CN207249898U - 在线低功耗无线ph值传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于无线通信数据采集技术领域，具体涉及一种低功耗扩频通信技术在水质监测PH值中的集成应用；具体技术方案为：在线低功耗无线PH值传感器，包括LoRa终端节点，LoRa终端节点上的玻璃电极与氯化银电极共同组成为微电池测量系统，电池测量系统沉浸在水中并由被测成分不同的浓度产生不同的电动势，微电池测量系统与终端MCU连接产生线性关系良好的电流强度，终端MCU感知微电池产生电动势的大小，获取PH值数据，并将计算整理后的数据通过LoRa模块发送至LoRa网关，LoRa接收模块接收来自LoRa终端节点发来的PH值数据，在系统内部做差错校验和完整性检测后，把正确的完整数据转发给数据服务器。

Description

在线低功耗无线PH值传感器

技术领域

本实用新型属于无线通信数据采集技术领域，具体涉及一种低功耗扩频通信技术在水质监测PH值中的集成应用。

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PH传感器主要分两种，一种是操作台式的，测量之后直接在显示屏上显示测量值，但不具有在线功能；另一种是测量电极与二次仪表配套使用，电极测量二次仪表通过处理测量信号，将测量值输出至显示屏或者4-20mA或者Modbus 对外传送数据。若要实现在线功能，还需要另加采集设备和网络通讯设备，才能将PH数据传送至互联网，其中，每一个环节不论远近都需要电缆导线，数据采集设备和网络通讯设备还大都需要220V供电。此种采集设备具有结构复杂、造价高、运营成本高和维护量大等诸多问题。

实用新型内容

为解决现有技术存在的高成本、高功率和传输距离短的技术问题，本实用新型提供了一种应用在水质监测领域中对PH值参数进行测量的装置，成本低，传输距离远，消耗功耗小。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：在线低功耗无线PH值传感器，包括LoRa网关和与LoRa网关连接的LoRa终端节点，LoRa网关与LoRa终端节点之间进行信息传输。

LoRa网关包括微控制单元，微控制单元上的R端口、T端口通过数据线与LoRa接收模块连接，LoRa接收模块与多个LoRa终端节点无线连接，微控制单元的A端口、B端口通过数据线与LTE模块连接，LTE模块通过互联网模块与云端数据服务器连接。LoRa接收模块接收来自多个LoRa终端节点的数据，LoRa接收模块将数据依次发送至互联网模块、云端数据服务器，云端数据服务器将回送的数据反馈至微控制单元内，微控制单元对回送数据进行处理后，再通过LoRa接收模块将回送数据播送出去。

LoRa终端节点包括终端MCU、玻璃电极和氯化银电极，玻璃电极的信号输出端通过数据线与终端MCU连接，氯化银电极的信号输出端通过数据线与信号放大器的信号输入端连接，信号放大器的信号输出端与终端MCU的A端口连接，终端MCU的R端口、T端口均与LoRa终端模块连接， LoRa终端模块与LoRa接收模块无线连接。玻璃电极与氯化银电极共同组成为微电池测量系统，电池测量系统沉浸在水中并由被测成分不同的浓度产生不同的电动势，微电池测量系统与终端MCU连接产生线性关系良好的电流强度。终端MCU通过AD转换器感知电流大小，并来感知微电池产生电动势的大小，从而获取PH值数据，并将计算整理后的数据通过LoRa模块发送至LoRa网关。LoRa接收模块接收来自LoRa终端节点发来的PH值数据，在系统内部做差错校验和完整性检测后，把正确的完整数据转发给数据服务器，LoRa网关同时担任将云端数据服务器发来的数据转发给LoRa终端节点。

其中，作为优选的，LoRa接收模块通过LoRaWAN与多个LoRa终端节点通信，采用LoRa扩频通信技术，LoRa网关与LoRa终端节点之间最远可达3-10公里的通信距离，多个LoRa终端节点与LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时，LoRa终端节点可以在不同的网关之间无缝漫游通信，采用此通信模式，延时小，更好地提高了通信实时性。

LoRa网关采用低功耗设计，采用单节18650磷酸铁电池供电，内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10 uA级，一节2300MA电池可以使用1-2年。

