CN206302424U - 一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统 - Google Patents

一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型属于低功耗扩频通信技术领域,涉及一种应用LoRa技术的流量采集系统;具体技术方案为:一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,包括PCB板和安装在PCB板上的微控制器,微控制器的信号输入端与流量修正器的信号输出端连接,流量修正器的信号输入端与流量传感器的信号输出端连接,微控制器的信号输出端与LoRa射频模块连接,LoRa射频模块与LoRa网关无线连接,微控制器为总的信号处理终端,超声波测速探头将测到的流速信号传输给流量传感器,流量传感器对流速信号进行计算和处理,并将流速信号转变为流量信号,流量传感器将流量信号传输给微控制器进行处理,流量修正器对流量传感器的流量信号进行修正,成本低。

Description

一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统
技术领域
本实用新型属于低功耗扩频通信技术领域,具体设计一种应用LoRa技术的流量采集系统。
背景技术
随着物联网和无线通信技术的飞速发展,人们与信息网络已经密不可分,无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色,低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈要求。短距离无线通信的低成本、相对其它无线通信技术的低功耗、及其对等通信特征等适应了飞速发展的便捷信息传输的需求。在技术、成本、可靠性及可实用性等各方面的综合考虑下,低功耗长距离无线通信技术成为了当今通信领域研究的热点。
目前市面上的流量采集终端主要是基于RTU技术,通过GPRS,3G,4G网络传输采集到的数据,每个采集终端造价高,而且在运营中需要支付给通信公司高额的流量使用费,通信数据受运营商接口的限制,只能遵循运营公司的标准来做传输受到很大的局限,数据传输延时比较大,由于RTU服务器的限制每条数据传输需要有一定的时间间隔,达不到实时性数据传输的要求。
每个终端需要配置大功率的太阳能供电系统,维护成本很高,使用寿命低每隔2年就需要更换蓄电池。
高成本的流量采集终端导致每个地区的流量采集器部署非常有限,稀疏的流量采集数据不足已给防汛抗旱提供准确有效数据分析能力,给国家防汛抗旱工作造成很大的困难,近期大部分地区暴雨灾害非常频繁,迫切需要部署一套有效的低成本遥测终端。
实用新型内容
为解决现有技术存在的高成本、传输距离近和高功耗的技术问题,本实用新型提供了一种应用在智慧水利中的流量采集系统,有效利用LoRa技术,低成本,传输距离远,功耗低。
为实现上述目的,本实用新型所采用的技术方案为:一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,包括PCB板和安装在PCB板上的微控制器、超声波测速探头、流量传感器和流量修正器,微控制器的信号输入端与流量修正器的信号输出端连接,流量修正器的信号输入端与流量传感器的信号输出端连接,流量传感器的信号输入端与超声波测速探头连接,微控制器的信号输出端与LoRa射频模块连接,LoRa射频模块与LoRa网关无线连接。
微控制器为总的信号处理终端,超声波测速探头将测到的流速信号传输给流量传感器,流量传感器对流速信号进行计算和处理,并将流速信号转变为流量信号,流量传感器将流量信号传输给微控制器进行处理,流量修正器对流量传感器的流量信号进行修正,保证整个系统的信号处理精确度,LoRa射频模块将微控制器的信号传输给LoRa射频模块,将LoRa技术应用在流量采集系统中,成本低,低功耗,实现远距离通信。
LoRa网关包括嵌入式处理器,嵌入式处理器与LoRa射频收发器之间通过SPI总线连接,SPI总线为高速、同步的通信总线,节约PCB板的结构布局,LoRa射频收发器与LoRa射频模块无线连接,嵌入式处理器通过通信模块与互联网模块连接,嵌入式处理器的信号传输给互联网模块。
LoRa网关与LoRa射频模块之间采用LoRa扩频通信技术,采用LoRa WAN协议,更好地实现了多接点通信,LoRa网关继承了8通道无线接收器,更好地保证了数据接收稳定性。LoRa射频收发器通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的宽带下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比,这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB,这样使得同样的通信距离发射功率就会降低,从而实现低功耗长距离的通信。
