管理电路，与所述一次性电池连接，适于工作于升压模式，将所述一次性电池的输出电压升压后输出到所述环境参数传感器、LoRa无线通信模块以及发送端控制电路进行供电。

优选地，所述电源管理电路适于在所述一次性电池输出电压高于预定阈值时工作于直通模式，直接将所述一次性电池输出电压输出到所述环境参数传感器、LoRa通信模块以及发送端控制电路进行供电。

优选地，所述电源管理电路包括：

电源控制芯片，型号为TPS61291DRV，包括7个引脚；

保护开关，与电源输入端口连接；

二极管，阳极与所述保护开关连接，阴极与中间端连接；

第一电容和第二电容，并联连接在所述中间端和接地端之间；

电感，连接在所述中间端和所述电源控制芯片的第一引脚之间；

第三电容和第四电容，并联连接在电源控制芯片的第二引脚和接地端之间；

其中，所述电源控制芯片的第三引脚与所述中间端连接，第四引脚输入直通使能信号，第五引脚至第七引脚均与接地端连接。

优选地，所述环境参数为温度和/或湿度。

第二方面，提供一种环境参数采集系统，包括：

如上所述的环境参数采集发送端；以及

环境参数接收端，包括：

LoRa无线通信模块，适于基于LoRa技术进行通信；

以太网电路，适于基于以太网进行通信；

接收端控制电路，与所述LoRa无线通信模块以及以太网电路连接，适于将LoRa无线通信模块接收的环境参数经由所述以太网电路发送。

优选地，所述环境参数接收端还包括：

降压电路，用于基于输入电压对所述LoRa无线通信模块、以太网电路以及接收端控制电路供电。

优选地，所述环境参数采集系统还包括：

上位机，与所述环境参数接收端的以太网电路通过网线连接。

通过利用基于LoRa技术的无线通信模块进行环境参数的无线发送和接收，可以在不依赖于现有的运营商网络进行环境参数采集，同时具有较小的功耗以及较大的通信范围。

进一步地，通过利用一次性电池以及升压型电源管理电路的组合来进行供电，可以最大化电池的使用效率，延长使用时间，同时降低成本。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有的环境参数采集系统的示意图；

图2是本实用新型实施例的环境参数采集系统的示意图；

图3是本实用新型实施例的电源管理电路的电路图。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图2是本实用新型实施例的环境参数采集系统的示意图。如图2所示，环境参数采集系统包括环境参数采集发送端1和环境参数接收端2。环境参数采集发送端1用于采集环境参数(例如温度、湿度等)转换为数字信号以无线方式向环境参数接收端2。环境参数接收端2通过网线与上位机3连接。环境参数接收端2通过与环境参数采集发送端1对应的无线通信接口接收环境参数，并上报汇总至上位机3。上位机3用于汇总获取所有环境参数采集发送端1获取的环境参数，并结合具体应用场景进行控制。

具体地，环境参数采集发送端1包括环境参数传感器11、LoRa无线通信模块12和发送端控制电路13。其中，环境参数传感器11用于采集获取环境参数。在环境参数为温度/湿度时，环境参数传感器11为温湿度传感器。

LoRa无线通信模块12适于基于LoRa技术进行通信。LoRa(Long Range)技术是Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20db以上，这确保了网络连接可靠性。它使用线性调频扩频调制技术，即保持了像FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关(Concentrator/Gateway)能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年，因为其可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性，而LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现。随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。这一技术改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统。LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段)，包括433、868、915MHz等。LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或称基站)、服务器和云四部分组成，应用数据可双向传输。LoRa无线技术有很强的抗干扰能力，非常高的接收灵敏度和发射功率，并且工作在相对空闲的无线频段区域，避开了常见的800Mhz到2.4Ghz频率，同时采用扩频通信机制和高效的纠错编码，使其可以工作在较复杂的环境中，数据传输可靠性很高。以本实施例的一个实施方式为例，LoRa无线模块可以在2.6-3.6V的电压范围内工作，其发射时的电流仅为120mA左右，而且由于温湿度数据量很小，发射的实际非常短，仅有几十ms，因此非常省电。并且在待机状态下，电流只有1.13uA。在数据量较小的温湿度采集应用情景下，一次性锂电池就可以使用1到2年的时间，完全不需要人工干预，节省了电池成本及维护成本。

