CN207251645U - 在线低功耗无线余氯传感器 - Google Patents
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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中的集成应用；具体技术方案为：在线低功耗无线余氯传感器，包括LoRa网关和与LoRa终端节点，LoRa终端节点上的两个铂电极和一个参比电极组成一个微电池测量系统，测量时，在两个铂电极的测量端保持一个稳定电位势，不同的被测成份在该电位势下产生不同的、线性良好的电流强度，终端MCU检测通过连接在参比电极线路中的电阻电压来计算压力数据，并将计算后的数据通过LoRa终端模块发送至LoRa网关，LoRa接收模块接收LoRa终端节点发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云端数据服务器。
Description
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。
目前市面上的余氯传感器主要分两种，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，还需要另加采集和网络通讯设备，才能将余氯数据传送至互联网。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都需要220V供电，此种方式有结构复杂、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成本低、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水质监测中的余氯参数采集装置，成本低，功耗低，传输距离远。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：在线低功耗无线余氯传感器，包括LoRa网关和与LoRa网关连接的LoRa终端节点。
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、参比电极和两个铂电极，一个铂电极通过第一数据线与终端MCU连接，另一个铂电极通过第二数据线与终端MCU连接，参比电极通过第三数据与终端MCU连接，第二数据线与第三数据线之间并联有电阻，终端MCU的R端口、T端口通过终端SPI总线与LoRa终端模块连接，LoRa终端模块与LoRa接收模块无线连接。两个铂电极和一个参比电极组成一个微电池测量系统，测量时，在两个铂电极的测量端保持一个稳定电位势，不同的被测成份在该电位势下产生不同的、线性良好的电流强度。终端MCU检测通过连接在参比电极线路中的电阻电压来计算压力数据，并将计算后的数据通过LoRa终端模块发送至LoRa网关。LoRa接收模块接收LoRa终端节点发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云端数据服务器，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。
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。
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。
本实用新型与现有技术相比，具体有益效果体现在：
低成本：产品集成数据采集、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。LoRa终端节点与LoRa网关组合整体系统利用LoRa扩频通信技术，实现了LoRa终端节点数据到云端数据服务器的采集。LoRa终端节点数据通过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：LoRa终端节点使用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：LoRa终端节点采用低功耗设计，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LoRa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为参比电极，23为铂电极，24为第一数据线，25为第二数据，26为第三数据，27为终端SPI总线，28为LoRa终端模块，29为电阻，101为基板，102为LoRa天线，103为螺纹孔，104为电源模块，105为欠压检测模块，106为外部存储器。
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，在线低功耗无线余氯传感器，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、参比电极22和两个铂电极23，一个铂电极23通过第一数据线24与终端MCU21连接，另一个铂电极23通过第二数据25线与终端MCU21连接，参比电极22通过第二数据25与终端MCU21连接，第二数据25线与第三数据26线之间并联有电阻，终端MCU21的R端口、T端口通过终端SPI总线27与LoRa终端模块28连接，LoRa终端模块28与LoRa接收模块12无线连接。两个铂电极23和一个参比电极22组成一个微电池测量系统，测量时，在两个铂电极23的测量端保持一个稳定电位势，不同的被测成份在该电位势下产生不同的、线性良好的电流强度。终端MCU21检测通过连接在参比电极22线路中的电阻电压来计算压力数据，并将计算后的数据通过LoRa终端模块28发送至LoRa网关1。LoRa接收模块12接收LoRa终端节点2发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云端数据服务器15，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。
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LoRa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节点通信，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。
如图3所示，LoRa终端节点2包括基板101，基板101上装有终端MCU21、电源模块104、欠压检测模块105和外部存储器106，基板101的四角分别开有螺纹孔103，基板101的一侧装有LoRa天线102。
产品采用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。LoRa终端节点2内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10uA级，1节电池3000mAh磷酸铁电池可供节点使用5-10年。
产品信息采集是基于目前余氯测量普遍采用的化学原理产生电流，再依据欧姆定律将电流参数转化为微控制单元11识别的电压参数。微控制单元11与电阻之间设有数字滤波器，可对采集的数据做分析，去掉杂波中有干扰的数据，保证数据的准确性。
每个LoRa终端节点2都有一个唯一的ID码做标识，服务器通过ID码来识别产品位置。另外，LoRa终端节点2内部集成了8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，也可以对产品运行参数做日志记录。
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。
LoRa终端节点2利用LoRa扩频通信技术，实现了LoRa终端节点2数据到云端数据服务器15的采集。LoRa终端节点2通过LoRa网关1接入互联网模块14，每个LoRa网关1可以接入多达5000个LoRa终端节点2，只需要一条互联网接入通道，很大程度地节约了成本，运营仅需一条约千元的普通ADSL线路或光纤接入的费用。
LoRa网关1和LoRa终端节点2之间最远可达3-10公里的通信距，LoRa终端节点2和LoRa网关1之间采用星型拓扑结构，同时，LoRa终端节点2可以在不通的LoRa网关1之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好地提高了系统通信实时性要求。
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 (6)
1.在线低功耗无线余氯传感器，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）、参比电极（22）和两个铂电极（23），一个铂电极（23）通过第一数据线（24）与终端MCU（21）连接，另一个铂电极（23）通过第二数据（25）线与终端MCU（21）连接，参比电极（22）通过第三数据（26）与终端MCU（21）连接，第二数据（25）线与第三数据（26）线之间并联有电阻（29），终端MCU（21）的R端口、T端口通过终端SPI总线（27）与LoRa终端模块（28）连接，LoRa终端模块（28）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余氯传感器，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余氯传感器，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余氯传感器，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余氯传感器，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余氯传感器，其特征在于，所述微控制单元（11）为32位微控制单元（11）。
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