PCB板上设有温度传感器,温度传感器与微控制器连接,温度传感器将温度信号传输给微控制器进行处理。
PCB板上设有指示灯,指示灯与微控制器连接,指示灯用于指示整个系统的运行状态。
PCB板上设有电源模块,电源模块与微控制器连接,电源模块为微控制器供电。
PCB板上设有欠压检测模块,欠压检测模块与微控制器连接,欠压检测模块用于检测整个系统是否欠压,避免整个系统在欠压的工作下工作,
PCB板上设有故障检测模块,故障检测模块与微控制器连接,故障检测模块用于对整个系统的故障点进行检测,实时报告整个系统的运行状态和故障点,实现自动控制。
PCB板上布置有RS232接口,RS232接口与微控制器连接,RS232接口与处理器连接,RS232为一种串行物理接口,此种接口应用范围广泛、价格便宜、编程容易,通信速度快,保证了数据的正常传输。
作为其中一种通信方式,通信模块包括路由器,路由器的信号输入端与嵌入式处理器连接,路由器的信号输出端与互联网模块连接,通信模块的信号通过路由器传输给互联网模块进行处理。
作为另一种优选的通信方式,通信模块包括无线AP,无线AP的信号输入端与嵌入式处理器连接,无线AP的信号输出端与互联网模块连接,通信模块的信号通过无线AP传输给互联网模块进行处理。
LoRa射频模块上设有射频天线,射频天线为470MHz射频天线,射频天线与LoRa网关无线连接。
其中,作为优选的,微控制器与LoRa射频模块通过SPI总线连接。
作为优选的结构布局,电源模块、欠压检测模块与指示灯置于同一侧,温度传感器、流量传感器和流量修正器置于同一侧。
电源模块为3000mAh高能锂电池,3000mAh高能锂电池可以使用5-10年,与传统的太阳能系统供电采集终端相比,成本更低。
本实用新型与现有技术相比,其有益效果主要体现在:
一、低成本:本系统利用LoRa扩频通信技术,实现了终端数据到云端服务器的采集,流量采集数据通过LoRa网关接入互联网模块,每个LoRa网关可以接入多达5000个流量采集器,只需要一条互联网接入通道,很大程度地节约了终端采集器的成本。
二、远距离通信:LoRa网关和流量采集器终端采用扩频无线通信技术,最远可达20公里的通信距,多个流量采集器和LoRa网关之间采用星型拓扑结构,同时,流量采集器可以在不通的网关之间无缝漫游通信,采用此通信模式延时小,更好地提高系统通信实时性要求。
三、低功耗:节点终端采用低功耗设计,采用单节高能电池供电,一节3000mAh电池可以使用5-10年,和传统太阳能系统供电采集终端相比,成本更低。
附图说明
图1为本实用新型的控制简图。
图2为本实用新型的控制原理图。
图3为本实用新型的结构布局图。
图4为图1中LoRa网关的控制原理图。
图中,1为PCB板,2为微控制器, 3为超声波测速探头,4为流量传感器,5为流量修正器,6为LoRa射频模块,7为LoRa网关,8为嵌入式处理器,9为射频收发器,10为SPI总线,11为通信模块,12为互联网模块,13为温度传感器,14为射频天线,15为指示灯,16为电源模块,17为欠压检测模块,18为故障检测模块,19为RS232接口,20为路由器,21为无线AP。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
如图1-4所示,一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,包括PCB板1和安装在PCB板1上的微控制器2、超声波测速探头3、流量传感器4和流量修正器5,所述微控制器2的信号输入端与流量修正器5的信号输出端连接,流量修正器5的信号输入端与流量传感器4的信号输出端连接,流量传感器4的信号输入端与超声波测速探头3连接,微控制器2的信号输出端与LoRa射频模块6连接,LoRa射频模块6与LoRa网关7无线连接。
微控制器2为总的信号处理终端,超声波测速探头3将测到的流速信号传输给流量传感器4,流量传感器4对流速信号进行计算和处理,并将流速信号转变为流量信号,流量传感器4将流量信号传输给微控制器2进行处理,流量修正器5对流量传感器4的流量信号进行修正,保证整个系统的信号处理精确度,LoRa射频模块6将微控制器2的信号传输给LoRa射频模块6,将LoRa技术应用在流量采集系统中,成本低,低功耗,实现远距离通信。
LoRa网关7包括嵌入式处理器8,嵌入式处理器8与LoRa射频收发器9之间通过SPI总线10连接,SPI总线10为高速、同步的通信总线,节约PCB板1的结构布局,LoRa射频收发器9与LoRa射频模块6无线连接,嵌入式处理器8通过通信模块11与互联网模块12连接,嵌入式处理器8的信号传输给互联网模块12。