环境参数的数据量相对于其他类型的数据来说比较小，一般一次发送的数据在几个KB以内。并且需求量小，因为在室内的环境参数变化本身不会非常剧烈，没有必要频繁采集，一般5分钟一次数据就足够使用了。因此没有必要使用常规的高速网络。而且温湿度数据上传的终端都比较一致，基本都是单向上传，没有必要采用复杂的组网技术。因此采用单向传输机制的LoRa无线技术，使得温湿度数据采集成本更低，更简单

在发送机制上，可以采用了单向发送机制和温湿度中断发送机制结合的方式。单向发送机制，由发送终端自动发送温湿度数据到接收终端。实际使用中，会有多个发送终端的情况出现，因此采用分时发送的机制，使得多个发送终端的数据不会冲突。温湿度中断发送机制则是由MCU定时监测温湿度数据，当温度和湿度的变化超过预设的门限值时，才发送当前的温湿度数据。

发送端控制电路13与环境参数传感器11和所述LoRa无线通信模块12连接，用于控制所述LoRa无线通信模块向预定位置(例如配对好的LoRa无线通信模块)发送环境参数。发送端控制电路13可以采用MCU或数字信号处理电路DSP或专用集成电路芯片。

进一步地，为了进一步延长环境参数采集发送端1的续航时间，环境参数采集发送端1的电源部分采用一次性电池14(优选大容量一次性锂电池)和电源管理电路15来为环境参数传感器11、LoRa无线通信模块12和发送端控制电路13供电。具体地，电源管理电路15与所述一次性电池14连接，适于工作于升压模式，将所述一次性电池的输出电压升压后输出到所述环境参数传感器11、LoRa无线通信模块12以及发送端控制电路13进行供电。采用升压模式的电源管理电路15可以在一次性电池由于电量衰减导致输出电压下降时，将其升压后供应到负载，保证环境参数采集发送端1中的各电路在电池电量较低时仍然可以正常工作，进一步延长了续航时间。

在一个优选实施方式中，电源管理电路15还可以所述一次性电池14的输出电压高于预定阈值时工作于直通模式。在直通模式下，电源管理电路15直接将所述一次性电池输出电压输出到环境参数传感器11、LoRa无线通信模块12以及发送端控制电路进行供电。

例如，在电池电压为3.0v到3.6v之间，此时电池电压就可以满足电源供电需求，可以控制电源管理电路15工作于直通模式下。在电池低于3.0v时，尤其是低到2.6v左右时，LoRa无线模块已经无法稳定工作，而此时电池电量仍然没有耗尽。此时通过控制电源控制芯片U1的直通使能引脚，将其切换到升压模式，不论电池电压在2.3v到3.0v之间如何变化，芯片的输出则恒定为3.3v，使得输出电压稳定可靠，可以延长电池的使用时间，充分发挥电池的性能，同时还能保证后端供电的稳定。

具体地，如图3所示，电源管理电路15包括电源控制芯片U1、保护开关S1、二极管D1、第一电容C1、第二电容C2、电感L1、第三电容C3以及第四电容C4。其中，电源控制芯片U1型号为TPS61291DRV，包括7个引脚。保护开关S1与电源输入端口连接，用于通断电池的供电。二极管D1的阳极与所述保护开关连接，阴极与中间端m连接，其中用于防止升压后产生的高压倒灌回电池，降低电池寿命。第一电容C1和第二电容C2并联连接在中间端m和接地端之间，用于滤除输入线路上的高频干扰。电感L1为功率电感，连接在所述中间端和所述电源控制芯片的第一引脚之间，用于存储能量。第三电容C3和第四电容C4并联连接在电源控制芯片的第二引脚和接地端之间，用于提高输出电压的稳定性，降低电压纹波。其中，电源控制芯片U1的第三引脚与中间端m连接，第四引脚输入直通使能信号。所述直通使能信号可以由一个输出电压检测电路产生或有发送端控制电路产生。第五引脚至第七引脚均与接地端连接。在电源控制芯片U1中，第一引脚L为电感引脚，第二引脚VOUT为输出引脚，第三引脚VIN为输入电压引脚，第四引脚EN/BYP为直通使能引脚，第五引脚VSEL为选择电压引脚，第六引脚GND为接地引脚，第七引脚PAD为接地焊盘引脚。其中,接地焊盘引脚用于给芯片散热。