LTE模块通过2G/3G/4G通信网络与互联网模块连接，相对于传统的物理通信，通信距离远，通信设备少，无需配置大功率的供电系统，维护成本低。

微控制单元通过接收端SPI总线与LoRa接收模块连接, 接收端SPI总线是一种高速、全双工、同步的通信总线，布局空间小。

微控制单元通过UART与LTE模块连接,UART是一种异步收发传输器，它将要传输的数据在串行通信与并行通信之间加以转换，并在微控制单元与LTE模块之间实现双向信号传输。

其中，作为优选的，微控制单元为32位微控制单元。

终端MCU通过终端SPI总线与LoRa终端模块连接, 终端SPI总线是一种高速、全双工、同步的通信总线，布局空间小。

本实用新型与现有技术相比，具体有益效果体现在：

低成本：本实用新型集成数据采集、数据处理和数据传输三个部分，只需使用一个产品即可实现将数据在线发送的功能。多个LoRa终端节点与LoRa网关共同组成一个利用LoRa扩频通信技术的系统，实现了终端数据到云端数据服务器的采集。产品数据通过LoRa网关接入互联网，每个LoRa网关可以接入多达5000个LoRa终端节点，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。

远距离通信：本实用新型使用LoRa扩频通信技术，LoRa终端节点与LoRa网关之间最远可达3-10公里的通信距离，多个LoRa终端节点和LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时，LoRa终端节点可以在不同的LoRa网关之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好地提高了通信实时性。

低功耗：本实用新型采用低功耗设计，采用单节18650磷酸铁电池供电，内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10uA级，一节2300MA电池可以使用5-10年。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1中LoRa终端节点的结构示意图。

图3为LoRa终端节点的元器件布局图。

图中，1为网关，2为LoRa终端节点，11为微控制单元，12为LoRa接收模块，13为LTE模块，14为互联网模块，15为云端数据服务器，16为接收端SPI总线，17为UART，21为终端MCU，22为玻璃电极，23为氯化银电极，24为信号放大器，25为LoRa终端模块，26为终端SPI总线，101为基板，102为电源模块，103为欠压检测模块，104为外部存储器，105为螺纹孔，106为LoRa天线。

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1-2所示，在线低功耗无线PH值传感器，包括LoRa网关1和与LoRa网关1连接的LoRa终端节点2，LoRa网关1与LoRa终端节点2之间进行信息传输。

LoRa网关1包括微控制单元11，微控制单元11上的R端口、T端口通过数据线与LoRa接收模块12连接，LoRa接收模块12与多个LoRa终端节点2无线连接，微控制单元11的A端口、B端口通过数据线与LTE模块13连接，LTE模块13通过互联网模块14与云端数据服务器15连接。LoRa接收模块12接收来自多个LoRa终端节点2的数据，LoRa接收模块12将数据依次发送至互联网模块14、云端数据服务器15，云端数据服务器15将回送的数据反馈至微控制单元11内，微控制单元11对回送数据进行处理后，再通过LoRa接收模块12将回送数据播送出去。

LoRa终端节点2包括终端MCU21、玻璃电极22和氯化银电极23，玻璃电极22的信号输出端通过数据线与终端MCU21连接，氯化银电极23的信号输出端通过数据线与信号放大器24的信号输入端连接，信号放大器24的信号输出端与终端MCU21的A端口连接，终端MCU21的R端口、T端口均与LoRa终端模块25连接， LoRa终端模块25与LoRa接收模块12无线连接。

玻璃电极22与氯化银电极23共同组成为微电池测量系统，电池测量系统沉浸在水中并由被测成分不同的浓度产生不同的电动势，微电池测量系统与终端MCU21连接产生线性关系良好的电流强度。终端MCU21通过AD转换器感知电流大小，并来感知微电池产生电动势的大小，从而获取PH值数据，并将计算整理后的数据通过LoRa模块发送至LoRa网关1。LoRa接收模块12接收来自LoRa终端节点2发来的PH值数据，在系统内部做差错校验和完整性检测后，把正确的完整数据转发给数据服务器，LoRa网关1同时担任将云端数据服务器15发来的数据转发给LoRa终端节点2。

如图3所示，LoRa终端节点2还包括基板101，基板101上布置有微控制单元11、电源模块102和欠压检测模块103，基板101的四角布置有螺纹孔105，微控制单元11的一侧布置外部存储器104，基板101的一侧布置有LoRa天线106。