其中,单个流量采集系统简称为LoRa节点,LoRa网关7与LoRa节点通信,LoRa网关7和云端服务器采用标准IP网络协议,通用性和可靠性得到保障。
LoRa网关7与LoRa射频模块6之间采用LoRa扩频通信技术,采用LoRa WAN协议,更好地实现了多接点通信,LoRa网关7继承了8通道无线接收器,更好地保证了数据接收稳定性。LoRa射频收发器9通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的宽带下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比,这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB,这样使得同样的通信距离发射功率就会降低,从而实现低功耗长距离的通信。
LoRa网关7和LoRa节点采用Lora扩频通信技术,该技术具有低功耗,远距离传输特点,采用LoRa WAN 协议更好的实现了多节点通信,LoRa网关7集成了8通道LoRa射频收发器9,更好的保证了数据接收的稳定性。8通道无线接收器通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的带宽下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比,这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB,这样使得同样的通信距离发射功率就会降低,从而实现低功耗长距离的通信。
LoRa节点采用STM32L052低功耗32位MCU做主控器,内嵌LoRaWAN无线通信协议,有信号碰撞检测机制,自适应速率,面对复杂的环境有超强抗干扰机制。LoRa节点自带了ACK信号确认,有效保障了通信可靠性要求,发射功率根据通信距离的RISS值自动调整,有效的实现了低功耗通信的要求。
LoRa节点设计了4-20mA电流环采集模块,用于采集超声波流量传感器4电流信号。该LoRa节点设计满足大部分传感器接口的要求做到了通用性,升级更换传感器或应用方式改变时候无需更换LoRa节点。
流量采集装置是由超声波测速探头3发出高频脉冲声波遇到被测物位(物料)表面被反射折回反射回波被换能器接收转换成电信号,电信号再通过高精度AD转换器转换成数字信号,通过LoRaWan传送到LoRa网关7,每个LoRa节点有一个唯一的ID码做标识,服务器通过ID码来识别流量传感器4的安装位置。
LoRa节点内有数字滤波器,对采集的数据做分析,去掉杂波有干扰的数据。保证数据的准确性。
内部集成了8Mbyte的Flash存储器,可对采集数据进行记录,可以对节点运行参数做日志记录。
长距离低功耗是本系统的特点,体现在实际应用中是成本大范围的降低。使得流量采集的密度提高,有效的为防洪抗旱提供第一手数据资料,对抗旱防汛决策起了至关重要的作用。
此系统利用LoRa扩频通信技术,实现了终端数据到互联网通信模块11的采集。LoRa节点通过LoRa网关7接入互联网,每个LoRa网关7可以接入多达5000个LoRa节点,只需要一条互联网接入通道,很大程度的节约了终端采集器的成本。以一个RTU终端通信服务费每年120元计算,5000个LoRa节点每年产生的流量月租费用达5000*120=60万元,而采用此系统运营费用仅需一条普通4m ADSL线路或光纤接入的费用,此费用大约在每年600-2000元。
LoRa网关7和LoRa节点采用扩频无线通信技术最远可达3-10公里的通信距,LoRa节点和LoRa网关7之间采用星型拓扑结构,同时LoRa节点可以在不通的LoRa网关7之间无缝漫游通信,采用此通信模式延时小,更好的提高系统通信实时性要求。
PCB板1上设有温度传感器13,温度传感器13与微控制器2连接,温度传感器13将温度信号传输给微控制器2进行处理。
PCB板1上设有指示灯15,指示灯15与微控制器2连接,指示灯15用于指示整个系统的运行状态。
PCB板1上设有电源模块16,电源模块16与微控制器2连接,电源模块16为微控制器2供电。
PCB板1上设有欠压检测模块17,欠压检测模块17与微控制器2连接,欠压检测模块17用于检测整个系统是否欠压,避免整个系统在欠压的工作下工作,
PCB板1上设有故障检测模块18,故障检测模块18与微控制器2连接,故障检测模块18用于对整个系统的故障点进行检测,实时报告整个系统的运行状态和故障点,实现自动控制。
PCB板1上布置有RS232接口19,RS232接口19与微控制器2连接,RS232接口19与处理器连接,RS232为一种串行物理接口,此种接口应用范围广泛、价格便宜、编程容易,通信速度快,保证了数据的正常传输。