在一个优选实施例中，可以采用单节的一次性锂电池，例如，力兴公司生产的的ER26500P锂电池，容量达到9000mAh。一次性锂电池的自身放电率低于可充电锂电池，寿命长，至少有5年的寿命。放电终止电压低，同时工作温度范围宽，零下40到85摄氏度都可以正常使用。

一节一次性锂电池，理论使用可以达到5年以上，完全可以不用任何人工干预和维护。同时由于是电池供电，可以随意安装在需要的任何位置，不需要任何人力施工成本。

同时，对于环境参数接收端2，其可以包括LoRa无线通信模块21、以太网电路22和接收端控制电路23。其中，LoRa无线通信模块21与发送端的LoRa无线通信模块12对应设置，适于基于LoRa技术进行通信，接收环境参数。以太网电路22适于基于以太网进行通信，其可以基于以太网接口与上位机3通信。接收端控制电路23与所述LoRa无线通信模块21以及以太网电路22连接，适于将LoRa无线通信模块接收的环境参数经由以太网电路22发送。

进一步地，在电源方面，所述环境参数接收端由于可以选择设置位置，具有较好的安装灵活性，因此，可以采用可充电电池供电或市电供电。其可以包括降压电路24，用于基于输入电压(例如可充电电池提供的24伏直流电源)对所述LoRa无线通信模块21、以太网电路22以及接收端控制电路23供电。

由此，可以以较低的功耗和较长的续航时间完成环境参数采集。

通过利用基于LoRa技术的无线通信模块进行环境参数的无线发送和接收，可以在不依赖于现有的运营商网络进行环境参数采集，同时具有较小的功耗以及较大的通信范围。

进一步地，通过利用一次性电池以及升压型电源管理电路的组合来进行供电，可以最大化电池的使用效率，延长使用时间，同时降低成本。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环境参数采集发送端，包括：

环境参数传感器，用于采集获取环境参数；

LoRa无线通信模块，适于基于LoRa技术进行通信；

发送端控制电路，与所述环境参数传感器和所述LoRa无线通信模块连接，用于控制所述LoRa无线通信模块发送所述环境参数。

2.根据权利要求1所述的环境参数采集发送端，其特征在于，所述环境参数采集发送端还包括：

一次性电池；以及，

电源管理电路，与所述一次性电池连接，适于工作于升压模式，将所述一次性电池的输出电压升压后输出到所述环境参数传感器、LoRa无线通信模块以及发送端控制电路进行供电。

3.根据权利要求2所述的环境参数采集发送端，其特征在于，所述电源管理电路适于在所述一次性电池输出电压高于预定阈值时工作于直通模式，直接将所述一次性电池输出电压输出到所述环境参数传感器、LoRa通信模块以及发送端控制电路进行供电。

4.根据权利要求3所述的环境参数采集发送端，其特征在于，所述电源管理电路包括：

电源控制芯片，型号为TPS61291DRV，包括7个引脚；

保护开关，与电源输入端口连接；

二极管，阳极与所述保护开关连接，阴极与中间端连接；

第一电容和第二电容，并联连接在所述中间端和接地端之间；

电感，连接在所述中间端和所述电源控制芯片的第一引脚之间；

第三电容和第四电容，并联连接在电源控制芯片的第二引脚和接地端之间；

其中，所述电源控制芯片的第三引脚与所述中间端连接，第四引脚输入直通使能信号，第五引脚至第七引脚均与接地端连接。

5.根据权利要求1所述的环境参数采集发送端，其特征在于，所述环境参数为温度和/或湿度。

6.一种环境参数采集系统，包括：

如权利要求1-5中任一项所述的环境参数采集发送端；以及

环境参数接收端，包括：

LoRa无线通信模块，适于基于LoRa技术进行通信；

以太网电路，适于基于以太网进行通信；

接收端控制电路，与所述LoRa无线通信模块以及以太网电路连接，适于将LoRa无线通信模块接收的环境参数经由所述以太网电路发送。

7.根据权利要求6所述的环境参数采集系统，其特征在于，所述环境参数接收端还包括：

降压电路，用于基于输入电压对所述LoRa无线通信模块、以太网电路以及接收端控制电路供电。

8.根据权利要求6所述的环境参数采集系统，其特征在于，所述环境参数采集系统还包括：

上位机，与所述环境参数接收端的以太网电路通过网线连接。