其中，作为优选的，LoRa接收模块12通过LoRaWAN与多个LoRa终端节点2通信，采用LoRa扩频通信技术，LoRa网关1与LoRa终端节点2之间最远可达3-10公里的通信距离，多个LoRa终端节点2与LoRa网关1之间采用星型拓扑结构，同时，LoRa终端节点2可以在不同的网关1之间无缝漫游通信，采用此通信模式，延时小，更好地提高了通信实时性。

LoRa网关1采用低功耗设计，采用单节18650磷酸铁电池供电，内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10 uA级，一节2300MA电池可以使用1-2年。

LTE模块13通过2G/3G/4G通信网络与互联网模块14连接，相对于传统的物理通信，通信距离远，通信设备少，无需配置大功率的供电系统，维护成本低。

微控制单元11通过接收端SPI总线16与LoRa接收模块12连接, 接收端SPI总线16是一种高速、全双工、同步的通信总线，布局空间小。

微控制单元11通过UART17与LTE模块13连接,UART17是一种异步收发传输器，它将要传输的数据在串行通信与并行通信之间加以转换，并在微控制单元11与LTE模块13之间实现双向信号传输。

其中，作为优选的，微控制单元11为32位微控制单元11。

终端MCU21通过终端SPI总线与LoRa终端模块25连接, 终端SPI总线是一种高速、全双工、同步的通信总线，布局空间小。

LoRa网关1和LoRa终端节点2之间采用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 协议更好地实现了多LoRa终端节点2之间的通信，LoRa网关1集成了8通道无线接收器，更好地保证了数据接收的稳定性。无线接收器通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的带宽下使用获得了接近-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，这样使得在同样的发射距离内，发射功率就会降低，从而实现低功耗长距离的通信。

本实用新型采用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。自带了ACK信号确认，有效地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，有效地实现了低功耗通信的要求。本实用新型内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10uA级，1节电池3000mAh磷酸铁电池可供LoRa终端节点2使用5-10年。

LoRa终端节点2的信息采集是基于目前常用的电位分析法，电位不同在电路中产生的电流就不一样，电流数据再通过AD转换器转化为MCU可识别的数字信息。AD转换器之前还设有滤波器和放大电路，去掉杂波中的干扰数据，MCU对数据进行分析和处理，保证传送数据的准确性。

每个LoRa终端节点2上均设有一个唯一的ID码做标识，服务器通过ID码来识别产品位置。另外，产品内部集成了8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，并对产品运行参数做日志记录。

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.在线低功耗无线PH值传感器，其特征在于，包括LoRa网关（1）和与LoRa网关（1）连接的LoRa终端节点（2）；

所述LoRa网关（1）包括微控制单元（11），微控制单元（11）上的R端口、T端口通过数据线与LoRa接收模块（12）连接，LoRa接收模块（12）与多个LoRa终端节点（2）无线连接，微控制单元（11）的A端口、B端口通过数据线与LTE模块（13）连接，LTE模块（13）通过互联网模块（14）与云端数据服务器（15）连接；

所述LoRa终端节点（2）包括终端MCU（21）、玻璃电极（22）和氯化银电极（23），玻璃电极（22）的信号输出端通过数据线与终端MCU（21）连接，氯化银电极（23）的信号输出端通过数据线与信号放大器（24）的信号输入端连接，信号放大器（24）的信号输出端与终端MCU（21）的A端口连接，终端MCU（21）的R端口、T端口均与LoRa终端模块（25）连接， LoRa终端模块（25）与LoRa接收模块（12）无线连接。

2.根据权利要求1所述的在线低功耗无线PH值传感器，其特征在于，所述LoRa接收模块（12）通过LoRaWAN与多个LoRa终端节点（2）通信。

3.根据权利要求2所述的在线低功耗无线PH值传感器，其特征在于，所述LTE模块（13）通过2G/3G/4G通信网络与互联网模块（14）连接。

4.根据权利要求3所述的在线低功耗无线PH值传感器，其特征在于，所述微控制单元（11）通过接收端SPI总线（16）与LoRa接收模块（12）连接。

5.根据权利要求4所述的在线低功耗无线PH值传感器，其特征在于，所述微控制单元（11）通过UART（17）与LTE模块（13）连接。

6.根据权利要求5所述的在线低功耗无线PH值传感器，其特征在于，所述微控制单元（11）为32位微控制单元（11）。

7.根据权利要求6所述的在线低功耗无线PH值传感器，其特征在于，所述终端MCU（21）通过终端SPI总线与LoRa终端模块（25）连接。