作为其中一种通信方式,通信模块11包括路由器20,路由器20的信号输入端与嵌入式处理器连接,路由器20的信号输出端与互联网模块12连接,通信模块11的信号通过路由器20传输给互联网模块12进行处理。
作为另一种优选的通信方式,通信模块11包括无线AP21,无线AP21的信号输入端与嵌入式处理器连接,无线AP21的信号输出端与互联网模块12连接,通信模块11的信号通过无线AP21传输给互联网模块12进行处理。
互联网通信模块11是数据汇总的中心数据库,该系统实现数据存储,节点终端设备管理,远程设备维护升级,大数据分析,根据历史数据智能校准数据。自建私有云系统,保障数据私密性,数据可视化,数据Web查看、下载、统计分析功能。
LoRa射频模块6上设有射频天线14,射频天线14为470MHz射频天线14,射频天线14与LoRa网关7无线连接。
其中,作为优选的,微控制器2与LoRa射频模块6通过SPI总线10连接。
作为优选的结构布局,电源模块16、欠压检测模块17与指示灯15置于同一侧,温度传感器13、流量传感器4和流量修正器5置于同一侧。
电源模块16为3000mAh高能锂电池,3000mAh高能锂电池可以使用5-10年,与传统的太阳能系统供电采集终端相比,成本更低。
工作流程:LoRa网关7接收LoRa射频模块6的无线信号,在系统内部做差错校验和完整性检测以后,把正确的完整数据发送给云服务器,LoRa同时担任服务器发来的数据并转发给LoRa射频模块6。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包在本实用新型范围内。

Claims (7)

1.一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,其特征在于,包括PCB板(1)和安装在PCB板(1)上的微控制器(2)、超声波测速探头(3)、流量传感器(4)和流量修正器(5),所述微控制器(2)的信号输入端与流量修正器(5)的信号输出端连接,流量修正器(5)的信号输入端与流量传感器(4)的信号输出端连接,流量传感器(4)的信号输入端与超声波测速探头(3)连接,微控制器(2)的信号输出端与LoRa射频模块(6)连接,LoRa射频模块(6)与LoRa网关(7)无线连接;
所述LoRa网关(7)包括嵌入式处理器(8),嵌入式处理器(8)与LoRa射频收发器(9)之间通过SPI总线(10)连接,LoRa射频收发器(9)与LoRa射频模块(6)无线连接,嵌入式处理器(8)通过通信模块(11)与互联网模块(12)连接;
所述PCB板(1)上设有温度传感器(13),温度传感器(13)与微控制器(2)连接;
所述PCB板(1)上设有指示灯(15),指示灯(15)与微控制器(2)连接;
所述PCB板(1)上设有电源模块(16),电源模块(16)与微控制器(2)连接;
所述PCB板(1)上设有欠压检测模块(17),欠压检测模块(17)与微控制器(2)连接;
所述PCB板(1)上设有故障检测模块(18),故障检测模块(18)与微控制器(2)连接;
所述PCB板(1)上布置有RS232接口(19),RS232接口(19)与微控制器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,其特征在于,所述通信模块(11)包括路由器(20),路由器(20)的信号输入端与嵌入式处理器(8)连接,路由器(20)的信号输出端与互联网模块(12)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,其特征在于,所述通信模块(11)包括无线AP(21),无线AP(21)的信号输入端与嵌入式处理器(8)连接,无线AP(21)的信号输出端与互联网模块(12)连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,其特征在于,所述LoRa射频模块(6)上设有射频天线(14)。
5.根据权利要求4所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,其特征在于,所述微控制器(2)与LoRa射频模块(6)通过SPI总线(10)连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,其特征在于,所述电源模块(16)、欠压检测模块(17)与指示灯(15)置于同一侧,温度传感器(13)、流量传感器(4)和流量修正器(5)置于同一侧。
7.根据权利要求6所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统,其特征在于,所述电源模块(16)为3000mAh高能锂电池。
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